Conociendo el mundo y las conexiones entre ciencias: física con biología

Introduciéndonos a las conexiones entre ciencias

Esta revista trata de la importancia de que los biólogos comprendan el apoyo que brinda la física para su trabajo, esto radica en la estrecha relación y la interdisciplinaridad que existe entre estas dos ramas de la ciencia. La biología se basa en el estudio de los seres vivos y los procesos vitales que los caracterizan, mientras que la física se centra en entender las leyes fundamentales que rigen el universo y el comportamiento de la materia y la energía.

La física proporciona a los biólogos una sólida base teórica y experimental que les permite comprender y explicar muchos fenómenos biológicos. Por ejemplo, la física es fundamental para el estudio de la biomecánica, que se ocupa de analizar los movimientos y fuerzas que actúan sobre los organismos vivos. Comprender los principios físicos involucrados en la locomoción animal, la estructura ósea o el vuelo de las aves, entre otros, es crucial para entender y diseñar tecnologías biomédicas, mejorar la eficiencia energética en la ingeniería biomédica y encontrar soluciones innovadoras en la biocinética.

Además, la física también desempeña un papel esencial en áreas como la biofísica, que se ocupa de investigar los fenómenos biológicos utilizando herramientas y técnicas físicas. La biofísica permite estudiar los sistemas biológicos a nivel molecular, empleando, por ejemplo, técnicas de espectroscopía, resonancia magnética nuclear, microscopías de alta resolución y otras técnicas biofísicas avanzadas. Estas investigaciones son fundamentales para desentrañar los procesos fisiológicos, las interaccionesmolecularesy elfuncionamientodelas células, loqueasuvezpuede tener aplicaciones en el desarrollo de medicamentos, la terapia génica y la biotecnología.

En resumen, comprender la física es esencial para los biólogos, ya que les brinda las herramientas ylosconceptosnecesariosparaanalizary explicar los fenómenos biológicosdesdeunaperspectiva más profunda. La colaboración entre físicos y biólogos es de gran importancia, ya que ambos camposseenriquecenmutuamenteypuedenpotenciarelavancecientífico enbeneficio delasalud, el medio ambiente y la sociedad en general.

Óptica Geométrica: conociendo un mundo nuevo

La óptica geométrica estudia los rayos de luz y formación de imágenes creadas por la refracción en los cambios de dirección que producen los rayos luminosos en diversos fenómenos.

Conceptos fundamentales

Rayos: líneas rectas que señalan la dirección y sentido de propagación de una onda.

Espejos: superficies lisas que reflejan la luz, haciendo que los rayos puedan cambiar su trayectoria.

Reflexión: cambio de dirección de los rayos de luz en su medio al incidir en otro.

Formación de imágenes en espejos planos

Losrayosprovenientesdelobjeto seprocesan en el ojo al reflejarse en el espejo. Las imágenes formadas en espejos planos son virtuales, derechas y tienen el mismo tamaño al objeto.

Refracción

Refracción: cambio de dirección de un rayo de luz al pasar a través de un medio a una velocidad distinta.

Objeto: fuente origen de los rayos.

Formación de imágenes en espejos esféricos

La imagen se reflejará en distintos puntos dependiendo de la ubicación del objeto, así mismo se reflejará ante el ojo humano. Su formación igualmente dependerá del tipo de espejo encontrado, ya sea cóncavos o convexos.

Etapas de la visión

Percepción: capacidad del ojo para absorber luz de los rayos luminosos de su entorno.

Transformación: es la energía l que se guarda en la córnea, donde se activan las células sensoriales que transforman la luz en energía nerviosa.

Transmisión: los impulsos nerviosos inician su viaje por el nervio óptico hasta el cerebro.

Interpretación: Es cuando elcerebro mezcla e interpreta las imágenes de diferentes ojos donde se transforman en sensaciones visuales.

Discapacidades visuales

Miopía:lapersonanovebiendelejos,yaque la imagen de objetos lejanos se forma delante dela retina. Puedeobservar objetos cercanos, mas no lejanos.

Hipermetropía: El individuo no ve bien de cerca puesto que la imagen de los objetos lejanos se forma detrás de la retina. Observa objetos cercanos, mas no distantes.

Presbicia (vista cansada): no ve bien de cerca por una perdida en la capacidad de la acomodación del cristalino alegado a la edad. Astigmatismo:laimagennopuedeenfocarse en un solo punto. La persona distingue una imagen movida o borrosa. La córnea o cristalino presentan distintas curvaturas para distintos planos.

Técnica de microscopía

La microscopía óptica, basada en que los microscopios amplían las muestras llamadas actualmente microscopía avanzada, pues ha evolucionado proporcionándonos más información acerca de la forma de los materiales y su composición. Utiliza el microscopio confocal con una resolución nanométrica.

La microscopía para el análisis a nivel celular ocurre por el análisis de partículas individuales de crio microscopía electrónica, facilitando el estudio estructuraldeproteínas,

entre otras, donde la muestra es congelada y trabajada en hielo vitreo. Luego se toman imágenes y se digitalizan.

Ventajas y limitaciones de la aplicación de la microscopía relacionada con la óptica

Ventajas Limitaciones

Puede realizarse en células vivas, por lo que posibilita observar las células realizando sus comportamientos normales (migrar o dividirse) bajo el microscopio.

Permite conocer la microestructura de muestras biológicas e inorgánicas por la interacción con un haz de luz, logrando una mejor percepción de la imagen, para percibir claramente ciertos detalles.

El aumento obtenido con microscopios es reducido, debido a la longitud de onda de la luz visible que impone limitaciones.

No pueden realizarse investigaciones profundas por la baja calidad de imagen.

Para abordar el tema de calorimetría, consideramos que puede ser más sencillo comprender la interconexión entre ciencias mediante una historieta.

Aventuras térmicas: salvar a las ranas doradas

Fluidos y su conexión con el mundo acuático

Los fluidos son sustancias que se deforman fácilmente ante fuerzas y pueden existir en diferentes estados, como líquidos y gases.

Conceptos clave

Flotabilidad: es la capacidad de un cuerpo para sostenerse dentro de un fluido. Empuje: es una fuerza opuesta que aparece cuando se sumerge un cuerpo en un fluido. Organismos acuáticos: son quienes viven siempre o gran parte de su vida dentro del agua, sea dulce o salada. Los organismos flotan y mantienen

su flotabilidad

La flotabilidad dependerá del tipo de especie, en general, los peces óseos mantienen su flotabilidad gracias a un órgano conocido como vejiga natatoria con forma de saco ovalado situado en la zona abdominal debajo de la columna vertebral. Se llena de aire por bocanadas, para aquellos peces que tienen conectados el esófago y la vejiga natatoria, o bien mediante difusión de gases desde la sangre a la vejiga. El aire presenta densidad menor que la del agua, provoca un efecto de flotación en los peces; sin embargo, los condrictios (esqueleto cartilaginoso), no poseen vejiga natatoria, por ende, el principal elemento que proporciona un cierto grado de

flotabilidad a los tiburones y las rayas es la presencia de un hígado de grandes dimensionesqueestállenodegrasaso aceites de baja densidad y cuyo componente principal es el escualeno. A pesar de tener este sistema, la mayoría de los tiburones se hunden si dejan de nadar a excepción de algunas especies de aguas profundas que son las que presentan hígados de mayor tamaño.

Aquellos que siguen presentando flotabilidad negativa necesitan otra ayuda para mantener su flotabilidad y lo hacen a través del movimiento. Gracias a la impulsión de la aleta caudal y a la sustentación de las aletas pectorales, consiguen mantener la flotabilidad, por lo que no pueden dejar de nadar o se hundirían.

Los organismos se mueven y desplazan

Los organismos acuáticos se mueven por varios métodos basados en el principio físico del empuje, fuerza ascendente que un objeto experimenta cuando se sumerge en un fluido.

La natación es el método más común de movimiento utilizado por los organismos acuáticos. Los animales acuáticos, pueden moverse en el agua mediante la utilización de sus aletas, cola y músculos para generar empuje y propulsarse hacia adelante.

El planeo es utilizado por algunos organismos acuáticos. Las rayas pueden planear a través del agua utilizando sus grandes alas, deslizándose por el agua en lugar de nadando. Los peces voladores utilizan el planeo para salir del agua y volar a través del aire.

estructuras llenas de gas en su cuerpo para ayudarles a flotar.

La flotación es utilizada por algunos organismos acuáticos. Algunos animales, como las medusas, se mantienen en el agua columnar utilizando bolsas de aire o

Los organismos acuáticos aprovechan el empuje para reducir la cantidad de energía que necesitan para moverse, lo que les permite conservar energía y moverse con mayor eficiencia. Algunos animales acuáticos utilizan el deslizamiento y la flotación para reducir su gasto de energía al moverse a través del agua. Los organismos adaptan la forma de su cuerpo

Estos organismos obtuvieron rasgos especiales parapoder sobrevivir en elentorno que están, para permanecer en homeostasis donde emplearon osmorregulación, lo que significa al contenido de agua y las concentraciones del soluto para llevar a cabo el metabolismo en su cuerpo; también adaptan sus aletas para mejorar la natación para empujes de mayor volumen del agua y

desplazarse mejor lo que les ayuda en su equilibrio.

El movimiento ondulante de los cuerpos de los peces, que produce un empuje hacia delante por la resistencia del agua. Según la teoría de Taylor, cada segmento del pez genera una resistencia mayor en la dirección perpendicular al cuerpo que en la dirección paralela, lo que resulta en una fuerza neta hacia delante.

Los organismos acuáticos pueden nadar de manera eficiente y ahorran energía usando la física de los fluidos.

Algunos factores que influyen en esto son: La gravedad, la rotación de la Tierra y los vientos, que generan corrientes y vórtices en los océanos.

Densidad delagua, queafectaalacirculación oceánica y al flujo de carbono, tomando esto en cuenta, el agua más densa se hunde y el agua menos densa asciende.

Viscosidad del agua, que permite a los organismos generar una fuerza elevadora al cortar el fluido.

Forma del cuerpo de los organismos, que determina la resistencia, la estabilidad y la maniobrabilidad en el agua.

Mucosidad de algunos organismos reduce la fricción turbulenta producida por las irregularidades del mar.

Electricidad en el mundo de la biología

La electricidad es una forma de energía fundamental en nuestra vida, en general, la electricidad se refiere al movimiento de cargas eléctricas, ya sean electrones o iones, mediante un conductor. La electrofisiología es una rama de la biología que se centra en el estudio de los fenómenos eléctricos en los organismos vivos. En esta disciplina, se investiga cómo los iones y las corrientes eléctricas influyen en los procesos biológicos a nivel celular y molecular.

Conceptos fundamentales

Circuito en serie. Sus componentes están conectados en un solo camino, lo que hace que la corriente fluya a través de ellos de manera secuencial.

paso de una corriente eléctrica, y puede ser utilizada para caracterizar sus propiedades eléctricas.

Circuito en paralelo. Los componentes están conectados en dos o más caminos separados, lo que permite que el flujo de corriente se mueva simultáneamente a través deellos.Los circuitos paralelos y en seriecon la propagación de señales eléctricas en los tejidos biológicos se relaciona. La propagación de señales eléctricas en los tejidos biológicos y los circuitos en serie y paralelos serelacionan con labioelectricidad, la electrofisiología y la ley de Ohm. La impedancia eléctrica es una medida de la oposición que presenta un tejido biológico al

Propiedades de los circuitos en serie y en paralelo

Los circuitos en Serie tienen la propiedad de que la intensidad que atraviesa todos los receptores es la misma, y es idéntica a la total del circuito. Y en los paralelos, tienen la mismadiferenciadepotencial(voltaje) ensus extremos. Las capas del tejido biológico consideradasparagenerar elmodeloeléctrico son: piel, grasa, músculo y hueso con sus respectivas características físicas. El modelo eléctrico se apoya en circuitos RC para cada una de las capas, por la analogía con los procesos de conducción eléctrica y la

electroquímica de los tejidos. Estos podrían estar asociados con el almacenamiento de energía, activación de procesos y finalmente, con la estimulación de estructuras biológicas.

Uso los circuitos en serie y paralelo para resolver problemas prácticos relacionados con la electrofisiología

• Podemos usar circuitos en serie para modelar la resistencia eléctrica de una membrana celular y el citoplasma.

• Podrían usarse circuitos en paralelo para modelar la impedancia eléctrica de un tejido compuesto por varias células

Aplicación de los circuitos en serie y paralelo en investigaciones biológicas

Los circuitos en serie y paralelo se utilizan en lainvestigación biológicaparacomprender la propagación de señales eléctricas en los tejidos biológicos, como neuronas y

músculos. Estos circuitos son instrumentos útiles para estudiar como la electricidad fluye por diferentes componentes de los tejidos y cómo se transmiten las señales eléctricas. En un circuito en serie, los componentes se conectan uno tras otro en un solo camino. En elcontexto delainvestigación biológica, esto implica que los elementos de tejido están dispuestos linealmentey la corrienteeléctrica fluye secuencialmente a través de cada uno de ellos. Esto permite analizar cómo se suman o atenúan las señales eléctricas en neuronas, por ejemplo, los circuitos en serie pueden ayudar aentender como las señales se debilitan o amplifican a medida que viajan a lo largo del axón.

Por otro lado, en un circuito en paralelo, los componentes se conectan en diferentes caminos o ramas. En el contexto de la investigación biológica, esto implica que los elementos de tejido están organizados en ramificaciones, y la corriente eléctrica se divide en diferentes caminos. Esto permite estudiar cómo se distribuyen las señales eléctricas en diferentes partes del tejido y

cómo interactúan entresí. En elestudio delos músculos, por ejemplo, los circuitos en paralelo pueden ayudar a comprender cómo las señales eléctricas se propagan y se sincronizan en diferentes fibras musculares.

Electroencefalografía: es una exploración neurofisiológica que se basa en el registro de la actividad bioeléctrica cerebral en condiciones basales de reposo, vigilia o sueño, y durante diversas activaciones mediante un equipo de electroencefalografía.

Ejemplos de técnicas y dispositivos que se utilizan en la electrofisiología para medir la actividad eléctrica en los tejidos biológicos.

Electrocardiograma: es la representación visual de la actividad eléctrica del corazón en función del tiempo, que se obtiene, desde la superficie corporal, en el pecho, con un electrocardiógrafo en forma de cinta continua.

Electromiografía:técnicaderegistro gráfico de la actividad eléctrica producida por los músculos esqueléticos. Puede ser monitoreado a través de electrodos intramusculares o electrodos superficiales.

Electrooculograma: consiste en colocar pequeños electrodos cercadelos músculos de los ojos para medir el movimiento de estos. Este examen es utilizado en la polisomnografía.

Diagramas Explicativos Óptica Geométrica

Fluidos y su conexión con el mundo acuático

Electricidad en el mundo de la biología

Recomendaciones para promover interacciones fluidas entre físicos y biólogos

➢ Fomentar una educación interdisciplinaria en la que se ofrezcan programas de estudio que entrelacen la física con la biología.

➢ Promover la colaboración en proyectos investigativos, en el que se aborden temas de gran complejidad, se propongan ideas del funcionamiento o del problema según el punto de vista de la ciencia y se trabaje en conjunto para ofrecer soluciones coherentes y completas.

➢ Organizar conferencias y seminarios interdisciplinarios en los que se compartan temas de interés, se intercambien conocimientos y experiencias vividas. Colaboración

interdisciplinaria

Promover lacolaboración interdisciplinariaentrefísicos y biólogos es claveparafomentar avances significativos en la investigación científica. Aquí hay algunas estrategias para fomentar esta colaboración:

➢ Comunicación y divulgación: Organizar conferencias, seminarios y talleres que aborden temas de interés común entre físicos y biólogos. Esto permitirá que ambas comunidades compartan conocimientos, perspectivas y descubrimientos recientes. Además, promover la divulgación científica interdisciplinaria a través de publicaciones y eventos públicos puede ayudar a generar interés y comprensión entre los investigadores de ambas disciplinas.

➢ Establecer colaboraciones y proyectos conjuntos: Fomentar el desarrollo de proyectos de investigación en los cuales físicos y biólogos trabajen en conjunto. Esto puede lograrse mediante la creación de programas de financiamiento específicos para proyectos interdisciplinarios, que fomenten la formación de equipos mixtos y promuevan la interacción entre ambas disciplinas.

➢ Programas de educación interdisciplinaria: Fomentar la participación de estudiantes de física y biología en programas de educación que combinen contenidos y enfoques de ambas disciplinas. Esto permitirá que los futuros científicos adquieran una sólida formación en ambas áreas, estimulando la colaboración interdisciplinaria desde las etapas más tempranas de su carrera.

➢ Crear espacios de encuentro: Establecer espacios físicos y virtuales donde físicos y biólogos puedan interactuar y discutir. Esto puede incluir la creación de centros de investigación o laboratorios conjuntos, así como plataformas en línea donde los investigadores puedan intercambiar ideas, plantear preguntas y buscar colaboradores.

Secciónquedestacalaimportanciadelacolaboracióninterdisciplinariaycómo puede conducir a avances significativos en la investigación científica

La importancia de la investigación científica interdisciplinaria radica en que combina diferentes disciplinas y enfoques para abordar un problema o cuestión desde múltiples perspectivas. Esto permite una comprensión más completa y holística de un fenómeno, ya que cada disciplina aporta su propia experiencia, herramientas y teorías.

La investigación interdisciplinaria puede conducir a avances significativos en la ciencia de varias maneras:

❖ Resolución de problemas complejos: Al combinar conocimientos y métodos de distintas disciplinas, se pueden abordar problemas complejos que no pueden ser resueltos utilizando un enfoque mono-disciplinario. Esto permite identificar conexiones y relaciones que pueden haber sido pasadas por alto.

❖ Innovación y descubrimiento de nuevos conocimientos: La colaboración entre diferentes disciplinas puede llevar a la creación de ideas innovadoras y al descubrimiento de nuevos conocimientos. Al combinar diferentes perspectivas y enfoques, se pueden generar ideas frescas y soluciones creativas.

❖ Mejora de la aplicabilidad y relevancia de la investigación: Al integrar diferentes disciplinas, la investigación puede ser más aplicable y relevante para abordar problemas del mundo real. Esto puede conducir al desarrollo de soluciones más viables y sostenibles.

❖ Cierre de brechas de conocimiento: En muchas ocasiones, ciertas áreas de investigación pueden haber sido descuidadas debido a la falta de enfoque o interés en una disciplina en particular. La investigación interdisciplinaria permite cerrar estas brechas de conocimientos, al facilitar la integración de diferentes perspectivas y métodos.

❖ Solución de problemas sociales y globales: Muchos problemas actuales, como el cambio climático, la pobreza o las enfermedades, son complejos y requieren de enfoques interdisciplinarios para su resolución. La colaboración entre diversas disciplinas puede proporcionar una visión más completa y realista de estos problemas y ayudar a encontrar soluciones más efectivas.

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