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Biología Compendio VII: Estructura y Fisiología Animal



"Como fisiólogo, me impresiona especialmente la ignorancia común acerca de los órganos corporales y sus funciones. Me parece... que es 'en extremo deshonroso que un Alma Razonable viva en una Mansión de construcción tan Divina como el Cuerpo en el que reside sin conocer en absoluto su exquisita estructura'."

W.B. Cannon, The Way of an Investigator (1945)

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Homeostasis, organización y circulación animal

26.1 Homeostasis y regulación interna

La homeostasis se refiere a la tendencia de los procesos fisiológicos que mantienen las condiciones internas del organismo. El cuerpo animal contiene mecanismos de retroalimentación que operan en concierto como sistema coordinado e integrado.

26.2 Organización del cuerpo animal

El cuerpo animal se compone de sistemas que consisten en dos o más órganos, que a su vez, se componen de al menos dos tipos de tejidos que operan juntos. Un tejido es un grupo de células y de material extracelular que forma una unidad estructural y funcional, y se especializa para realizar una tarea específica. Los tejidos animales incluyen:

Entre los sistemas de órganos en animales están: sistema circulatorio, linfático/inmunológico, digestivo, excretor, respiratorio, endocrino, nervioso, muscular, esquelético, reproductor.

26.3 Características y funciones de los sistemas circulatorios

Los sistemas circulatorios transportan sangre rica en nutrimentos disueltos y oxígeno a las inmediaciones de cada célula, donde se pueden liberar nutrimentos y absorber desechos por difusión; ayudan a regular la temperatura del cuerpo y lo defienden contra enfermedades. Los sistemas circulatorios tienen tres partes: (1) sangre, un líquido: (2) vasos sanguíneos, un sistema de canales para conducir la sangre; y (3) un corazón, una bomba que circula la sangre.

Casi todos los vertebrados tienen sistemas circulatorios cerrados; los invertebrados tienen sistemas cerrados o abiertos. En los sistemas cerrados, la sangre queda confinada al corazón y los vasos sanguíneos. En los sistemas abiertos, el corazón bombea sangre hacia un hemocele, donde baña directamente a los órganos internos.

26.4 La sangre

La sangre se compone de líquido y materiales celulares. El líquido, o plasma, consiste en agua que contiene proteínas, hormonas, nutrimentos, gases y desechos. (1) Los glóbulos rojos (eritrocitos) contienen una proteína (hemoglobina) que contiene hierro y transporta oxígeno; la hormona eritropoyetina regula el número de eritrocitos; proteínas en la membrana plasmática de los glóbulos rojos determinan el tipo de sangre. (2) Hay cinco tipos de glóbulos blancos (leucocitos) que combaten las infecciones. (3) Las plaquetas, que son fragmentos de grandes células (megacariocitos) que permanecen en la médula ósea, son importantes para la coagulación de la sangre.

Tabla 26.1 Principales sistemas de órganos de los vertebrados

Sistema de órganos

Principales estructuras

Papel fisiológico

Sistema circulatorio

Corazón, vasos sanguíneos, sangre

Transporta nutrimentos, gases, hormonas, desechos metabólicos, controla la temperatura

Sistema linfático/inmunológico

Linfa, nodos y vasos linfáticos, glóbulos blancos

Lleva grasas y líquidos en exceso a la sangre, destruye microbios invasores

Sistema digestivo

Boca, esófago, estómago, intestinos delgado y grueso, glándulas que producen secreciones digestivas

Abastece al cuerpo de nutrimentos que proporcionan energía y materiales para el crecimiento y el mantenimiento

Sistema excretor

Riñones, uréteres, vejiga, uretra

Mantiene condiciones homeostáticas dentro del torrente sanguíneo; filtra desechos celulares, ciertas toxinas, exceso de agua y nutrimentos

Sistema respiratorio

Nariz, tráquea, pulmones (mamíferos, aves, reptiles, anfibios), agallas (peces y algunos anfibios)

Proporciona un área para el intercambio de gases entre la sangre y el medio; permite obtención de oxígeno y eliminación de dióxido de carbono

Sistema endocrino

Diversas glándulas que secretan hormonas: hipotálamo, pituitaria, tiroides, páncreas, suprarrenales

Controla procesos fisiológicos, por lo regular junto con el sistema nervioso

Sistema nervioso

Cerebro, médula espinal, nervios periféricos

Controla procesos fisiológicos junto con el sistema endocrino; detecta el medio externo e interno y dirige el comportamiento

Sistema muscular

Músculo esquelético,

músculo liso,

músculo cardiaco

Mueve el esqueleto;

controla el movimiento de sustancias por órganos huecos (tracto digestivo, vasos sanguíneos grandes);

inicia y efectúa contracciones cardiacas

Sistema esquelético

Huesos, cartílago, tendones, ligamentos

Proporciona sostén al cuerpo, sitios de sujeción para los músculos

Sistema reproductor

Macho: testículos, vesículas seminales, pene

Hembra (mamíferos): ovarios, oviductos, útero, vagina, glándulas mamarias

Macho: produce espermatozoides, fecunda a la hembra

Hembra (mamíferos): produce óvulos, nutre al embrión en el desarrollo

26.5 Los vasos sanguíneos y sus funciones

La sangre que sale del corazón viaja (en orden) por arterias, arteriolas, capilares, vénulas, venas y regresa luego al corazón. Cada vaso sanguíneo está especializado para desempeñar su función.

26.6 El corazón de los vertebrados

El corazón de los vertebrados evolucionó desde uno de dos cavidades en los peces, a uno de tres en los anfibios y la mayoría de los reptiles, y a uno de cuatro en las aves y mamíferos de sangre caliente. La evolución de un transporte de oxígeno eficiente constituyó un apoyo para llevar estilos de vida activos y mantener altas tasas metabólicas y temperaturas corporales constantes.

El ciclo cardiaco consta de dos etapas: contracción auricular, seguida de contracción ventricular. El nodo sinoatrial, que es el marcapasos del corazón, inicia y coordina las contracciones. El sistema nervioso y hormonas como la epinefrina pueden modificar el ritmo cardiaco.

26.7 El sistema linfático

El sistema linfático elimina el exceso de líquido intersticial que se filtra por las paredes de los capilares sanguíneos. Transporta grasas al torrente sanguíneo desde el intestino delgado y combate infecciones. Consta de vasos linfáticos, tonsilas, ganglios linfáticos, timo y bazo. El timo, que es más activo en niños pequeños, produce linfocitos (glóbulos blancos) que ingieren los antígenos (invasores como virus y bacterias). El bazo filtra sangre haciéndola pasar por macrófagos y linfocitos, que eliminan bacterias y células sanguíneas dañadas.

Respiración y excreción

27.1 El intercambio de gases

El sistema respiratorio sustenta la respiración celular. Aire rico en O2 es inhalado y suministra oxígeno a la sangre, la cual lo lleva a células de todo el cuerpo. La sangre también recoge CO2, producto de la respiración celular, y lo transporta a los pulmones, de donde es liberado a la atmósfera. La transferencia de gases entre el sistema respiratorio y los tejidos se efectúa en una serie de etapas que alternan el flujo masivo con la difusión.

27.2 El sistema respiratorio humano

El sistema respiratorio humano consiste en una porción conductora y una de intercambio gaseoso. El aire ingresa por la porción conductora, que consiste en vías respiratorias (nariz y boca, faringe, laringe, tráquea, bronquios y bronquíolos), y llega a la porción de intercambio gaseoso, formada por alveolos pulmonares (bolsas microscópicas).

27.3 La excreción en los animales

El sencillo sistema excretor de una planaria consiste en una red de túbulos que se ramifican por todo el cuerpo y juntan desechos y agua en exceso para eliminarlos por poros excretores. Muchos de los invertebrados más complejos (como lombrices de tierra y moluscos) emplean nefridios para filtrar el líquido celómico; los desechos y el exceso de agua se expulsan por el poro excretor. Los vertebrados utilizan nefronas, unidades funcionales de los riñones, donde la sangre se filtra y se forma la orina,

27.4 El sistema urinario de los vertebrados

El sistema urinario consta de riñones, uréteres, vejiga y uretra. Los riñones producen orina, que los uréteres llevan a la vejiga, un órgano de almacenamiento. La distensión de la pared muscular de la vejiga activa la micción, durante la cual la orina sale del cuerpo a través de la uretra.

27.5 Funciones de los riñones humanos

Nutrición, digestión y control químico hormonal

28.1 Nutrimentos necesarios para los animales

Cada animal tiene requerimientos nutricionales específicos, los cuales incluyen moléculas que pueden desdoblarse para liberar energía (lípidos, carbohidratos), bloques químicos de construcción (proteínas), minerales y vitaminas que apoyan las diversas reacciones químicas del metabolismo.

Tabla 28.1 Principales fuentes de minerales y sus funciones en el ser humano

Mineral

Fuentes en la dieta

Principales funciones en el cuerpo

Síntomas de deficiencia

Calcio

Leche, queso, verduras, leguminosas

Formación de huesos y dientes; coagulación sanguínea; transmisión de impulsos nerviosos

Merma del crecimiento,; raquitismo; osteoporosis; convulsiones

Fósforo

Leche, queso, carne, aves, cereales

Formación de huesos y dientes; equilibrio ácido-base

Debilidad; desmineralización ósea; pérdida de calcio

Potasio

Carne, leche, frutas

Equilibrio ácido-base; equilibrio del agua corporal; función nerviosa

Debilidad muscular; parálisis

Cloro

Sal de mesa

Formación del jugo gástrico; equilibrio ácido-base

Calambres musculares; apatía; pérdida de apetito

Sodio

Sal de mesa

Equilibrio ácido-base; equilibrio del agua corporal; función nerviosa

Calambres musculares; apatía; pérdida de apetito; cantidades excesivas contribuyen a la hipertensión arterial

Magnesio

Cereales integrales, verduras de hojas

Activación de enzimas en la síntesis de proteínas

Falla de crecimiento; alteraciones de la conducta; debilidad, espasmos

Hierro

Huevos, carne, leguminosas, cereales integrales, verduras

Constituyente de hemoglobina y enzimas que participan en el metabolismo energético

Anemia por deficiencia de hierro (debilidad, menor resistencia a infecciones)

Flúor

Agua fluorizada, té, mariscos y pescados

Mantenimiento de los dientes y probablemente de la estructura ósea

Alta incidencia de caries dentales

Zínc

Ampliamente distribuido en alimentos, carne, lácteos, mariscos

Constituyente de enzimas que participan en la digestión

Falla de crecimiento; glándulas sexuales pequeñas

Yodo

Peces y moluscos marinos, lácteos, muchas, sal yodada

Constituyente de hormonas de la tiroides

Bocio (agrandamiento de la tiroides, externamente inflamación en elcuello)

28.2 La digestión

Los sistemas digestivos realizan cinco tareas: ingestión, desdoblamiento mecánico de los alimentos seguido de desdoblamiento químico, absorción y eliminación de desechos. Estos procesos convierten complejas moléculas de los cuerpos de otros animales y plantas que han sido ingeridos en moléculas más simples que pueden aprovecharse.

Tabla 28.2 Fuentes de vitaminas y funciones en el ser humano

Vitamina

(cantidad diaria recomendada)

Fuentes en la dieta

Funciones en el cuerpo

Síntomas de deficiencia

Hidrosolubles

Vitamina B1

(tiamina)

1,5 mg

Leche, carne, pan integral

Coenzima en reacciones metabólicas

Beriberi (debilidad muscular), cambios en nervios periféricos, edema, insuficiencia cardiaca

Vitamina B2

(riboflavina)

1,7 mg

Ampliamente distribuida en alimentos, hígado, lácteos, hortalizas, granos

Constituyente de coenzimas en el metabolismo energético

Labios enrojecidos, grietas en las comisuras de la boca, lesiones oculares

Niacina

20 mg

Hígado, carne magra, cereales, leguminosas

Constituyente de dos coenzimas (NAD+ y NADP+) del metabolismo energético

Pelagra (lesiones cutáneas y gastrointestinales; nerviosismo, desórdenes mentales)

Vitamina B6

(piridoxina)

2 mg

Carne, verduras, cereales integrales

Coenzima en el metabolismo de aminoácidos

Irritabilidad, convulsiones, tics musculares, dermatitis, cálculos renales

Ácido pantoténico

10 mg

Leche, carne, leguminosas

Constituyente de la coenzima A, participa en el metabolismo energético

Fatiga, perturbaciones del sueño, merma de coordinación

Ácido fólico

0,4 mg

Leguminosas, verduras, trigo integral, naranja

Coenzima del metabolismo de ácidos nucleicos y aminoácidos

Anemia, perturbaciones gastrointestinales, diarrea, retardo del crecimiento, defectos congénitos

Vitamina B12

(cobalamina)

6 microgramos

(0,0006 mg)

Carne, huevo, lácteos, pescado

Coenzima en el metabolismo de ácidos nucleicos

Anemia perniciosa, desórdenes neurológicos

Biotina

0,3 mg

Leguminosas, verduras, carne, huevo

Coenzimas requeridas para la síntesis de grasas; metabolismo de aminoácidos y formación de glucógeno

Fatiga, depresión, náuseas, dermatitis, dolor muscular

Colina

(no determinada)

Yema de huevo, hígado, cereales, leguminosas

Constituyente de fosfolípidos; precursor del neurotransmisor acetilcolina

No se han informado en el ser humano

Vitamina C

(ácido ascórbico)

60 mg

Cítricos, tomates, pimientos, chiles verdes, fresas, col

Mantenimiento de cartílagos, huesos y dentina (tejido duro de los dientes); síntesis de colágeno

Escorbuto (degeneración de la piel, dientes, vasos sanguíneos; hemorragias epiteliales)

Liposolubles

Vitamina A

(retinol)

5 000 UI

Beta caroteno en verduras verdes, amarillas y rojas; retinol añadido a lácteos; hígado

Constituyente del pigmento visual; mantenimiento de tejidos epiteliales; esencial para el crecimiento

Ceguera nocturna, ceguera permanente, sequedad en la piel

Vitamina D

(calciferol)

400 UI

Aceite de hígado de bacalao; huevo, lacteos

Promueve el crecimiento y mineralización de los huesos; aumenta la absorción de calcio y fósforo

Raquitismo (deformaciones óseas) en niños; deterioro esquelético

Vitamina E

(tocoferol)

30 UI

Semillas, verduras de hoja verde, margarinas, aceites vegetales

Antioxidante, evita daños celulares

Posiblemente anemia

Vitamina K

Alrededor de 1 mg

Verduras de hojas verdes, leguminosas; producto de bacterias intestinales

Importante en la coagulación de la sangre

Sangrado, hemorragias internas

28.3 Digestión en los mamíferos

En el ser humano, el sistema digestivo consta de dos partes: tubo digestivo (boca, faringe, esófago, estómago, intestinos delgado y grueso) y glándulas anexas (glándulas salivales, hígado, páncreas).

Tabla 28.3 Estructuras y secreciones digestivas

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Tabla 28.4 Algunas hormonas digestivas importantes

Hormona

Sitio de producción

Estímulo para la producción

Efecto

Gastrina

Estómago

Alimento en la boca

Péptidos en el estómago

Estimula la secreción ácida por las células estomacales

Distensión del estómago

Secretina

Intestino delgado

Ácido en el intestino delgado

Estimula la producción de bicarbonato por el páncreas y el hígado; aumenta la producción hepática de bilis

Colesticocinina

Intestino delgado

Aminoácidos, ácidos grasos en el intestino delgado

Estimula la secreción de enzimas pancreáticas y liberación de bilis de la vesícula

Péptido inhibidor gástrico

Intestino delgado

Ácidos grasos y azúcares en el intestino delgado

Inhibe los movimientos estomacales y la liberación de ácido gástrico

28.4 Las hormonas animales

Una hormona es una sustancia secretada por las glándulas endocrinas (cúmulos de células embebidas en una red de capilares) y que es transportada en el torrente sanguíneo a una parte del cuerpo donde afecta la actividad de células blanco específicas.

La acción hormonal generalmente se regula por retroalimentación negativa: la hormona causa cambios que inhiben la secreción ulterior de esa hormona. Las hormonas actúan sobre sus células blanco de dos maneras.

28.5 El sistema endocrino de los mamíferos

Tabla 28.5 Glándulas endocrinas y hormonas de los mamíferos

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Acción y sostén: Los músculos y el esqueleto

29.1 Funcionamiento de los músculos

Los músculos de los vertebrados sólo pueden contraerse activamente. Las fibras de los músculos esqueléticos (células musculares) consisten en subunidades (miofíbrillas) rodeadas por el retículo sarcoplásmico.

29.2 Organización del sistema muscular

El conjunto de músculos del cuerpo humano suman alrededor de 500 y constituyen el sistema muscular. Las propiedades de los músculos son: excitabilidad, elasticidad, contractibilidad, y tonicidad.

Tabla 29.1 Ubicación, características y funciones de los tres tipos de músculos

Propiedad

Músculo liso

Músculo cardiaco

Músculo esquelético

Apariencia

Sin estrías

Estrías regulares

Estrías regulares

Forma de las células

Ahusadas

Ramificadas

Ahusadas o cilíndricas

Número de núcleos

Uno por célula

Muchos por célula

Muchos por célula

Velocidad de contracción

Lenta

Intermedia

Lenta a rápida

Causa de la contracción

Espontánea, por estiramiento, sistema nervioso, hormonas

Espontánea

Sistema nervioso

Función

Controla el movimiento de sustancias por órganos huecos

Bombea sangre

Mueve el esqueleto

Control voluntario

Normalmente no

Normalmente no

No

Los principales músculos en el cuerpo humano se encuentran organizados en la cabeza (frontal, nasales, buccionadores, risorios, orbiculares la párpados y labios, maseteros), en el tronco (pectorales, intercostales, trapecios, dorsales, diafragma, abdominales), en extremidades superiores (deltoides, bíceps, triceps, flexores y extensores de dedos), y en extremidades inferiores (glúteos, cuadriceps, bíceps femoral, gastrocnemio, gemelos)

29.2 El esqueleto

Los animales presentan tres tipos de esqueletos: (1) los esqueletos hidrostáticos (en los cnidarios, moluscos y gusanos) consisten en un líquido confinado en una cámara y rodeado por músculo; (2) los exoesqueletos (presentes en los artrópodos) son cubiertas externas con articulaciones flexibles; (3) los endoesqueletos, que incluyen el esqueleto óseo de vertebrados, están presentes en los equinodermos y en los cordados.