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17.2: Diagramas de fase - Biología

17.2: Diagramas de fase - Biología


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Los principios se pueden visualizar en diagramas de fase, con flechas que muestran cómo cambian las poblaciones. Sin embargo, para las especies que viven juntas, la capacidad de carga de cada una se reduce ligeramente, quizás entre un 10 y un 20 por ciento.

En este caso, por cierto, las dos especies juntas tienen una población total más alta que la que tendría si alguna de las dos viviera sola. Esto se llama "rendimiento excesivo" y es un tema recurrente en los estudios de comunidades de plantas.

La figura 17.1.3 muestra una situación similar, pero ahora con los términos de interacción entre especies (s_ {1,2} ) y (s_ {2,1} ) ambos positivos, mostrados por las pendientes positivas en los dos diagramas de la parte superior izquierda de la figura. Parece bastante similar a la figura 17.1.2, pero los dos juntos son cada uno más abundantes de lo que serían separados: el equilibrio conjunto es mayor que las capacidades de carga individuales.

Este equilibrio conjunto se puede calcular a partir de los parámetros (r_i ) y (s_ {i, j} ). Ocurrirá cuando el crecimiento de cada especie llegue simultáneamente a 0. Puede encontrar el valor numérico de este equilibrio con lápiz y papel estableciendo la tasa de crecimiento de la primera especie en 0, resolviendo las poblaciones de la Especie 1, sustituyéndola en la ecuación de Especie 2, y resolviendo cuando el crecimiento de esa especie llegue a 0. Alternativamente, puede plantear el problema a un programa de matemáticas simbólicas y pedirle que resuelva las dos ecuaciones simultáneamente. En cualquier caso, comenzaría con ambas tasas de crecimiento establecidas en cero en el equilibrio,

[ frac {1} {N_1} frac {dN_1} {dt} , = , r_1 , + , s_ {1,1} N_1 , + , s_ {1,2} N_2 , = , 1.2 , - , 1N_1 , + 0.1N_2 , = , 0 ]

[ frac {1} {N_2} frac {dN_2} {dt} , = , r_2 , + , s_ {2,2} N_2 , + , s_ {2,1} N_1 , = , 0.8 , - , 1N_2 , + 0.1N_1 , = , 0 ]

y terminan con (N_1 ) = 1.2929 y (N_2 ) = 0.929.

A medida que los mutualismos se vuelven más fuertes, lo que significa que las interacciones interespecíficas se vuelven más positivas, el punto de equilibrio se aleja más. Puede ser muy grande, como en la Figura 17.1.4, pero, en el mutualismo restringido, el equilibrio es finito y computable a partir de los parámetros de las especies individuales.

Por otro lado, cuando los términos de mejora entre especies son aún más fuertes, se produce una bifurcación y el equilibrio conjunto deja de existir en absoluto. (Figura 17.1.5). El punto de equilibrio calculado, en efecto, se ha movido al infinito, o en un sentido más allá, lo que significa que la capacidad de carga no se puede calcular a partir de los parámetros de las especies y sus interacciones. Se necesita más información sobre el sistema.

Más allá de esto, los mutualistas pueden volverse más dependientes entre sí, de modo que los términos (r_i ) se vuelven más pequeños, como en la Figura 17.1.6, o negativos, como en la Figura 17.1.7. El mutualismo puede ser desenfrenado incluso si las tasas de crecimiento intrínsecas (r_i ) son negativas. Lo que surge es una especie de punto de Allee, donde las poblaciones huyen si comienzan por encima de ese punto, pero declinan hasta la extinción si comienzan por debajo.


Aplicaciones de la luz basadas en ondas

En 1917, Albert Einstein pensaba en fotones y átomos excitados. Consideró un átomo excitado por una cierta cantidad de energía y lo que sucedería si ese átomo fuera golpeado por un fotón con la misma cantidad de energía. Sugirió que el átomo emitiría un fotón con esa cantidad de energía, y estaría acompañado por el fotón original. La parte emocionante es que tendrías dos fotones con la misma energía y estarían en fase. Esos fotones podrían llegar a golpear otros átomos excitados y pronto tendrías una corriente de fotones en fase. Se dice que tal corriente de luz es coherente. Unas cuatro décadas después, la idea de Einstein encontró aplicación en un proceso llamado, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Tome las primeras letras de todas las palabras (excepto por y "de") y escríbalos en orden. Tu entiendes la palabra láser (ver Figura 17.2 (a)), que es el nombre del dispositivo que produce tal haz de luz.

Los rayos láser son direccionales, muy intensos y estrechos (solo alrededor de 0,5 mm de diámetro). Estas propiedades dan lugar a una serie de aplicaciones en la industria y la medicina. Los siguientes son solo algunos ejemplos:

  • Este capítulo comenzó con una imagen de un disco compacto (consulte la Figura 17.1). Esos dispositivos de almacenamiento de datos y audio comenzaron a reemplazar las cintas de casete durante la década de 1990. Los CD se leen interpretando las variaciones en los reflejos de un rayo láser desde la superficie.
  • Algunos lectores de códigos de barras utilizan un rayo láser.
  • Los láseres se utilizan en la industria para cortar acero y otros metales.
  • Los láseres rebotan en los reflectores que los astronautas dejaron en la Luna. El tiempo que tarda la luz en realizar el viaje de ida y vuelta se puede utilizar para realizar cálculos precisos de la distancia Tierra-Luna.
  • Los rayos láser se utilizan para producir hologramas. El nombre holograma significa imagen completa (del griego holo-, como en holístico), porque la imagen es tridimensional. Un espectador puede moverse por la imagen y verla desde diferentes perspectivas. Los hologramas aprovechan las propiedades ondulatorias de la luz, a diferencia de la fotografía tradicional que se basa en la óptica geométrica. Una imagen holográfica se produce por la interferencia constructiva y destructiva de un rayo láser dividido.
  • Una de las ventajas de utilizar un láser como herramienta quirúrgica es que se acompaña de muy poco sangrado.
  • La cirugía ocular con láser ha mejorado la visión de muchas personas, sin necesidad de lentes correctivos. Se utiliza un rayo láser para cambiar la forma del cristalino del ojo, cambiando así su distancia focal.

Física virtual

Láseres

Esta animación le permite examinar el funcionamiento de un láser. Primero vea la imagen de un láser real. Cambie la energía de los fotones entrantes y vea si puede igualarla a un nivel de excitación que produzca pares de fotones coherentes. Cambie el nivel de excitación e intente igualarlo con la energía del fotón entrante.

En la animación solo hay un átomo excitado. ¿Es ese el caso de un láser real? Explicar.

  1. No, un láser tendría dos átomos excitados.
  2. No, un láser tendría varios millones de átomos excitados.
  3. Sí, un láser solo tendría un átomo excitado.
  4. No, un láser tendría del orden de 10 23 átomos excitados.

Algo interesante sucede si pasa la luz a través de una gran cantidad de rendijas paralelas espaciadas uniformemente. Tal disposición de rendijas se llama rejilla de difracción. Se crea un patrón de interferencia que es muy similar al formado por difracción de doble rendija (ver Figura 17.8 y Figura 17.10). Se puede fabricar una rejilla de difracción raspando el vidrio con una herramienta afilada para formar una serie de líneas paralelas colocadas con precisión, que actúan como rendijas. Las rejillas de difracción funcionan tanto para la transmisión de luz, como en la Figura 17.15, como para la reflexión de la luz, como en las alas de mariposa o el ópalo australiano que se muestra en la Figura 17.16, o el CD que se muestra en la ilustración inicial de este capítulo. Además de su uso como elementos novedosos, las rejillas de difracción se utilizan comúnmente para la dispersión espectroscópica y el análisis de la luz. Lo que los hace particularmente útiles es el hecho de que forman un patrón más nítido que las ranuras dobles. Es decir, sus regiones brillantes son más estrechas y brillantes, mientras que sus regiones oscuras son más oscuras. La figura 17.17 muestra gráficos idealizados que demuestran el patrón más nítido. Las rejillas de difracción natural se encuentran en las plumas de ciertas aves. Pequeñas estructuras parecidas a dedos en patrones regulares actúan como rejillas de reflexión, produciendo una interferencia constructiva que le da a las plumas colores no solo debido a su pigmentación. El efecto se llama iridiscencia.

Laboratorio de Snap

Rejilla de difracción

  1. Sostenga el CD a la luz directa del sol cerca de la pared y muévalo hasta que aparezca un patrón circular de arco iris en la pared.
  2. Mide la distancia desde el CD a la pared y la distancia desde el centro del patrón circular hasta un color en el arco iris. Utilice esas dos distancias para calcular tan θ tan θ. Encuentra pecado θ pecado θ.
  3. Busque la longitud de onda del color que eligió. Eso es λ λ.
  4. Resuelva d sin θ = m λ d sin θ = m λ para D.
  5. Compare su respuesta con el espaciado habitual entre las pistas de un CD, que es de 1.600 nm (1,6 μm).

¿Cómo sabes qué número usar? metro?

  1. Cuente los anillos del arco iris que preceden al color elegido.
  2. Calcular metro de la frecuencia de la luz del color elegido.
  3. Calcular metro a partir de la longitud de onda de la luz del color elegido.
  4. El valor de metro se fija para cada color.

Diversión en física

Reproductores de CD

¿Puede ver las ranuras en un CD o DVD (consulte la Figura 17.18)? Puede pensar que puede porque sabe que están allí, pero son extremadamente estrechos: 1,600 en un milímetro. Debido a que el ancho de las ranuras es similar a las longitudes de onda de la luz visible, forman una rejilla de difracción. Por eso ves arcoíris en un CD. Los colores son atractivos, pero son secundarios a las funciones de almacenamiento y recuperación de audio y otros datos.

Las ranuras son en realidad una ranura continua que gira en espiral hacia afuera desde el centro. Los datos se registran en las ranuras como código binario (ceros y unos) en pequeños pozos. La información en los hoyos es detectada por un láser que rastrea a lo largo del surco. Se vuelve aún más complicado: la velocidad de rotación debe variarse a medida que el láser avanza hacia la circunferencia para que la velocidad lineal a lo largo de la ranura permanezca constante. También hay un mecanismo de corrección de errores para evitar que el rayo láser se desvíe. Se utiliza una rejilla de difracción para crear los dos primeros máximos a cada lado de la pista. Si esos máximos no están a la misma distancia de la pista, se indica un error y luego se corrige.

Los hoyos son reflectantes porque se han recubierto con una fina capa de aluminio. Eso permite que el rayo láser se refleje y se dirija hacia un detector de fotodiodo. Luego, la señal se puede procesar y convertir al audio que escuchamos.

La longitud de onda más larga de luz visible es de aproximadamente 780 nm. ¿Cómo se compara eso con la distancia entre las ranuras de un CD?

  1. Las ranuras son aproximadamente 3 veces la longitud de onda más larga de la luz visible.
  2. Las ranuras son aproximadamente 2 veces la longitud de onda más larga de la luz visible.
  3. Las ranuras son aproximadamente 2 veces la longitud de onda más corta de la luz visible.
  4. Las ranuras son aproximadamente 3 veces la longitud de onda más corta de la luz visible.

Enlaces a la física

Biología: Microscopía DIC

Si fueras completamente transparente, sería difícil reconocerte por tu fotografía. El mismo problema surge cuando se usa un microscopio tradicional para ver o fotografiar pequeños objetos transparentes como células y microbios. Los microscopios que usan contraste de interferencia diferencial (DIC) resuelven el problema al hacer posible ver objetos microscópicos con contraste mejorado, como se muestra en la Figura 17.19.

Un microscopio DIC separa una fuente de luz polarizada en dos haces polarizados en ángulo recto entre sí y coherentes entre sí, es decir, en fase. Después de pasar por la muestra, los haces se recombinan y realinean para que tengan el mismo plano de polarización. Luego crean un patrón de interferencia causado por las diferencias en su camino óptico y los índices de refracción de las partes de la muestra por las que pasaron. El resultado es una imagen con contraste y sombras que no se podía observar con la óptica tradicional.

¿Dónde se utilizan las rejillas de difracción? Las rejillas de difracción son componentes clave de los monocromadores, dispositivos que separan las distintas longitudes de onda de la luz entrante y permiten que pase un rayo con sólo una longitud de onda específica. Los monocromadores se utilizan, por ejemplo, en la formación de imágenes ópticas de longitudes de onda particulares de muestras biológicas o médicas. Se puede elegir una rejilla de difracción para analizar específicamente una longitud de onda de luz emitida por moléculas en células enfermas en una muestra de biopsia, o para ayudar a excitar moléculas estratégicas en la muestra con una frecuencia de luz seleccionada. Otro uso importante es en tecnologías de fibra óptica donde las fibras están diseñadas para proporcionar un rendimiento óptimo en longitudes de onda específicas. Se encuentra disponible una gama de rejillas de difracción para seleccionar longitudes de onda específicas para tal uso.

Las rejillas de difracción se utilizan en espectroscopios para separar una fuente de luz en sus longitudes de onda componentes. Cuando un material se calienta a incandescencia, emite longitudes de onda de luz características de la composición química del material. Una sustancia pura producirá un espectro único, lo que permitirá la identificación de la sustancia. Los espectroscopios también se utilizan para medir longitudes de onda tanto más cortas como más largas que la luz visible. Estos instrumentos se han vuelto especialmente útiles para astrónomos y químicos. La figura 17.20 muestra un diagrama de un espectroscopio.

La luz se difracta a medida que se mueve por el espacio, se dobla alrededor de los obstáculos e interfiere de manera constructiva y destructiva. Si bien la difracción permite utilizar la luz como herramienta espectroscópica, también limita el detalle que podemos obtener en las imágenes.

La figura 17.21 (a) muestra el efecto de pasar luz a través de una pequeña abertura circular. En lugar de un punto brillante con bordes afilados, se obtiene un punto con un borde difuso rodeado de círculos de luz. Este patrón es causado por una difracción similar a la producida por una sola rendija. La luz de diferentes partes de la apertura circular interfiere constructiva y destructivamente. El efecto es más notable cuando la apertura es pequeña, pero el efecto también está ahí para aperturas grandes.

¿Cómo afecta la difracción al detalle que se puede observar cuando la luz pasa a través de una apertura? La figura 17.21 (b) muestra el patrón de difracción producido por dos fuentes de luz puntuales que están cerca una de la otra. El patrón es similar al de una fuente de un solo punto, y apenas es posible decir que hay dos fuentes de luz en lugar de una. Si están más juntos, como en la Figura 17.21 (c), no puede distinguirlos, lo que limita el detalle o la resolución que puede obtener. Ese límite es una consecuencia ineludible de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Hay muchas situaciones en las que la difracción limita la resolución. La agudeza de la visión es limitada porque la luz pasa a través de la pupila, la apertura circular del ojo. Tenga en cuenta que la difusión de la luz similar a la difracción se debe al diámetro limitado de un haz de luz, no a la interacción con una apertura. Así, la luz que pasa a través de una lente con un diámetro de D muestra el efecto de difracción y se difunde, difuminando la imagen, al igual que la luz pasa a través de una abertura de diámetro D lo hace. La difracción limita la resolución de cualquier sistema que tenga una lente o espejo. Los telescopios también están limitados por la difracción, debido al diámetro finito, D, de su espejo principal.


Las hormonas esteroides se derivan del colesterol lipídico. Por ejemplo, las hormonas reproductivas testosterona y los estrógenos, que son producidos por las gónadas (testículos y ovarios), son hormonas esteroides. Las glándulas suprarrenales producen la hormona esteroide aldosterona, que participa en la osmorregulación, y cortisol, que desempeña un papel en el metabolismo.

Como el colesterol, las hormonas esteroides son hidrófobas (no solubles en agua). Debido a que la sangre es principalmente agua, las hormonas derivadas de lípidos deben viajar a la célula diana unidas a una proteína de transporte. La unión a las proteínas de transporte prolonga la vida media de las hormonas esteroides más allá de la de las hormonas derivadas de los aminoácidos. La vida media de una hormona es el tiempo necesario para que se degrade la mitad de la concentración de la hormona. Por ejemplo, la hormona cortisol derivada de lípidos tiene una vida media de aproximadamente 60 a 90 minutos. Por el contrario, la epinefrina, una hormona derivada de aminoácidos, tiene una vida media de aproximadamente un minuto.


Figura 4.13.13 Citocinesis mitótica.

Citocinesis es la etapa final de la división celular. Durante la citocinesis, el citoplasma se divide en dos y la célula se divide, como se muestra a continuación. En las células animales, la membrana plasmática de la célula madre se aprieta hacia adentro a lo largo del ecuador de la célula hasta que se forman dos células hijas. Por lo tanto, el objetivo de la mitosis y la citocinesis ahora está completo, porque una célula madre ha dado lugar a dos células hijas. Las células hijas tienen los mismos cromosomas que la célula madre.

Figura 4.13.14 Diagrama que muestra el paso final de la división celular: citocinesis.


Ver el vídeo: DIAGRAMA DE FASES (Enero 2023).