Energía, Medio Ambiente, Microbiología e Inmunidad

Un campo de trigo intercepta la luz solar, fija carbono, alimenta una cadena alimentaria y pierde energía en cada paso. Esta unidad sigue la energía desde el fotón hasta el ecosistema, luego se enfoca en los participantes más pequeños: los microbios que reciclan, los patógenos que toman y el sistema inmune que defiende. WBI14 es también el examen con mayor carga de cálculo después de la Unidad 1: espere NPP, constantes de crecimiento, índices de diversidad y aritmética de hora de muerte.

WBI14 Energía, Medio Ambiente, Microbiología e Inmunidad es la primera unidad IA2: 1 hora 30 minutos, 90 puntos, todo obligatorio. Evalúa el Tema 5 (Flujo de Energía, Ecosistemas y Medio Ambiente) y el Tema 6 (Microbiología, Inmunidad y Ciencias Forenses).

La reacción global: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, impulsada por energía luminosa. En las membranas tilacoidales, las reacciones dependientes de la luz fotolizan el agua (liberando O₂ y H⁺), fotofosforilan el ADP y reducen el NADP. En el estroma, las reacciones independientes de la luz (ciclo de Calvin) fijan el dióxido de carbono sobre la ribulosa bifosfato con rubisco, reducen los productos usando el ATP y el NADP reducido de la etapa uno, y producen GALP — parte para glucosa, la mayoría para regenerar RuBP.

Estructura se ajusta a función: tilacoides apilados para absorber superficie; estroma cargado de enzimas para el ciclo.

Pigmentos y espectros

La clorofila a y b absorben luz roja y azul; los carotenoides amplían el rango y protegen. El espectro de absorción muestra qué absorbe cada pigmento; el espectro de acción muestra qué tasa de fotosíntesis impulsa cada longitud de onda — su coincidencia es evidencia de que estos pigmentos realizan el trabajo. La cromatografía separa los pigmentos según su solubilidad; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

Factores limitantes: intensidad de luz, concentración de CO₂, temperatura. Un invernadero eleva el más débil de los tres — y las respuestas de examen deben indicar cuál y por qué.

La productividad primaria bruta (PPB) es la energía fijada por fotosíntesis por área por tiempo (kJ m⁻² yr⁻¹). Las plantas gastan gran parte en su propia respiración; lo restante es la productividad primaria neta:

Solo alrededor de 10 % de la energía en cada nivel trófico pasa hacia arriba — perdido a la respiración como calor, egestión, excreción y partes nunca consumidas. Por eso las cadenas raramente superan cuatro o cinco niveles y por qué los depredadores superiores son escasos.

Verificación worked. Un pradera fija 45 000 kJ m⁻² yr⁻¹ y respiradores 19 000. PPN $= 26\,000$ kJ m⁻² yr⁻¹. El ganado que come esa hierba retiene aproximadamente 10 %: 2 600 kJ m⁻² yr⁻¹. Los humanos que comen el ganado retienen 260 — la aritmética energética detrás de "comer más bajo en la cadena alimenta a más personas".

Cuatro definiciones precisas: hábitat (dónde), población (individuos de una especie), comunidad (todas las poblaciones), ecosistema (comunidad + entorno). Los factores abióticos (luz, agua, temperatura, pH) y bióticos (competencia, depredación, enfermedad) determinan quién vive dónde y con qué abundancia; en conjunto, definen la niche ecológica.

Ciclo depredador-presa con retraso: los liebres aumentan, los linces siguen, los liebres disminuyen, los linces mueren de hambre — un desfase de aproximadamente un cuarto de ciclo.

La sucesión comienza cuando las especies pioneras colonizan terreno descubierto; cada etapa modifica el suelo y el microclima, permitiendo la siguiente, hasta que la comunidad clímax se estabiliza. Medir la abundancia utiliza cuadrantes y transectos (muestreo aleatorio para estimaciones, sistemático a lo largo de un gradiente) y captura-marca-recaptura para animales ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

La evidencia proviene de registros directos de temperatura, núcleos de hielo (aire atrapado que da CO₂ antiguo), anillos de crecimiento (dendrocronología) y capas de polen en turberas. El efecto invernadero ampliado: la radiación de onda larga saliente es absorbida por CO₂, metano y óxido nitroso, y reemitida hacia abajo. Los gases difieren: el metano es potente pero de vida corta; el CO₂ dura siglos; el óxido nitroso combina ambas características, por lo que la política evalúa el potencial de calentamiento global frente a la vida útil.

Extrapolar una tendencia más allá de sus datos es un juicio, no un hecho: indique la suposición (la tendencia continúa) y su debilidad. Efectos ya examinados: cambios en precipitaciones y rangos de especies, y — cerca de este curso — el efecto de la temperatura sobre las tasas enzimáticas en organismos ectotermos y ecosistemas completos.

Comprobación resuelta. El potencial de calentamiento del metano es aproximadamente 28× el del CO₂ por kg, pero dura ~12 años frente a siglos. Una fuga de una tonelada de metano importa 28× más que una de CO₂ esta década, pero disminuye mientras el CO₂ persiste — la aritmética del "potencial de calentamiento vs carga acumulada".

La evolución es un cambio en la frecuencia alélica. Requiere variación (mutación, meiosis) y un filtro: la selección direccional desplaza la media cuando el ambiente cambia; la selección estabilizadora recorta los extremos en uno estable. La deriva cambia frecuencias por azar en poblaciones pequeñas; el flujo génico (migración) las mezcla nuevamente.

La especiación requiere aislamiento: alopátrico (una barrera física — alopátrico = tierra diferente) o simpátrico (aislamiento reproductivo en el mismo lugar — conductual, temporal o genético). Las poblaciones aisladas divergen hasta que ya no pueden cruzarse.

La técnica aséptica protege al operador y al cultivo: incinere la asa al rojo vivo, flamee los cuellos de los frascos, levante las tapas brevemente, selle las placas con cinta, e incube a 25 °C (nunca a temperatura corporal, para evitar que patógenos humanos se multipliquen). Mida el crecimiento mediante conteo celular directo (hemocitómetro), turbidez en caldo, o conteos viables por dilución en placa (colonias contadas × factor de dilución).

La curva de crecimiento: latencia (síntesis de enzimas), logarítmica (duplicación exponencial), estacionaria (muertes = divisiones), decrecimiento. La constante exponencial:

Comprobación resuelta. De $2\times10^4$ a $1.6\times10^7$ células en 5 horas: diferencia logarítmica $= 2.903$; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ generaciones por hora — un tiempo de duplicación de aproximadamente 31 minutos.

Bacterias: pared celular, plásmidos, ribosomas, ADN circular, algunas con cápsula y flagelo. Virus: ácido nucleico (ADN o ARN) en una cápside, algunos con envoltura — sin orgánulos, sin metabolismo propio; secuestran células huésped. Mycobacterium tuberculosis infecta pulmones, sobreviviendo dentro de macrófagos; VIH destruye linfocitos T auxiliares, colapsando el sistema inmune y reactivando la TB — la enfermedad definitoria clásica del SIDA.

Las barreras llegan primero: piel, mucosidad y cilios, ácido estomacal, lisozima en lágrimas y la cascada de coagulación sellando heridas.

No específica: inflamación (vasodilatación y fuga de líquido que trae fagocitos), fagocitosis, interferón. Específica: las antígenos la desencadenan:

• Humoral: Las células efectoras B → células plasmáticas → anticuerpos; las células B de memoria permanecen para una respuesta secundaria más rápida y fuerte.
• Celular: Las células T cooperadoras coordinan, las células T citotóxicas destruyen células infectadas, las células T de memoria persisten.

Un anticuerpo está formado por cuatro cadenas polipeptídicas (dos pesadas, dos ligeras) con una región variable que forma un sitio de unión específico — la forma que encaja con un antígeno. La inmunidad se divide en dos formas: activa (tus propios anticuerpos — infección natural o vacunación) vs pasiva (anticuerpos administrados — madre a bebé, suero); natural vs artificial en cada caso. La vacunación funciona también a escala poblacional (inmunidad de rebaño), pero los patógenos evolucionan contra ella: la carrera evolutiva.

Ejercicio resuelto. Una segunda dosis de vacuna produce niveles de anticuerpos diez veces superiores a los de la primera y en días en lugar de semanas: la selección clonal encuentra las células B de memoria, que se dividen rápidamente en células plasmáticas — la respuesta secundaria que construyó la primaria.

Los antibióticos bacteriostáticos detienen el crecimiento bacteriano; los bactericidas las matan. La resistencia surge por mutación y se propaga por selección siempre que la exposición mate a los susceptibles y reserve a los resistentes — completar un curso y evitar el uso innecesario ambos lo retrasan. Las infecciones adquiridas en el hospital prosperan donde pacientes vulnerables, dispositivos invasivos y cepas resistentes coinciden; la higiene de manos, procedimientos estériles y el aislamiento de portadores rompen la cadena.

Los descomponedores reciclan carbono y nitrógeno — el sistema de gestión de residuos del ecosistema. La reacción en cadena de la polimerasa cicla desnaturización (95 °C), hibridación de cebadores (50–60 °C) y extensión (72 °C), duplicando el ADN diana cada ciclo: $n$ ciclos producen $2^n$ copias. La electroforesis en gel arrastra fragmentos de ADN cargados negativamente a través del gel — los fragmentos cortos recorren mayor distancia. El perfil de posiciones de bandas identifica individuos (suficientes loci difieren entre personas no emparentadas) y mide parentesco (bandas compartidas).

La hora de la muerte se acota mediante cuatro relojes: temperatura corporal (desciende ~1 °C por hora, modificada por tamaño, vestimenta, aire), rigor mortis (se instaura y luego pasa), grado de descomposición y sucesión insectil sobre el cuerpo — la llegada de cada etapa marca temporalmente el intervalo.

Ejercicio resuelto. Un cuerpo encontrado con temperatura central de 22 °C en una habitación de 15 °C: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ horas — pero exponga las suposiciones (aire calmado, complexión media) antes de confiar en el cálculo.

1. Nombre los productos de las reacciones dependientes de la luz utilizados por el ciclo de Calvin.
2. Un cultivo fija 60 000 kJ m⁻² yr⁻¹ y los respiradores 20 000. Calcule el PNA y la energía que llega al tercer nivel trófico con una transferencia del 10 % en cada paso.
3. Explique por qué el espectro de acción es evidencia de que la clorofila lleva a cabo la fotosíntesis.
4. Distinga la selección direccional y la estabilizadora con un ejemplo de cada una.
5. Dé dos razones por las que una cadena alimentaria rara vez supera cinco niveles tróficos.
6. Un cultivo crece de $5\times10^3$ a $4\times10^6$ en 6 horas. Calcule k y el tiempo de duplicación.
7. Explique por qué una segunda dosis de vacuna eleva el título de anticuerpos mucho más rápido que la primera.
8. Enuncie la diferencia entre bacteriostático y bactericida, y por qué esta distinción importa para un paciente con sistema inmune débil.
9. Tres ciclos de PCR a partir de una plantilla de doble hebra: ¿cuántas copias hay?
10. La temperatura central de un cuerpo es de 30 °C. Estime el tiempo transcurrido desde la muerte bajo supuestos estándar y nombre un factor que extendería el intervalo real.

Respuestas: 1 ATP y NADP reducido; 2 PPN $= 40\,000$; tercer nivel $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % de 4 000); 3 las longitudes de onda que absorbe mejor la clorofila son las que impulsan mejor la fotosíntesis; 4 direccional — resistencia a antibióticos desplazando la media; estabilizadora — pesos al nacer humanos; 5 energía perdida en cada paso por respiración/calor/excreción, por lo que queda poco; los productores también pierden energía por respiración antes de la primera transferencia; 6 diferencia logarítmica 2.903, $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ h⁻¹, duplicación ≈ 37 min; 7 células B de memoria persisten; el segundo encuentro selecciona clones que se dividen rápidamente en células plasmáticas — la respuesta secundaria; 8 bacteriostático detiene el crecimiento (el sistema inmune debe eliminarlo), bactericida mata directamente — un sistema inmune débil necesita apoyo bactericida; 9 $2^3 = 8$ copias; 10 $(37-30)/1 = 7$ horas; ropa pesada o una habitación cálida retrasan la enfriamiento, por lo que el tiempo real es más largo.