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www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 1/25 TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de Enseñanza Secundaria) ------------------------------------------------------------------------------- TEMA 70 LA TIERRA UN PLANETA EN CONTINUO CAMBIO. LOS FÓSILES CO- MO INDICADORES. EL TIEMPO GEOLÓGICO. EXPLICACIONES HISTÓRI- CAS AL PROBLEMA DE LOS CAMBIOS. LA EVOLUCIÓN, MECANISMOS Y PRUEBAS. Esquema 1. Introducción. 2. La Dinámica Terrestre. 2.1. Capas de la corteza terrestre y sus movimientos. 3. Los fósiles como indicadores. 3.1. Fosilización. 3.2. Utilidad de los fósiles en Geología. 3.3. Los fósiles característicos. 3.4. Los microfósiles. 4. El tiempo geológico. 4.1. Determinación radiométrica de la edad. 4.2. Otros métodos de geocronología. 4.3. La tabla del tiempo geológico. 5. Explicaciones históricas al problema de los cambios. 5.1. La Biología 5.2. La Geología. 6. La Evolución: mecanismos y pruebas. 6.1. Historia de la Teoría de la Evolución. 6.2. Pruebas de la evolución. 6.2.1. Paleontológicas. 6.2.2. Morfológicas. 6.2.3. Biogeográficas. 6.2.4. Inmunológicas. 6.2.5. Bioquímicas. 6.3. Teorías clásicas de la Evolución. 6.3.1. El Lamarckismo. 6.3.2. El Darwinismo. 6.4. Teoría moderna: Sintetismo. 6.5. Mecanismos de la Evolución. 6.5.1. Equilibrio de poblaciones. 6.5.2. Mutaciones. 6.5.3. Migraciones. 6.5.4. Deriva genética 6.5.5. Reproducción diferencial. 6.5.6. Selección. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 2/25 TEMA 70 LA TIERRA UN PLANETA EN CONTINUO CAMBIO. LOS FÓSILES CO- MO INDICADORES. EL TIEMPO GEOLÓGICO. EXPLICACIONES HISTÓRI- CAS AL PROBLEMA DE LOS CAMBIOS. LA EVOLUCIÓN, MECANISMOS Y PRUEBAS. 1. INTRODUCCIÓN Uno de los tópicos geológicos modernos es describir a la Tierra como un Planeta viviente. Este tópico tiene dos orígenes: el primero es la observación de planetas del Sistema Solar que no manifiestan ninguna actividad geológica apreciable, y el segundo es la posibilidad de estudiar y comprender la Tierra como un conjunto único. Por ello, los planetas son comparados a motores sujetos a las leyes termodinámicas, cuyo com- bustible puede agotarse y, por lo tanto, detendrán su dinamismo. En este tema revisaremos la dinámica global de la Tierra y las señales que han permitido y permiten encajar los diversos procesos dinámicos. Examinaremos las gran- des teorías explicativas de los cambios observados tanto en el mundo geológico como en el biológico, toda vez que la biosfera (conjunto de seres vivos de nuestro planeta) es una capa más del globo terrestre. 2. LA DINÁMICA TERRESTRE La Tierra se encuentra en un proceso continuo de transformación, que, iniciado hace varios miles de millones de años (1 eón=mil millones de años=109 años) no parece tener un final previsible próximo. El proceso de transformación de la corteza del planeta se debe a la acción de las fuerzas que actúan sobre ella, tanto de origen interno como externo. Las fuerzas internas tienen su origen en la fuente de energía propia de la Tierra, que es un resto de la acumulada durante su fase de desarrollo estelar, antes de constituir- se como planeta independiente. Estas fuerzas internas, generadoras de la Dinámica In- terna, transforman la corteza terrestre, produciendo reacciones químicas y mecánicas (elevaciones y hundimientos) y dando lugar a las cadenas montañosas, a los volcanes y los terremotos. Las fuerzas externas actúan desde el exterior de la corteza y proceden fundamen- talmente de los cambios debidos a la radiación solar, dando origen a procesos de erosión y transporte de materiales, producidos por el viento, la lluvia y la nieve, los torrentes y los ríos, los glaciares y el mar. Estos factores externos tienden a uniformizar las irregu- laridades de la corteza producidas por las fueras internas y a recuperar el equilibrio. Como las fuerzas antagónicas, tanto internas como externas, se mantienen activas, no se llega a establecer un equilibrio estático definitivo y se produce una serie de ciclos geológicos que producen una serie de fenómenos de construcción, destrucción y poste- rior reconstrucción de los materiales de la litosfera. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 3/25 2.1. Capas de la corteza terrestre y sus movimientos. El estudio de estos fenómenos requiere una observación de la corteza terrestre por métodos muy diversos. La prospección del suelo y subsuelo emplea métodos gravimé- tricos, sísmicos, magnetométricos o eléctricos que proporciona datos de gran interés permitiendo investigar la naturaleza del subsuelo y sus estructuras geológicas. Como si de un ser vivo se tratara, la Tierra es auscultada cada vez más con técni- cas de alto poder de penetración, equivalentes. a los modernos scanners de la Medicina. Las primeras técnicas consistieron en el aprovechamiento de las vibraciones naturales (terremotos), para posteriormente producirlas de forma artificial mediante explosiones subterráneas. Estas vibraciones son estudiadas en superficie (igual que un estetoscopio médico) por sismógrafos digitales de gran precisión. Este método de las ondas sísmicas permite diferenciar tres grandes capas más o menos concéntricas en el interior de la Tie- rra: corteza, manto y núcleo, definidas por las discontinuidades sísmicas de Mohorovi- cic y Gutenberg. Corteza, manto y núcleo son, pues las tres capas principales de las que está cons- tituido nuestro planeta. La corteza, con un espesor medio de unos 33 Km constituye únicamente el 1’6% del volumen total del planeta, mientras que el manto forma el 82% del volumen total y el núcleo, el 16’4%. Un análisis más fino de las velocidades de propagación de las ondas sísmicas en zonas continentales demostró la existencia en el manto de una zona de baja velocidad de propagación de estas ondas (100-300 km de profundidad) debido a la fusión parcial de los materiales del manto a estas profundidades y que permite describir una estructura en dos capas, según un criterio de rigidez: La Litosfera, en la que se agruparía la corteza y la primera porción del manto superior más rígida y la Astenosfera, que comprendería la porción del manto superior conocida como canal de baja velocidad, parcialmente fund i- da. El resto del manto pasa a ser llamada Mesosfera y el núcleo se denomina como En- dosfera. La Litosfera es un nivel de gran rigidez, aunque su porción más profunda es dúctil explicándose así el despegue de la parte superior que ocasiona, por ejemplo, los cabal- gamientos de unos materiales sobre otros. Existen diferencias importantes en la estruc- tura de la corteza continental y de la corteza oceánica donde los materiales siálicos tie- nen escaso espesor e incluso pueden faltar por completo. La corteza se encuentra en equilibrio isostático entre las masas menos densas y el manto, pero este equilibrio tiende a romperse frecuentemente por los agentes de la dinámica externa que provocan la ero- sión continental y la deposición de sedimentos en las cuencas marinas y oceánicas. El desequilibrio se compensa con movimientos verticales de las masas continentales y fon- dos oceánicos (cuando una zona continental sufre erosión fuerte, se producen elevacio- nes que compensan el déficit de masa y los fondos marinos con gran cantidad de sedi- mentos, sufre hundimiento para compensar el mayor peso de los materiales). Estas compensaciones isostáticas producen ascensos y descensos en vertical, llamados movi- mientos epirogénicos, extremadamente lentos pero de gran importancia. Estos movimientos epirogénicos son los responsables de las elevaciones y hund i- mientos de ciertas zonas del planeta y están perfectamente comprobadas. Así, sufren hundimiento progresivo las costas gallegas (el mar invade los valles y forma las rías), la www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García,1999 Temario Específico – Tema 70 4/25 costa de Bretaña y el litoral de Flandes, y sufre un proceso de emersión la costa cantá- brica (al hundirse la fosa del mar Cantábrico), las costas escandinavas y los arrecifes de coral de las costas del Pacífico. Al observar la estructura de un macizo montañoso con materiales sedimentarios plegados y dislocados, se llega a la conclusión que no han intervenido sólo movimientos verticales de levantamiento en bloque (epirogénicos) sino fuerzas tangenciales que al superar los límites de elasticidad producen fracturas y dislocaciones de envergadura. Por ello, la corteza ha tenido que sufrir otra clase de movimientos más complejos que pro- duzcan estas estructuras complicadas. Los procesos internos que originan estas estructu- ras se llaman movimientos orogénicos que producen plegamientos y fracturas por ten- siones tangenciales y tienen su origen fundamentalmente en los movimientos del manto. La Astenosfera, Mesosfera y Núcleo externo, son estructuras de material fluido y están animadas de movimientos convectivos, como lo ha demostrado la tomografia computerizada. Esta convección se explica por el enfriamiento que se produce bajo la litosfera rígida y el calentamiento producido por el contacto con el núcleo. El foco calo- rífico capaz de movilizar el manto en convección está pues en el núcleo terrestre y en los focos radiactivos profundos. En la teoría de tectónica de placas, el problema más difícil es determinar la causa última del movimiento de la corteza, el motor capaz de movilizar una placas corticales considerando las enormes masas puestas en juego. Esta energía debe proceder de la elevada temperatura que existe en el interior de la Tierra, que a cierta profundidad es suficiente para disminuir la viscosidad, e incluso fundir, las rocas y provocar las corrientes de convección ya mencionadas. Las corrientes de convección forma- das en el manto dan lugar a unas celdas de convección, indicadas en la fig.1, de forma que el material caliente más fluido o par- cialmente fundido ascendería en las zonas de dorsal oceánica desplazándose lateral- mente por la base de la placa basáltica y que adquiere rigidez al enfriarse, para su- mergirse de nuevo en el manto, en las zo- FIG. 1 nas de subducción. Las corrientes descendentes provocarían una especie de succión que sería la causa principal de la subsidencia de los geosinclinales, lo que daría lugar a una raíz o “inyección” de materiales corticales en el manto que provoca un desequilibrio gravitatorio, comprobado por las anomalías gravimétricas negativas detectadas. Las celdas de convección que se forman en el manto no han debido permanecer estabilizadas durante las épocas geológicas, sino que posiblemente se habrán modifica- do a medida que se alteraba la distribución de áreas continentales y oceánicas. Teórica- mente, las corrientes de convección se iniciaron por cuatro celdas en todo el planeta que se han ido fraccionando en otras menores hasta formar el complicado sistema de celdas de convección capaz de acomodarse a la distribución actual de placas corticales. Dos teorías se han propuesto para explicar esta convección del manto: - Existencia de un solo nivel convectivo. - Existencia de dos niveles convectivos. La primera de ellas hubiese supuesto un mayor enfriamiento y desgasificación de nuestro planeta mientras que la segunda conservaría bastante el calor del segundo nivel www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 5/25 convectivo pues el primero actuaría como aislante y no explica la formación de pena- chos calientes que ascienden desde el borde del núcleo. Surge, por ello una teoría sinté- tica (finales de los 80) basada en las siguiente premisas: - El motor de la convección es el enfriamiento superior que se produce por la sub- ducción de la litosfera. - Se establecen dos niveles convectivos. - Existe un flujo convectivo adicional que atraviesa ambos niveles (penachos térmi- cos o plumas) que partiendo del manto profundo aflora en superficie (volcanes intraplaca) en los llamados puntos calientes. La evolución básica de la corteza litosférica se comprende a partir del esquema propuesto por Wilson que sigue las siguientes etapas: - Fragmentación de una placa continental, con formación de una dorsal a partir de la cual va creciendo una placa oceánica (ejemplo, un océano tipo atlántico), lo que implica la separación de los dos fragmentos continentales. - Formación de zonas de subducción, en el contacto de dos placas. Los fragmentos de placas crecen por acreción de litosfera oceánica en las dorsales. - Separación de los dos fragmentos corticales oceánicos y aproximación de los dos fragmentos continentales. - Colisión de ambos fragmentos formando una sutura, lo que se comprueba por la presencia de rocas llamadas ofiolitas. Los fenómenos descritos de la dinámica terrestre son las manifestaciones eviden- tes de que el planeta Tierra es un planeta vivo, es un estadio determinado de su evolu- ción geológica, funcionando termodinámicamente como un motor alimentado por el combustible de la energía solar y de su propia energía interna (residuo de la energía estelar en su origen) y una prueba palpable de esta evolución la tenemos en los fósiles encontrados en los diversos niveles estratigráficos, lo que permite comprobar las dis- tintas fases de la evolución (relacionando evolución geológica con biológica) y nos ayu- da a estableces la cronología en los acontecimientos geológicos del planeta. Estas dos cuestiones (fósiles y cronología) han sido objeto de mucho interés y profundos estudios, pues son la base de la teoría de la evolución, en su aspecto global: estelar, geológica, biológica y humana. 3. LOS FÓSILES COMO INDICADORES La Tierra tiene un pasado, una historia, en la que han sucedido los acontecimien- tos que han dado lugar al estado actual del planeta. El principio básico para interpretar estos acontecimientos es el actualismo, que admite que los procesos geológicos han ocurrido siempre en la misma forma que ocurren en la actualidad. Cuando encontramos conchas fosilizadas en un estrato de la corteza continental establecemos que este estrato se formó en el mar y si encontramos restos fosilizados de vegetales terrestres o de mamíferos continentales, establecemos que dicho estrato se formó como consecuencia de sedimentación fluvial. El estudio de los fósiles es funda- mental para establecer la evolución y la dinámica de la corteza terrestre. Los fósiles son los restos de los seres vivos, que acumulados en las cuencas sedi- mentarias, van siendo progresivamente cubiertos y enterrados por sedimentos. La mate- www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 6/25 ria orgánica es sustituida, en este ambiente, por sales minerales y quedan finalmente asociados a rocas sedimentarias. A este proceso lo llamamos fosilización. La ciencia que estudia los fósiles desde todos los puntos de vista, es la Paleontología. 3.1. Fosilización. El proceso de fosilización consiste en la sustitución de la materia orgánica por compuestos minerales, conservando los caracteres anatómicos o morfológicos propios, lo que permite su estudio posterior. La fosilización implica una mineralización con au- mento de densidad y la incorporación de elementos químicos nuevos que no existían en el ser vivo del que procede. Sólo se conservan las partes duras (calcáreas, silíceas, quiti- nosas, óseas o lignificadas) que en parte, ya estaban mineralizadas, pues las partes blan- das se descomponen rápidamente. Sin embargo, en las rocas de grano fino es posible que queden grabadas las impresiones de los órganos blandos, como así ha ocurrido con gusanos, calamares, medusas, etc. Un caso excepcional es la conservación del ser vivo entero (mosquitos en ámbar, mamuts congelados, rinocerontes en pozos de asfalto, etc.). También las señales de lasactividades de los seres vivos se consideran como fó- siles (crucianas o huellas de reptación, coprolitos o excrementos fosilizados, etc.). Sin embargo, determinadas mineralizaciones (pirolusita, MnO2) pueden producir aspectos parecidos a fósiles (pseudofósiles). El proceso de fosilización se desarrolla en un tiempo considerable y siempre que los restos orgánicos se hayan incorporado a los materiales que se acumulan en un área de sedimentación, de lo contrario quedarían completamente destruidos. El proceso de- pende de las condiciones físico-químicas del medio, así, los compuestos que más fr e- cuentemente reemplazan a la materia orgánica son el carbonato de calcio y la sílice, aunque en otros casos puede ser el sulfuro de hierro o algún carbonato metálico. La fo- silización de los vegetales se realiza normalmente en carbono o en sílice. 3.2. Utilidad de los fósiles en Geología. El hecho de que los seres extinguidos fuesen diferentes en los sucesivos periodos de la historia de la Tierra ofrecía una base única para establecer una cronología relativa de los acontecimientos geológicos. Cuando los fósiles no han sufrido transportes im- portantes desde su muerte, constituían indicadores ambientales de gran valor que contri- buían a establecer las características del ambiente en que se originó el sedimento que los contiene. Se comprobó que la distribución geográfica de los diferentes grupos taxonó- micos no sigue el simple azar, sino que para un mismo momento histórico, ciertos gru- pos de fósiles ocupan áreas definidas más o menos relacionadas. La explicación de las discontinuidades en la distribución de fósiles idénticos o afines confirmó las hipótesis de los puentes intercontinentales y fue uno de los apoyos más claros con los que contó la teoría de la deriva continental y posteriormente la del desplazamiento de las placas. Actualmente los fósiles son estudiados tanto por la Biología como por la Geología de manera coordinada, de manera que, dentro de la Paleontología, han surgido una serie de ramas, cada una de ellas con una aplicación concreta: a) La Paleontología sistemática intenta establecer una ordenación natural de los fósiles, considerándolos como seres vivos y clasificándolos dentro de las diferentes ca- www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 7/25 tegorías taxonómicas de plantas o animales actuales o creando nuevas categorías para los extinguidos. b) La Paleobiología que estudia la morfología y fisiología de los animales del pa- sado dentro de sus hábitats. c) La Paleontología evolutiva, que intenta establecer relaciones filogenéticas entre los organismos fósiles y entre éstos y los actuales organismos vivos, suministrando pruebas a la Teoría de la Evolución. d) La Paleoestratigrafía, estudia la secuencia en que han aparecido y se han ex- tinguido los diferentes grupos de seres fosilizados, lo que permite realizar una cronolo- gía relativa entre ellos. e) La Paleobiogeografía, estudia la dispersión y distribución de los fósiles en el espacio e investiga las razones de ello. Los fósiles, según el principio del Actualismo, indican el ambiente en el que vi- vieron y en el que se originó la roca sedimentaria que los contiene. Esto permite re- construir la geografía, la climatología y la cronología de las épocas pretéritas corres- pondientes. 3.3. Los fósiles característicos. Desde que los fósiles empezaron a estudiarse con criterios científicos, se vio que los contenidos de un determinado estrato o conjunto de ellos, eran distintos de los que aparecían en otros estratos inferiores o superiores, sin que se repitiesen nunca en estra- tos de diferente edad. Los fósiles resultaron de extraordinaria utilidad para determinar la edad geológica de los estratos, siempre que se hubiese establecido un orden de sucesión. Surge entonces el concepto de fósil característico o fósil guía que es el que sirve para caracterizar una determinada época de la historia geológica, porque sólo aparece en es- tratos formados en esa época. La razón estriba en que los seres vivos evolucionan por procesos irreversibles dando lugar a series evolutivas (filogenéticas) en las que los seres varían sus caracteres con el tiempo. En estratos sucesivos, aparecerán fósiles distintos, que no se repetirán nunca, porque la evolución no se repite, porque no retrocede. Un fósil característico o indicador debe cumplir varias condiciones: a) una evolución rápida para que varíen mucho en poco tiempo y se encuentren en un pequeño número de estratos sedimentarios y b) amplia distribución en el espacio para que se encuentren en yacimientos distan- ciados y puedan ser útiles para caracterizar niveles estratigráficos en ámbitos de la ma- yor escala posible (regional, continental, etc.) c) deben tratarse de grupos biológicos muy difundidos y abundantes para que sus fósiles se encuentren realmente en la mayoría de los yacimientos, pues no son útiles seres vivos que fosilicen con dificultad. Son importantes en Estratigrafía los Moluscos, Braquiópodos, Trilobites, Equínidos y Foraminíferos. Según la categoría taxonómica elegida (clase, orden, género, especie) varia la am- plitud de la época geológica que determinan. Por ejemplo, los dinosaurios son típicos de la Era Secundaria y una especie de Trilobites caracteriza un lapso pequeño de tiempo. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 8/25 3.4. Los microfósiles. En las rocas aparentemente estériles pueden encontrarse microfósiles que suelen ser tan importantes como los fósiles normales o, a veces más, pues sustituyen a estos en rocas donde no existen. No existe diferencia entre la Paleontología y la Micropaleonto- logía, salvo en las especiales técnicas de estudio que ésta última requiere. Los microfósiles son, generalmente, protozoos (foraminíferos, flagelados, radiola- rios, etc.), pero hay otros muchos fósiles, que por su pequeño tamaño han de ser estu- diados, aunque no sean microorganismos, han de ser estudiados por las técnicas de la micropaleontología. Tal cosa ocurre con los ostrácodos y los conodontos, las espículas de las esponjas, placas de equinodermos, mandíbulas de gusanos y hasta dientes de mamíferos de pequeño tamaño. La Palinología estudia los microfósiles vegetales aso- ciados a las rocas sedimentarias y al carbón, como las esporas y los granos de polen. Los estudios realizados en todo el mundo por estatígrafos y paleontólogos en los últimos 150 años, han proporcionado un cuadro de referencia detallado de las divisiones y subdivisiones del tiempo geológico, junto con fósiles característicos de todas las eda- des a partir del momento en que las formas vivas complejas se hicieron abundantes en la Tierra. La determinación radiométrica de la edad, hizo posible asignar edades absolutas a las divisiones del tiempo geológico. (Ver los cuadros cronológicos al final del tema). 4. EL TIEMPO GEOLÓGICO El principio del actualismo, que admite que los procesos geológicos han ocurrido siempre en la misma forma que ocurren en la actualidad, explican que la elevación de montañas, su erosión y sedimentación y su posterior resurgir como nuevas montañas, son procesos constantes y repetitivos y sólo el tiempo como magnitud era imprescindi- ble para que se produjeran estos fenómenos. La determinación del tiempo, resulta pues de capital importancia en la sucesión de los acontecimientos geológicos, para que una vez determinadas las edades de las rocas, los plegamientos, las montañas, los fósiles, etc, pueda establecerse una historia cronoló- gicamente estructurada de la Tierra, donde cada acontecimiento tenga su adecuada ub i- cación en el tiempo. Sólo así, pudo dividirse la historia de la Tierra en eras (Arcaica, Primaria, etc.) y periodos y situar en el tiempo cada acontecimiento. Las controversias sobre la edad de la Tierra existían desde la antigüedad, pero tu- vieron su culminación cuando lord Kelvin, basándoseen la premisa de que la Tierra se enfrió a partir de un estado fundido y que la tasa de enfriamiento siguió leyes simples de pérdida por radiación y conducción del calor, le calculó una edad inferior a 100 millo- nes de años (M.A.). Otro científico, Charles Darwin, estableció las bases de la selección natural, donde el proceso de selección actúa en un tiempo sin barreras y la evolución, en su extremada lentitud, hace que los organismos modificados en sus caracteres y en un ambiente favorable, puedan desarrollarse con mayor facilidad. La medida del tiempo en Geología es, pues, fundamental. El descubrimiento de la radiactividad y las investigaciones sobre minerales ra- diactivos, aportaron nuevos métodos y herramientas para el cálculo de la antigüedad de rocas, fósiles, sedimentos, etc. y determinar así el tiempo geológico. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 9/25 4.1. Determinación radiométrica de la edad. Los cálculos de lord Kelvin para la edad de la Tierra (edades muy bajas) y las ne- cesidades de la evolución previstas por Darwin (edades muy altas) evidencian la necesi- dad de una medida del tiempo precisa para establecer la cronología exacta. Este proble- ma ha podido resolverse, con precisión aceptable, por la presencia de elementos radiac- tivos (uranio, thorio) en las rocas de la corteza terrestre. Estos métodos se basan en que los elementos radiactivos sufren desintegración espontánea a ritmo constante dando lugar, después de una serie de transformaciones con emisiones de partículas radiactivas α, β y γ, a elementos estables que se van concen- trando en el mineral de las rocas correspondientes. A medida que el tiempo transcurre, el número de núcleos estables aumenta y disminuye el de inestables por transformarse éstos en los otros.. La ecuación exponencial: kteNN −= 0 donde: N=Núm. de núcleos después de un tiempo t. N0=Núm. de núcleos iniciales. k= constante de desintegración, característica de cada núcleo. T=tiempo transcurrido (variable tiempo). expresa la disminución de los núcleos inestables durante un tiempo t transcurrido. Con- siderando el tiempo de semidesintegración, T, como el tiempo transcurrido para que una muestra radiactiva se reduzca a la mitad por desintegración tendremos: kTeN N −= 002 ⇒ kTe−= 2 1 ⇒ kT−=− 2ln ⇒ k T 2ln= Cada de elemento radiactivo que consideremos (con constante de desintegración característica) tendrá su propio periodo de semidesintegración que oscilarán entre frac- ciones de milisegundo hasta miles de millones de años. Podemos pensar que elementos radiactivos de periodo corto, que en tiempos pretéritos pudieron ser abundantes en la actualidad casi han desaparecido y los de periodo largo son aún muy abundantes. Este método de geocronometría para determinar edades radiométricas se basa en que al solidificarse el magma, los elementos radiactivos (radioisótopos) pueden quedar atrapados en una malla cristalina en formación y en ese mismo momento no hay pro- ductos hijos de la serie de desintegración; con el tiempo estos productos resultantes de la desintegración posterior, ya en la malla cristalina, se van acumulando in situ. Cono- ciendo el periodo de semidesintegración del núcleo original y de los productos que re- sultan, es posible calcular el tiempo desde que se produjo la cristalización. Por ejemplo, la serie 238U-206Pb tiene una vida media de 4500 M.A. Se miden las cantidades de U y Pb existentes en un instante dado mediante el espectrómetro de masas y la edad de la muestra donde se presenta el sistema viene dada por: U Pb1 log.10.5'6.).( 238 206 9 +=AMEdad Existen en la naturaleza tres tipos de isótopos del uranio: el 238U, el más abun- dante, el 235U y el 232U que tras sucesivas etapas de desintegración se transforman en un isótopo del plomo estable. Como los periodos de semidesintegración son muy elevados (≈4’5.109 años) los métodos de datación radiométrica basados en estos isótopos se apli- can a rocas o minerales que sobrepasen los 10 M.A. Otras series empleadas en las me- didas radiométricas son: 232Th-208Pb, 40K-40Ar y 87Rb-87Sr. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 10/25 Un método que ha adquirido considerable importancia en la datación de rocas, fó- siles y otros elementos geológicos, es el método del 14C. El 12C y el 14C son dos isótopos del carbono que se encuentran en la atmósfera y en los seres vivos. El 12C es el átomo de carbono ordinario mientras que el 14C se produce en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de rayos cósmicos sobre 14N atmosférico. Este 14C se combina con Oxí- geno para formar CO2 que es igualmente absorbido por los seres vivos. Todos los seres orgánicos mientras viven poseen 12C y 14C en la misma proporción y ésta se mantiene constante, pero cuando el organismo muere, el 12C se mineraliza pero queda como tal mientras que el 14C se desintegra a 14N y desaparece como tal carbono luego en los res- tos de seres vivos la proporción de 12C y 14C aumenta al menguar el segundo. El periodo de semidesintegración del 14C es de 5700 años, lo que permite su utilización en datacio- nes relativamente recientes de hasta 50000 años. Se utiliza en restos de árboles, turba, semillas, hojas, huesos, etc. 4.2. Otros métodos de geocronología. Otro método para determinar las edades absolutas de muestras geológicas, está basado en los impactos producidos por las partículas nucleares, resultantes de la desin- tegración del 238U, sobre las superficies de ciertos minerales como las micas, el apatito, el zircón, la hornblenda o el vidrio volcánico. El número de impactos de estas partículas aumenta con el tiempo transcurrido desde que se formó el mineral. Este método se ha utilizado para determinar edades en el Pleistoceno y presenta ventajas sobre los métodos radiométricos, pues además de su notable sencillez se utiliza para materiales que no se podían datar por otros métodos Otro método está basado en la inversión del campo magnético de la Tierra. La in- versión periódica del campo magnético terrestre se registra en ciertos minerales como la magnetita (paleomagnetismo) y ha permitido establecer una serie de bandas en los ba- saltos del fondo oceánico que presentan alternativamente polaridad normal (como la actual) y polaridad invertida. La transición de un periodo de una polaridad a un periodo de otra polaridad es de corta duración en relación con el tiempo de duración de cada periodo, por lo que pueden obtenerse fechas muy aproximadas para estas inversiones. Determinadas con precisión la edad que corresponde a cada banda, con métodos radio- métricos, puede utilizarse esta escala temporal cuando en un basalto se puedan detectar la presencia de una de estas bandas o una secuencia característica de las mismas, con lo cual disponemos de un método de cronología aplicable en ciertos casos. 4.3. La tabla del tiempo geológico. La Tierra, independientemente de su origen, pasó por una fase incandescente hasta que en la superficie se formaron las primeras rocas ígneas sólidas o escorias que poco a poco se irían uniendo para constituir la primitiva corteza terrestre, a temperaturas ele- vadas. La atmósfera estaría cargada de vapores y gases a alta temperatura. Cuando la temperatura se moderó, se permitió la condensación de la mayor parte de los vapores y el agua y empezarían los procesos geológicos propiamente dichos, de erosión y destruc- ción de corteza, sedimentación en los océanos, metamorfismo de los sedimentos, etc. Debió de pasar mucho tiempo hasta que las condiciones de aproximasen paulati- namente a las condiciones actuales. Se formarían enormes espesores de rocas sedimen- tarias, de las que sólo parcialmente tenemos escasos conocimientos. Las rocas más ant i- www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 11/25 guas, determinadas por métodosradiactivos, datan de 3800 M.A. y han aflorado en Es- candinavia y en África austral. El intervalo de tiempo transcurrido desde la supuesta formación de la Tierra por acreción de materiales de una masa nebulosa en torno al Sol, unos 5000 M.A. se ha di- vidido en periodos de 1000 M.A. cada uno, llamados eones. [Véanse los cuadros cro- nológicos al final del tema]. La formación del Planeta ya estaba en marcha al comienzo del 1er eón y se completó hace 4.700 M.A (como comprobación hemos de mencionar que en una roca lunar llamada Génesis, se encuentran minerales de esta edad). La historia de la Tierra durante este primer eón es desconocida. Es en el 2º eón cuando encontramos la roca más antigua (3800 M.A.). En el 3er eón se encuentra el de- sarrollo de organismos unicelulares. En el 4º eón se produjo un importante crecimiento continental. El 5º eón fue testigo de la rápida evolución de la vida. Todo el tiempo geológico anterior a hace 570 M.A. se conoce como Precámbrico, y es un tiempo criptozoico (cripto=oculto, zoico=vida), mientras que desde esos 570 M.A. es Fanerozoico (faneros=visible). El tiempo fanerozoico está integrado por tres eras geológicas (Paleozoica, Mesozoica y Cenozoica). Mientras que los procesos geoló- gicos funcionaban por ciclos repetitivos, la vida seguía una corriente de sentido único. Es el carácter distintivo de los restos de los seres vivos lo que hemos denominado fósi- les indicadores. En los cuadros adjuntados al final del tema se puede ver las distintas divisiones del tiempo geológico. Nótese que la Era Cenozoica (65 M.A.) se suele dividir en dos periodos: Terciario y Cuaternario, pero actualmente es preferible dividirlo en varias épocas que también están descritas en el cuadro. 5. EXPLICACIONES HISTÓRICAS AL PROBLEMA DE LOS CAMBIOS La Tierra es un planeta vivo como ya se ha indicado al inicio del tema, porque se encuentra en un continuo estado de evolución y cambios, tanto desde el punto de vista de su estructura geológica como desde la vida biológica que en ella se ha engendrado como consecuencia de los ambientes y hábitat creados en ella. Todo ello, gracias a la energía que el planeta recibe del Sol y de su propia energía interna, residuo de su origen estelar. Las explicaciones a los cambios habidos en el planeta tendrán que darlas, pues, la Biología y la Geología. 5.1. La Biología. El objeto de estudio de la Biología es el ser vivo en general. En su libro "El Azar y la Necesidad", Monot define al ser vivo como objeto dotado de un proyecto que está representado en sus estructuras y cumple con sus actividades programadas, es decir, tiene funciones de conservación, lo que llamamos teleonomía y además el receptor de información es idéntico al emisor, y a esta propiedad del ser vivo le llamamos invarian- cia. Estas dos propiedades no son una abstracción lógica, sino que están químicamente justificadas en las proteínas y en los ácidos nucleicos respectivamente. Basándonos en estas dos características podemos definir fácilmente las dos grandes corrientes de pen- samiento que han intentado dominar la biología: a) el Fijismo y b) el Transformismo. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 12/25 a) El fijismo hace de la invariancia la propiedad secundaria de la teleonomía. Se concretó en dos grandes teorías para explicar los dos grandes temas biológicos: el ori- gen de la vida y el origen de las especies. Para el 1º se propuso la teoría de la genera- ci6n espontánea, para el 2º el creacionismo. b) El transformismo hace de la teleonomía una propiedad secundaria de la inva- riancia. Se concreta en la biogénesis y en la teoría de la Evolución. En realidad ambas pueden fusionarse en la Evolución de la Materia, paradigma de la biología que permite incluirla entre las ciencias objetivas. 5.2. La Geología. Esta misma dicotomía se manifiesta en geología. La idea fijista que dominó hasta principios del presente siglo es el contraccionismo según la cual la Tierra al enfriarse se contraía produciendo grandes plegamientos de la corteza. Estos plegamientos iban pre- cedidos de depósitos de sedimentos en los geosinclinales. Por el peso de los materiales se producía subsidencia (hundimiento) que por el aumento de calor producía metamor- fismo e incluso fusión. Estas rocas fundidas se incorporaban como rocas magmáticas a los orógenos. Cuando los orógenos eran erosionados se cerraba el ciclo de las rocas, es decir, el ciclo formado por la erosión, sedimentación, metamorfismo, magmatismo, ero- sión. Cuando a partir de 1910 aparecieron pruebas de la unión entre los continentes, se postuló la hipótesis de los puentes intercontinentales que se hundirían en el océano se- parando a los continentes. No admitían, pues, la deriva continental. A principios de los años 1960 los datos a favor del desplazamiento continental se convirtieron en abrumadores. Se produjo una revolución científica: la sustitución del fijismo por el movilismo, concretado en la Teoría de la Tectónica de Placas. Contraccionismo Tectónica deplacas inicial Tectónica de placas futura Objeto de estudio Continentes Océanos Continentes yOcéanos Ideas de síntesis Geosinclinal y Ciclo de las Rocas Ciclo de Wilson Ciclo del Supercontinente La teoría de los ciclos de los supercontinentes nos indica que cada periodo de 400 a 500 M.A. se formaría un supercontinente por fusión de los continentes separados. El aumento de corteza continental impediría la refrigeración del manto por lo que se pro- duciría gran abundancia de puntos calientes que lo fragmentarían comenzando un ciclo de Wilson. Esta teoría explica las variaciones históricas del nivel del mar, las glaciaciones (las tres últimas se producen hace 1100, 650 y 250 M.A., épocas en las que se habrían formado supercontinentes o Pangeas) y, quizás, regulan la biosfera ya que la diversidad es máxima cuando los continentes están separados y mínima cuando se construye una Pangea por homogeneización de los hábitats. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 13/25 6. LA EVOLUCIÓN. MECANISMOS Y PRUEBAS La Teoría de la Evolución supone un paradigma, no sólo para la biología, sino pa- ra todo el mundo de las ideas. Como señaló Monod (Premio Nobel) ninguna teoría científica ha influido más en el pensamiento del siglo XX que esta teoría. 6.1. Historia de la Teoría de la Evolución. La idea de que las formas vivientes actuales derivan de otras anteriores (evolucio- nismo) no era nueva cuando Charles Darwin escribió en 1859 "El origen de las espe- cies", pues tales conceptos se encuentran ya en los filósofos griegos como Tales de Mi- leto (VII-VI a.C.), Epicuro (IV-III a.C.) y Aristóteles (IV a.C.). El propio Darwin cita a una veintena de pensadores precursores de su teoría entre los que destacamos a Juan Bautista Lamarck y al español Félix de Azara. Pero el pensamiento del siglo XIX estaba dominado por los creacionistas como Cuvier o Agassiz, que explicaban las especies por creación divina directa como se espe- cifica en el Génesis y las especies fósiles se explicaban por catástrofes naturales lo que suponía de 20-80 extinciones totales. Fueron los geólogos los que allanaron el camino a la teoría de la Evolución, como los casos de Hutton (XVIII-XIX) con la teoría del Actualismo, afirmando que "las fuer- zas que obraron en el pasado son semejantes a las que actúan en la actualidad" y de Lyell que afirmaba como geólogo que "la Tierra es más vieja que los 6.000 años calcu- lados por los estudios bíblicos"). 6.2. Pruebas de la Evolución. 6.2.1. Paleontológicas. La Paleontología demuestra que desde hace más de 3300 millones de amos (M.A.) han quedado registrados en las rocas de la corteza, restos de seres vivos (fósiles) y que en el periodo de 600 a 570 M.A. se produce una explosión en la abundancia de estos seres vivos pues empiezan a ser, de manera casi súbita, muy abundantes en las rocas de ese periodo. A partirde ese momento, el registro fósil, aunque con altibajos, es sufi- ciente para poder seguir el proceso de evolución de grupos de vegetales y animales y para reconstruir con detalle la evolución de unidades taxonómicas interiores. A pesar de ello, el registro fósil es muy escaso y sólo conocemos una mínima parte de él, menos del 1‰ de las especies que han vivido en el planeta a lo largo de su historia, Las causas son variadas: a) muchos organismos no se fosilizan fácilmente, b) las rocas sedimentarias y metamórficas que afloran a la superficie son escasas, c) enor- mes extensiones de la Tierra no han sido paleontológicamente exploradas, d) la cantidad de paleontólogos especialistas, es escasa para la ingente labor a realizar. Todo ello con- duce a una falta de información que impide establecerlas líneas filogenéticas completas que han llevado desde los primitivos organismos vivientes a los seres actuales, existien- do por ello numerosas lagunas o líneas filogenéticas parciales. Como ejemplo podemos mencionar la línea filogenética del caballo en sus fases evolutivas a lo largo de varios periodos geológicos: www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 14/25 Periodo → EOCENO OLIGOCENO MIOCENO PLIOCENO ACTUAL Género → Eohippus Mesohippus Merychippus Pliohippus Equus Dedos → 3 y 4 3 3(1 más largo) 1 (restos de 2) 1 (resto otro) Alimentac. Ramoneo Ramoneo Pacedura Pacedura Pacedura Superficie dientes Pequeña Pequeña Mediana Grande Grande La línea evolutiva en la evolución del caballo es clara: se produce un aumento de talla, se apoya en el suelo en un sólo dedo (pezuña) para facilitar la carrera, se produce un aumento de la superficie trituradora de los dientes y paso del ramoneo a pacer en la forma de la alimentación. 6.2.2. Morfológicas. Las pruebas morfológicas están basadas en la observación de los órganos análo- gos, que son aquellos que teniendo distinto origen, presentan la misma adaptación, co- mo por ejemplo, las alas de un insecto y las de un ave, (sin valor evolutivo) y de los órganos homólogos, que son aquellos que teniendo el mismo origen, presentan distinta adaptación, como por ejemplo las aletas de un cetáceo y las de un ave, (con valor evo- lutivo). Esto permite, por ejemplo, agrupar a todos los vertebrados con extremidades tipo quiridio (extremidades pentadáctilas de los vertebrados y sus diversas modificacio- nes) en el grupo de los Tetrápodos, es decir establecer relaciones filogenéticas. 6.2.3. Biogeográficas. Las pruebas biogeográficas se basan en la distribución geográfica de los seres vi- vos en los distintos continentes e islas que en tiempos geológicos formaban bloque uni- dos. Se observa en las islas recientemente separadas del continente, especies vivas idén- ticas o filogenéticamente unidas a las especies del continente. En cambio, en islas sepa- radas en tiempos muy remotos, como la isla de Madagascar o el continente Australiano, por ejemplo, existen especies propias no ligadas a otras del continente. Esto indica una evolución independiente y fue observado por Darwin en las islas Galápagos, próximas a Ecuador. 6.2.4. Inmunológicas. Las pruebas inmunológicas están basadas en que las proteínas son específicas y presentan propiedades antigénicas, es decir, su presencia en un organismo ajeno puede provocar la generación de anticuerpos contra ellas. Si inyectamos, por ejemplo, a un conejo proteínas humanas, éste elaborará anticuerpos antihumanos y podemos estudiar las reacciones con proteínas de otras especies. Una reacción más positiva indicaría más proximidad de esta especia (en nuestro ejemplo, los conejos) a la especie humana. Así, si probamos con chimpancé y con el caballo, veremos que el chimpancé es evolutiva- mente más próximo al género humano, porque la reacción antígena en el caballo es más negativa. 6.2.5. Bioquímicas. La Bioquímica nos demuestra que todos los seres vivos están constituidos por los mismos tipos de biomoléculas. Proteínas formadas por los mismos tipos de aminoáci- www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 15/25 dos, ácidos nucleicos formados por los mismos tipos de bases púricas y pirimidínicas y ribosas, grasas formadas por los mismos tipos de alcoholes y ácidos, hidratos de carbo- no constituidos por las mismas unidades de azúcares, etc. La secuenciación de proteínas y de ácidos nucleicos permite establecer relaciones filogenéticas entre las distintas especies. Secuencias nucleicas muy parecidas indican mayor proximidad evolutiva, aunque esto puede producir errores. Por ejemplo, supon- gamos que una especie (E1) se divide en dos especies (E2 y E2’) y que luego la especie E2 vuelve a dividirse (E3 y E3’). El esquema filogenético sería: →→ ' ' 2 3 3 2 1 E E EEE Si estudiamos una proteína (P) esperaríamos que P2’ sea más parecida a P1 que la P3. Sin embargo podría suceder que la P2’ evolucionase rápidamente y de igual forma que lo hiciese la P3’. Entonces el esquema que deduciríamos seria: → → → ' ' 2 3 32 1 E E EE E que no responde a la realidad. 6.3. Teorías clásicas de la Evolución. Evolución implica cambio con continuidad, normalmente con un componente di- reccional. La evolución biológica se define mejor como cambio en la diversidad y adaptación de las poblaciones de organismos. Las teorías clásicas de la evolución son: 6.3.1. El Lamarckismo. La primera teoría coherente de la evolución, la propuso el naturalista y filósofo francés Jean Baptiste Monet, caballero de Lamarck (1809) que publica "Philosophie zoologique" llena de ideas evolucionistas pero sin pruebas que las apoye. Centró su atención en el proceso de cambio a lo largo del tiempo, en lo que parecía una progresión de la naturaleza desde organismos visibles más pequeños hasta los animales y plantas más complejos de hoy día. Sus ideas se basaron en los siguientes postulados: a) la existencia de un impulso interno hacia la perfección, b) la capacidad de los organismos para adaptarse al ambiente, c) el hecho frecuente de la generación espontánea y d) la herencia de los caracteres o rasgos adquiridos. La creencia de que los caracteres adquiridos son hereditarios (error que se recuer- da a Lamarck) era antigua y ya se menciona en la Biblia. Darwin, por ejemplo, asumió que el uso-desuso de una estructura por parte de una generación podría reflejarse en la generación siguiente, lo mismo que pensaron muchos evolucionistas hasta que se de- mostró, si no la imposibilidad sí la improbabilidad de heredar los caracteres adquiridos. Los demás postulados de Lamarck tampoco se vieron confirmados por la experiencia y sólo acertó en afirmar que la evolución es adaptativa, así el uso continuado de un órgano hace que éste se potencie y perfeccione y el desuso lo debilita y atrofia. Lamarck enten- día que sólo es posible explicar la gran diversidad de organismos vivientes si se acepta- ba el postulado de que la Tierra tenía una gran antigüedad y que la evolución era un proceso gradual. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 16/25 6.3.2. El Darwinismo. Darwin estuvo inicialmente intrigado por el origen de la gran diversidad de espe- cies vivientes y más específicamente, por el origen de las especies a través de diversifi- cación en una dimensión geográfica. En su viaje alrededor del mundo, en las islas Galá- pagos, observó diversas formas de tortuga según la isla, que aunque estrechamente rela- cionadas eran completamente distintas. Darwin concluyó que la población de cada isla constituía una especie incipiente y llegó a la idea de la evolución de las especies. En 1838 concibió el mecanismo para explicar la evolución: la selección natural, y en 1859 publica su teoría de la Evolución de las Especies a través de la selección natural en su obra “El Origen de las Especies” Esta teoría generalizael pensamiento Malthusiano de la "lucha por la existencia" y la considera como el factor de la selección natural que permite la permanencia de las variaciones aleatorias favorables (activas y pasivas) y elimina las desfavorables. El am- plio esquema de la teoría de Darwin constaba de varias subteorías o postulados que po- demos condensar en cuatro fundamentales: 1. El primero, coincidiendo con Lamarck, indica que el mundo no es estático, sino que evoluciona, las especies cambian, se extinguen una y aparecen otras. Las biotas, como reflejan los fósiles, cambian con el tiempo y cuanto más antiguas son, más dife- rencias hay con los organismos actuales. 2. El segundo, también asumido de Lamarck, indica que el proceso de evolución es gradual y continuo a lo largo de grandes periodos de tiempo y no se producen saltos discontinuos en poco tiempo o cambios súbitos. 3. El tercero, propio de las ideas de Darwin, es el de la comunidad de descenden- cia. Los organismos semejantes estaban emparentados y descendían de un antepasado común. Así, los mamíferos descendían de una única especie ancestral, los insectos igual, etc. lo que implicaba que los organismos vivientes podían remontarse hasta un origen único de la vida. 4. El cuarto postulado era el de la selección natural. El cambio evolutivo, según Darwin, no es resultado de un misterioso impulso lamarckiano, ni una simple cuestión de azar, sino el resultado de la selección considerada en dos fases: 1ª en cada generación se produce una enorme cantidad de variabilidad (Darwin ignoraba su origen, dilucidado después por la genética) en los caracteres de los organismos y 2ª es la selección a través de la supervivencia en la lucha por la existencia. En la mayoría de las especies animales y vegetales, una sola pareja procrea milla- res, si no millones, de descendientes. Sobrevivirán aquéllos que presenten la combina- ción de caracteres más idónea para hacer frente al ambiente, entendiendo como tal el clima, los competidores y los depredadores. Ellos tendrán una probabilidad mayor de sobrevivir, reproducirse y dejar descendientes y sus caracteres pasarán, por tanto, al siguiente ciclo de selección. Darwin tuvo que aceptar la heredabilidad de los caracteres adquiridos ya que los conocimientos de la época no permitían explicar la constancia de las variaciones en la descendencia. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 17/25 6.4. Teoría moderna: Sintetismo. Uno de los postulados más combatidos de la teoría de Darwin era el del gradua- lismo, que indicaba que los cambios se producen gradualmente. Huxley (vigoroso de- fensor de la evolución) propugnaba el saltacionismo, o cambios de origen saltacional. Consistía en que las nuevas especies se originaban por saltos o macromutaciones que pueden explicar la diversificación de los grandes grupos taxonómicos. Los avances en genética, y el cambio de unidad de evolución (es decir, se dejó de pensar en términos de individuos para hacerlo en términos de poblaciones), permitió llegar a una nueva teoría sintética (sintetismo) de la evolución que ampliaba notable- mente la teoría de Darwin, a la luz de la teoría cromosómica de la herencia, de la gené- tica de poblaciones y otras nociones de biología y paleontología. La nueva síntesis se caracterizó por el rechazo total de la herencia de los caracteres adquiridos, énfasis de la condición gradual de la evolución y el reconocimiento de la importancia de la selección natural. La genética explica el origen de las variaciones por mutaciones y la herencia de los caracteres. Un fenotipo (manifestación externa del conjunto de caracteres heredita- rios, controlados por los genes) será más eficaz si da lugar a un mayor número de des- cendientes y por lo tanto se perpetuará. Resumiendo: la moderna teoría de la evolución orgánica a través de la selección natural es un proceso en dos etapas: 1) producción, a través de la recombinación, muta- ción y acontecimientos aleatorios, de una gran variabilidad genética y 2) regulación de esa variabilidad por la selección natural. La evolución es oportunista en extremo: favorece cualquier variación que confiera al individuo una ventaja en la competencia con los demás miembros de su población o sobre los individuos de otras especies. A lo largo de miles de millones de años, este proceso ha venido funcionando automáticamente, impulsando lo que llamaríamos pro- greso evolutivo. Ningún programa controlaba o dirigía esta progresión; ha sido el resul- tado de la decisión momentánea de la selección natural. 6.5. Mecanismos de la Evolución. Los mecanismos de la evolución están basados en la genética de poblaciones. Se consideran mecanismos potencialmente evolutivos todas aquellas causas que pueden hacer variar las frecuencias génicas en la población, como, por ejemplo: las mutaciones, la migración, la deriva genética, los apareamientos no aleatorios y la selección. Examinaremos en primer lugar el equilibrio en una población estable, y después examinaremos estos factores de evolución. 6.5.1. Equilibrio de poblaciones. La Genética mide la frecuencia relativa de rasgos característicos en una población de individuos y hallar así, la frecuencia de alelos específicos. Supongamos una pobla- ción de N individuos en la que examinamos un carácter definido por 1 gen que presenta dos alelos (A y a), cuyas frecuencias respectivas en la población son fA=p, fa=q, de for- ma que debe cumplirse que p+q=1. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 18/25 Si consideramos todos los apareamientos posibles en una generación, un número p de óvulos que contienen A y un número q de óvulos que contienen a serán fecundados por un número p de espermatozoos que contienen A y un número q de espermatozoos que contienen a, es decir: (pA+qa)× (pA+qa)=(pA+qa)2=p2AA+2pqAa+q2aa (1) es decir, los descendientes serán AA en una probabilidad p2, serán Aa en una probabili- dad 2pq y serán aa en una probabilidad q2. Si la frecuencia del alelo A fuese p=1/2, la frecuencia del alelo a sería igualmente q=1/2, y la frecuencia de sus descendientes se- rían: Caracteres AA frecuencia p2=(1/2)2)1/4 Alelos A=2p2 Caracteres Aa frecuencia 2pq=2(1/2)(1/2)=1/2 Alelos A=2pq Caracteres aa frecuencia q2=(1/2)2=1/4. Alelos A=0 La nueva presencia del alelo A en la población descendiente se calculará así: ppqpppqp pqp f A ==+=+= +== 1.)( 2 22 totalesNúm.alelos A Núm.alelos 2 2 vemos que la frecuencia del alelo A no ha variado. En las generaciones sucesivas la pro- porción de estos alelos será la misma, si no se altera por selección o mutación. Toda población en que la distribución de alelos A y a se exprese por la relación (1) se en- cuentra en equilibrio genético. 6.5.2. Mutaciones. Una mutación es un hecho fortuito que se traduce por el cambio de un carácter he- reditario que ocurre en el genotipo. Pueden considerarse como fallos en el proceso de autorreproducción idéntica del material genético. Su importancia es considerable puesto las mutaciones son responsables de la variabilidad genética que ha permitido la evolu- ción de las especies. Las mutaciones se caracterizan por la presión (frecuencia o tasa con la que se producen) y por el grado (importancia del cambio fenotípico produc ido). La primera condición para mantener el equilibrio genético es que no debe haber mutaciones o que las frecuencias de mutaciones hacia adelante y hacia atrás deben de estar en equilibrio, es decir no hay cambio del gen A en el gen a o la velocidad con que el gen A cambia en gen a (mutación hacia delante) es igual a la velocidad con la que el gen a cambia a gen A, (mutación hacia atrás). Los genes experimentan mutaciones con- tinuamente, no hay forma de evitarlas y raramente son iguales las velocidades hacia delante y hacia atrás. Suele haber una tendencia, llamada presión de mutación, para que uno de los alelos aumente de frecuenciay el otro disminuya. Supongamos que A muta a a con una frecuencia (o tasa) u. Entonces la nueva fre- cuencia (fA’) de A seria: fA’=p-u.p supongamos que a también muta a A con una tasa v. Entonces la nueva frecuencia (fA’) de A seria: fA’=p-u.p+vq es decir, la tasa inicial de alelo A existente inicialmente menos la que se pierde más la que se gana por mutación. Esta presión de mutación puede ser contrarrestada por otro factor, como la selec- ción. Aunque se produzcan constantemente mutaciones, ocurren al azar y rara vez son el principal factor en la producción de cambios en las frecuencias de genes de una pobla- ción. Aumentan la variabilidad genética y proporcionan la materia prima de la evolu- ción. Para conservar el equilibrio genético, una población ha de ser suficientemente nu- merosa para que el azar no tenga probabilidad de cambiar las frecuencias genéticas. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 19/25 6.5.3. Migraciones. La migración implica un movimiento de alelos hacia la población y desde la po- blación, por inmigración o emigración de individuos o gametos. Para mantener el equi- librio genético es necesario que la población no pierda genes de su fondo común hacia fuera (emigración) y tampoco debe recibir nuevos genes de otras poblaciones (inmigra- ción). Las poblaciones de algunas especies de la naturaleza están aisladas y no sufren migración. Otras en cambio, se cruzan en cierto grado con poblaciones vecinas y se produce gran migración de genes. Se introducen nuevos genes en las poblaciones, au- menta la variabilidad genética y ésta puede desempeñar un papel importante en la evo- lución de dicha población. 6.5.4. Deriva genética. El equilibrio genético de una población puede cambiar más por casualidad que por selección natural. Este papel del azar en la evolución de las pequeñas poblaciones recibe el nombre de desplazamiento genético o deriva genética. Dentro de pequeñas poblacio- nes endogámicas los pares de genes heterocigotos tienden a hacerse homocigotos para un alelo u otro por intervención de factores casuales más que por selección. En esta forma pueden producirse acumulación de ciertos caracteres perjudiciales con elimina- ción subsiguiente del grupo que los posee. La deriva genética puede explicar la existencia de especies muy afines en dife- rentes partes de la Tierra pero que difieren en aspectos curiosos e incluso extraños que no parecen tener valor adaptativo definido. Este efecto de la deriva genética propiciado por el azar se produce cuando unos pocos individuos de una población grande fundan una población en una nueva área. Los individuos fundadores están muy lejos de repre- sentar una muestra del fondo común de genes de la población original, de la cual difie- ren por las frecuencias de los genes específicos. La nueva generación difiere de la pro- genitora por factores todos dependientes del azar. 6.5.5. Reproducción diferencial. Para mantener el equilibrio genético, los miembros de la población deben aparear- se completamente al azar. El individuo no debe escoger pareja porque tenga el mismo genotipo que él. Esta reproducción al azar implica que todos los factores que intervie- nen en el éxito de una descendencia viable, operan también al azar. Estos factores son, desde elección de la pareja, su fecundidad, la viabilidad del nuevo ser, la supervivencia del hijo hasta la edad de reproducción y su fecundidad, etc., tienen eficacia en la perpe- tuación de la especie. Si individuos poseedores de ciertos genotipos son más capaces de tener descen- dencias numerosas hasta la edad de reproducción de los hijos, el equilibrio no se man- tendrá. Por el contrario, la frecuencia de ciertos genes aumentará como resultado de la reproducción diferencial. Este cambio en las frecuencias de genes del fondo común de genes de una población, causado por reproducción diferencial, es la forma moderna de entender el concepto de selección natural de Darwin. Cambios evolutivos resultantes de la reproducción diferencial son frecuentes en casi todas las poblaciones de organismos incluyendo la humana. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 20/25 6.5.6. Selección. Los procesos anteriores son aleatorios y no están orientados hacia una mayor adaptación. La selección es el factor más importante en la alteración del equilibrio ge- nético y motor de la evolución de las especies. La selección establece que las poblacio- nes más adaptadas y mejor dotadas genéticamente engendran con mayores posibilidades de pervivencia y dirigen la evolución hacia la mejora de la especie. La selección puede deberse a supervivencia o a fertilidad diferencial, o a ambas. La selección generalmente actúa sobre los fenotipos, es decir sobre complejos genéticos coadaptativos y no sobre genes concretos. La selección puede ser considerada como: - estabilizante, elimina los fenotipos extremos, - disruptiva, favorece los fenotipos extremos y - direccional, favorece uno de los fenotipos extremos. Así pues, la teoría de la selección natural, considerada intuitivamente por Darwin, precisada y completada por el mutacionismo, se ha revelado experimentalmente como responsable de la adaptación de los organismos a su medio. Ya no se puede considerar como una simple disquisición del espíritu. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química © Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 70 21/25 Primer Eón 4000 M.A. 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800 4900 5000 M.A. Formación de la corteza Formación del océano Diferenciación de manto y núcleo Formación de la Tierra M.A.=Millones de Años Tercer Eón 2000 M.A. 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 M.A. Proliferación de Cianofíceas PRE- CÁM- BRICO MEDIO PRE- CÁM- BRICO INFERIOR M.A.=Millones de Años. Segundo Eón 3000 M.A. 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 M.A. Fósiles más antiguos Formación de la Atmósfera ¿Biogénesis? Rocas terrestres más antiguas PRECÁM- BRICO INFERIOR M.A.=Millones de Años Cuarto Eón 1000 M.A. 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 M.A. Deposición de abundantes rocas carbonatadas. Aumento del Oxígeno atmos- férico. PRE- CÁM- BRICO MEDIO M.A.=Millones de Años. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 70 22/25 Quinto Eón ERA CENOZOICA Mamíferos →Siguiente cuadro 0 M.A. 100 ERA MESOZOICA Cretácico (135-55 M.A.) Jurásico (205-135 M.A.) Reptiles Triásico (250-205 M.A.) 200 300 400 500 ERA PALEOZOICA Pérmico (280-250 M.A.) Anfibios Carbonífero (345-280 M.A.) Devónico (395-345 M.A.) Peces Silúrico (430-395 M.A.) Ordivícico (500-430 M.A.)Invertebrad. Cámbrico (570-500 M.A.) 600 700 800 900 1000 M.A. India choca contra Asia. Rotura Pangea Plantas terrestres Diversificación de los seres pluricelulares Formación de la capa de ozono. PRECÁMBRICO SUPERIOR M.A.=Millones de Años. →Siguiente Cuadro 0 M.A. Primer Homínido 10 Época Miocénica 20 Época Oligocénica. 30 40 Época Eocénica 50 ERA CENO- ZOICA PERIODO TERCIARIO Epoca Paleocénica (Primates) 60 70 80 90 100 M.A. ERA MESO- ZOICA PERIODO CRETÁCICO Desaparecen los Dinosaurios. Aparecen los Placentarios. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 70 23/25 0 M.A. 1 PERIODO CUATER- NARIO ÉPOCA PLEISTO- CÉNICA 2 3 45 6 ÉPOCA PLIO- CÉNICA 7 8 9 10 M.A. ERA CENO- ZOICA PERIODO TERCIARIO ÉPOCA MIOCÉ- NICA Glaciación Glaciación 0 m.A. Glacial 100 200 Inter- glacial 300 400 500 600 700 Glacial 800 900 1000 m.A. ÉPOCA PLEISTO- CÉNICA Inter- glacial →siguiente cuadro→ Cultura Paleolítica Homo Erectus m.A.=miles de Años 0 m.A. ÉPOCA HOLO- CÉNICA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 m.A. ÉPOCA PLEISTO- CÉNICA Glacial Jesucristo Agricultura Homo Sapiens Hombre de Nean- derthal m.A.=miles de Años. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 70 24/25 RESUMEN DE LA HISTORIA GEOLÓGICA DE LA TIERRA Eras Periodos Durac,M.A. Fauna Flora Litología Cuater- naria o Neozoica Holoceno Pleistoceno 0’025 2 Homb.actual Homb.primit Detrítica suelta. Terciaria o Cenozoica Neógeno: Plioceno Mioceno Paleógeno: Oligoceno Eoceno 12 18 11 27 Mamíferos y Numulites Actual (Cenofítica) Angiosper- mas Calizas, Margas, Arcillas, Yesos,Sales Secundaria o Mesozoica Cretácico Jurásico Triásico 70 45 35 Dinosaurios Ammonites Gimnosper- mas. (Mesofítica) Calcárea Primaria o Paleozoica Pérmico Carbonífero Devónico Silúrico Ordivícico Cámbrico 50 60 50 30 70 70 Anfibios Corales y Braquiopod. Trilobites Pteridofitas (Paleofítica) Algas (Ar- queofítics) Cuarcitas, Pizarras, Areniscas y Calizas Arcaica o Pre- cámbrico Algonquino Arcaico 4000 ¿? Bacterias Detrítica poco seleccionada BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA ANGUITA y SERRANO. Procesos Geológicos Internos. Ediciones Rueda. 1991. MADRID. ANGUITA. Origen e historia de la Tierra. Edición Rueda. 1988. MADRID. AUBOUIN-BROUSSE-LEHMAN. Tratado de Geología. Editorial Omega. 1980. BARCELONA. MELENDEZ y FUSTER. Geología. Editorial Paraninfo. 1977. MADRID. STRAHLER. Geología física. Ediciones Omega. 1987. BARCELONA. Artículos de EL MUNDO CIENTÍFICO: La edad de la Tierra, núm. 85 Enigma en el manto terrestre, núm 95 El núcleo terrestre, núm. 116 El nacimiento de la corteza oceánica, núm. 1 Los márgenes continentales pasivos, núm. 17 www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 70 25/25 Tratamiento Didáctico ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- OBJETIVOS Conocer a la Tierra como un planeta vivo y los cambios que en ella se produces, las fuerzas que generan estos cambios, tanto en lo geológico como en lo biológico. Conocer las pruebas científicas que corroboran estos cambios así como su ubicación en el tiempo. Introducir al alumno en el inmenso mundo de la evolución de las especies proporcio- nándole las ideas básicas para su comprensión. UBICACIÓN Este tema puede ubicarse en el currículo general de Geología de 2º de bachillerato. A un nivel de iniciación puede incluirse en los programas de las Ciencias de la Naturaleza de 4º curso de E.S.O. TEMPORALIZACION La exposición del tema puede realizarse en 6 horas de clase excluidas las observa- ciones de campo. Pueden dedicarse algún día a visitar lugares debidamente escogidos que sean ricos en fósiles. METODOLOGIA Como en los temas anteriores se requiere una explicación ordenada y estructurada, mediante esquemas, gráficos y proyecciones, de las diferentes partes del tema, espe- cialmente de las capas terrestres y los fenómenos de convección en el manto. Debe ayu- darse con vídeos educativos adecuados y otros medios audiovisuales. CONTENIDOS MINIMOS Capas de la corteza terrestre Convección del manto. Tectónica de placas. Fósiles. Su origen y su situación. Importancia del fósil en geología. Fósil característico. Determinación de la edad de las rocas. Diversos métodos. Tablas del tiempo geológico divididas en eones. La evolución. Pruebas de la evolución. Teorías: Lamarckismo y Darwinismo. Sintetismo. Ideas sobre los mecanismos de la evolución. MATERIALES Y RECURSOS DIDACTICOS Apuntes de clase, que serán complementados con libros de consulta y revistas cientí- ficas con artículos sobre Geología y Geofísica. Transparencias para retroproyector sobre elementos gráficos del tema: fotos de fósi- les, tablas del tiempo geológico, etc. Vídeos educativos de series sobre la naturaleza. EVALUACIÓN Ejercicio escrito con preguntas básicas relacionadas con el tema, teorías del origen del planeta, configuración de la corteza, cronología, evolución, etc., y preguntas rela- cionadas con las visitas de campo realizadas para la observación in situ de elementos naturales, etc. Prueba escrita de opción múltiple, con preguntas de varias respuestas.
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