UNIDAD 1 Sistemas biofísicos mecánicos

Sistemas biofísicos mecánicos

Magnitudes y medidas

“Medir es comparar la magnitud física que se desea cuantificar con una cantidad patrón que se denomina unidad, el resultado de una medición indica el número de veces que la unidad está contenida en la magnitud que se mide” (cepeda, 2013)

No todas las características o simplemente entidades en un cuerpo o elemento pueden ser medidos bajo una estricta ley de medición ya que no son cuantificables de por sí (alegría, tristeza, amor etc.), aquellos que si pueden ser medidos se denominan magnitudes físicas.

Clasificación:

Mag. Fundamentales: Estas son independientes de otros tipos de medidas, indican un patrón o seguimiento de la medición de un cuerpo o entidad: Masa, temperatura, longitud

Mag. Derivadas: estas magnitudes como su nombre lo dice dependen de otras medidas para poder efectuarse ya que a través de procedimientos matemáticas se logran medirlas. Por ejemplo: la velocidad que se expresa en factor de tiempo o el volumen de un cuerpo que se deriva al elevar al cubo una unidad de longitud, lo mismo ocurren con las medidas de superficie que elevan la longitud al cuadrado. (cepeda, 2013)

Sistema Internacional de Medidas

A principios la medición podría haberse basado en el cuerpo humano, como medir la longitud de la cabeza de una persona, esto se vio mejorando en todas las personas y por último las mediciones se compartían de ciudad en ciudad o incluso otros países, pero había un problema, existía una notable diversidad en las mediciones con respecto a la manera en cómo se exponían, es cuando la Academia de ciencias de Francia decidió hacer un cuadro que contenía distintas medidas de longitud el cual se podían derivar otras medidas a usar, este sistema fue el sistema internacional de medidas que actualmente se usa. (cepeda, 2013)

Algunas de las medidas más usadas.

Longitud

Esta unidad permite medir el largo, ancho y alto de las cosas, es decir, es una medida dada para las dimensiones de los objetos, esta unidad está representada con el metro que vendría ser su unidad funcional y establece relaciones con otras medidas como las de superficie o metros cúbicos que son usadas para medir la cantidad de líquido contenida en un recipiente. (cepeda, 2013) En medicina se usa para medir el tamaño de los órganos del cuerpo humano representados por el metro, así le permite al usuario saber las medidas correctas de un órgano específico y diferenciarlos de un órgano enfermo ya que suelen incrementar de tamaño o disminuir en caso de fluidos

Figure 2: Se muestra las diferentes mediciones de cuerpos microscópicos usados en biología

Fuente: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/contratapa/aprendiendo/capitulo5.htm

Masa

Una de las unidades que más se usa en química es la masa, en términos de definición la masa es la cantidad de materia que puede tener un cuerpo discriminando la gravedad u otras entidades, esto es inespecífico ante la materia ya que pueden ser medidas de igual forma para el estado sólido, líquido, gaseoso o plasma, la cantidad es la que puede variar entre un objeto a otro, toda esta medida es representada en Newtons (N). Sin embargo el Peso es similar a la masa pero en este caso no se está discriminando la gravedad ya que se calcula o define como la masa para la gravedad, así estableciéndose un peso determinar para un objeto que es distinto si está en la Tierra o el espacio exterior que no posee gravedad. (cepeda, 2013)

Tiempo

El Tiempo es una magnitud física fundamental, se denomina tiempo a un lapso dentro de una línea que transcurre sin detenerse, este lapso mide cuanto ha pasado de un punto a otro y permite controlar en sí la cantidad de trayectoria temporal que se necesita para llegar de un punto a otro en relación al movimiento. La unidad de tiempo seleccionada es el segundo, éste último se define como la 86.400 ava parte del día solar medio.

También puede denominarse al tiempo como algo relacionado con el espacio según la teoría de relatividad de Einstein en donde nos dice que el espacio no tiene tres dimensiones y el tiempo no es una entidad separada a esta, ambos son buenos amigos que se relacionan mutuamente constituyendo un arquetipo cuatridimensional. (Capra, 2006)

La unidad de tiempo tiene múltiplos y sub-múltiplos, tales como un día equivale a 24 horas, la hora equivale a 60 minutos, el minuto equivale a 60 segundos

Figure 3: Mitosis celular medida en tiempo por minutos.

Fuente: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/contratapa/aprendiendo/capitulo5.htm

Fuerza

En conceptos de la mecánica la fuerza vendría a ser definida como empuje o esfuerzo, nosotros ejercemos una fuerza para modificar, sostener o trasladar un objeto de un lado a otro usando nuestra fuerza muscular o con la ayuda de aparatos mecánicos, esto bajo un régimen de esfuerzo y trabajo.

“En física, fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo” (Perez J. , 2007)

Según la definición que hace la física de este concepto, la fuerza es el resultado de la masa de algo por su aceleración (F= masa x aceleración) y que dependiendo de la perspectiva y de los resultados se dividen en tres tipos de fuerzas:

Eléctrica (se realiza con una fuente de energía que se mueve a una velocidad determinada dentro de un campo magnético, transformando la energía en electricidad);

Mecánica (se produce en un objeto determinado y se ejerce una fuerza bajo una intensidad el cual cambia el estado del objeto);

Magnética (dada por polos opuestos que generan atracción magnética como por ejemplos los imanes).

 “El efecto que produzca la fuerza sobre un cuerpo puede ser: modificación en el estado del movimiento (una pelota viene rodando en una dirección y alguien la patea en sentido contrario), en su velocidad (alguien empuja una hamaca hacia atrás para que al lanzarla aumente su velocidad) o en la forma del receptor (la masa de pizza al ser amasada cambia su forma)” (Perez J. , 2012)

Figure 4: Tipos de fuerzas dependiendo de factores Como el peso u otras magnitudes

Energía

Se define como la propia capacidad para tiene un cuerpo para ejercer un trabajo, generalmente se puede representar como unidades de trabajo (Kilojoules o Joules). Todo sistema homeostático del cuerpo humano desde la más mínima síntesis proteica hasta la máxima cantidad de reciclado celular necesita de combustible para que logre su finalidad, este combustible es la energía que producen ciertos alimentos al ser digeridos en el cuerpo humano o sacado de la gran reserva energética que poseemos en el interior. La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. (Cruz, 2014)

Energía potencial (energía almacenada)

También denominada energía almacenada en los enlaces químicos que por lo tanto incluye energía química y permite mantener unidas a las partículas de una moléculas mediante enlaces (iónicos, fosfodiester, diester etc), también incluye una energía almacenada en un cuerpo relacionado con su posición (altura)

Energía cinética (energía en acción)

Denominada energía en movimiento, puede darse como forma de luz (fotones), de calor (movimiento de moléculas que incrementan su velocidad cuando incrementa el calor) y el movimiento mecánico de objetos grandes. (Cruz, 2014)

Según su origen puede ser:

Energía Química:

Puede definirse como la energía que es usada en una célula que requiere gran cantidad de aporte energético continuamente, esta energía puede impulsar una reacción metabólica como en la fotosíntesis donde la energía solar se transforma en energía química y esta sirve para crear oxígeno en los cloroplastos, la energía química se libera del mitocondrias almacenada en la glucosa. (Audersick, 2013)

Figure 9: Fotosíntesis donde se capta energía liberada por glucolisis

Energía nuclear:

Es aquella que puede ser liberada sin ninguna interrupción de manera natural o artificial como resultado de una reacción de tipo nuclear, se puede obtener bajo dos procesos denominados fusión y fisión nuclear. Se denomina también como el proceso en el cual la masa de una partícula se transforma en energía.  (cepeda, 2013)

Fusión Nuclear

La Fusión nuclear es cuando se obtiene un núcleo complejo a partir de dos átomos ligeros cambiando la estructura atómica. Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía a temperaturas extremadamente altas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma ya que pierde su composición que antes poseía.

Figure 10: Fusión de partículas ligeras para constituir una molécula compleja

Fuente: http://culturacientifica.com/2015/01/30/que-100-anos-no-es-nada-o-por-que-aun-no-tenemos-una-central-nuclear-de-fusion/

Fisión Nuclear

Es el proceso de desintegración dado a un núcleo inestable para producir núcleos menos pesados y que sean más estables liberando así mucha energía en el proceso. Se logra esta separación mediante la acribrillacion con otras partículas generalmente neutrones ya acelerados que les confiere una energía cinética necesaria para chocar con el núcleo inestable y que así se forme una ruptura de este mismo. (cepeda, 2013)

                            

Energía eléctrica:

Es un tipo de energía que se obtiene cuando se ha frotado un cuerpo de otro con naturaleza distinta quedando uno positivo (pierde electrones) y otro con carga negativa (gana electrones), esto quiere decir que estos dos cuerpos se van a arrebatar electrones constantemente, a esto se le denomina electricidad estática porque queda contenida en el cuerpo. Cuando se rompen este equilibrio de la carga neutra que posee todo cuerpo por frotamiento quedan expuestas las cargas positivas y negativas. (Barone, 2004)

Existen en el medio materiales conductores de electricidad tales como el cobre, aluminio, hierro entre otros, el cuerpo humano es un gran conductor eléctrico andante gracias a las cualidades que poseen las células de contener en su composición un 80% de agua aparte de ciertas áreas como el tejido que poseen cargas neutras. (Barone, 2004)

Leyes de la termodinámica

En los seres vivos la conservación de su energía va a estar gobernadas por las tres leyes, aquí se usa el término sistema para referirse a los cuerpos ya estén vivos o no, estas se subdividen en:

Sistema cerrado: puede compartir energía pero la masa está restringida con el medio externo.

Sistema abierto: comparte energía con el medio que lo rodea al igual que la masa  realizando el sistema de equilibrio de la ley termodinámica.

Sistema asilado: no existe ninguna clase de intercambio con el medio externo.

Figure 6: Tipos de sistemas según la ley de la termodinámica indicando la relación del medio interno de un objeto con el medio externo

Primera ley

Es llamado como el principio de la conservación de la energía que “establece que la energía del universo permanece constante”, es decir que la energía al igual que la materia no se crea ni se destruye más se transforma en otros tipos de energía a partir de un proceso, es por eso que los organismos no pueden crear su propia energía para subsistir sino que deben capturarla del medio externo para luego usarla en sus diferentes procesos. (Cruz, 2014)

En el ser humano la acción de la digestión transforma mecánicamente y químicamente las diferentes comidas del día en energía que luego podrá usar para los procesos químicos, un porcentaje de esta energía será usada como almacenamiento (grasas) en los músculos para usarse como reservorio en caso de alguna emergencia.

Figure 7: Sistema digestivo en el cuerpo humano conformado por diferentes órganos

Segunda ley

“La entropía en el universo aumenta”, los sistemas tienden a un estado de equilibrio, lo que indica que cuando una energía se transforma en otra no lo hace totalmente ya que hay una pequeña porción que se transforma en calor, esto indica que aquella energía va a perderse en el ambiente en forma de calor por lo tanto la cantidad de energía usable para realizar un trabajo disminuye en el universo, esto no significa que la energía se va a destruir sino que disminuye tan solo la energía utilizable mas no la energía en sí como entidad ya que la parte inservible queda reducida en calor. A este nivel de desorden en el universo se le denomina entropía y rige la manera desequilibrada de la energía. (Cruz, 2014)

Figure 8: Mecanismo del hipotálamo que activa la sudoración cuando incrementa la temperatura.

Señales eléctricas de las células nerviosas

La membrana celular tiende a ser definida como un condensador eléctrico porque comprende capas externas e internas que llevan cargas iónicas, una negativa y otra positivas pero llevan un aislante natural eléctrico que vendría a ser la capa de lípidos. (FitzGerald, 2012)

La naturaleza de una membrana en reposo de una neurona se genera por las diferencias en la cantidad de Sodio y Potasio esparcidas dentro y fuera de la célula, esto es de tal manera que en la membrana en reposo no conduce impulsos aún y están valorados bajo la estricta escala de -70 mV. (FitzGerald, 2012)

Una respuesta a una estimulación estaría dada por el potencial de acción pero ¿Cómo es este mecanismo?, las neuronas suelen interactuar a través de sinapsis químicas donde la llegada de potenciales de acción o espigas a estructuras denominadas botones sinápticos provoca la liberación de un neurotransmisor. Esta sustancia cruza la hendidura sináptica y activa los receptores de una célula blanco y llamada también Diana, como consecuencia se altera el nivel de polarización de estas células, los receptores que se activan aumentan el potencial de membrana más allá del valor de reposo (-70mV), mediante un proceso llamado Hiperpolarización, ahora los transmisores que se han excitado reducen su potencial de 

membrana a través de un proceso llamado despolarización. (FitzGerald, 2012)

Figure 12: Cuadro sobre el proceso de Sinapsis eléctrica de una Neurona para el transporte del Neurotransmisor

Energía mecánica:

Es la Suma de energía potencial y cinética, la primera asociada con un cuerpo que posee altura o no se mueve y la segunda es en movimiento, el cuerpo en cinética estará relacionada con la velocidad con la que se mueve y el peso que posee, otra forma de ejercer energía potencial estaría dado por algo “elástico” que conserva su energía al estirarse. (Perez J. , 2007)

                                       

Elasticidad y resistencia de los tejidos humanos

Tejido epitelial

Se puede hallar de dos formas, como hojas continuas  que cubren al cuerpo en su superficie externa denominado epitelio propiamente dicho y como cubierta en glándulas invaginadas de células epiteliales. Este tipo de tejido realiza funciones como la protección de estructuras blandas, el transporte celular, la secreción de hormonas y enzimas y por último la absorción de alimentos. La microscopia puede revelar unas zonas donde cada célula está en contacto con otra, esto define la resistencia celular de este tejido ya que posee las barreras terminales, que no son otra cosa que complejos de unión que pueden ser ocluyentes (forma una barrera impermeable), de fijación (pueden preservar la adherencia entre células) y por supuesto comunicantes (que le permiten el paso de uniones entre células formando verdaderos canales comunicantes.

Un gran ejemplo de resistencia y estabilidad celular estaría señalado por los Desmosomas que son máculas adherentes marcados como puntos de soldadura que unen dos células lateralmente, estas pueden ser separadas por Quelante de Calcio lo que marcaría el fin de la capacidad de resistencia de esta placa. (Gartner, 2007)

Tejido conectivo o Conjuntivo

Es una capa intermedia entre el tejido epitelial y el muscular o nervioso, se compone de células y matriz extracelular integrada por la sustancia base y que también posee fibras. Tiene como funciones proporcionar el soporte estructural al cuerpo (su resistencia mayor al epitelio como por ejemplo el tejido Óseo), servir como un medio de intercambio, regulación térmica, defiende al cuerpo a través del tejido linfoide y crea depósitos de grasas a través del tejido graso.

Posee una Matriz extracelular que contiene fibras y sustancia base las cuales pueden resistir la comprensión y el estiramiento, sus fibras son de colágena y elásticas, la primera no tiene elasticidad pero posee una gran fuerza de tensión, las fibras elásticas poseen elastina y miofibrillas lo que le permite que no se rompan al momento de un estiramiento. Este tejido también posee células fijas y móviles como los fibroblastos, células adiposas, pericitos, macrófagos, linfoide, basófilos, neutrófilos entre otras. (Gartner, 2007)

Existen tejidos especializados que poseen elasticidad propia como el cartílago. El cartílago poseen células denominados condrocitos que derivan de los condroblastos rodeados por matriz, este tejido no es vascularizado, dentro de su clasificación existen subtejidos más elásticos que otros, El cartílago hialino es el más abundante y le provee de una movilidad a los órganos que contienen como la parte cartilaginosa de la nariz ya que esta posee colágena tipo 2. El cartílago elástico posee fibras elásticas como el pabellón de la oreja, la colágena tipo 2 la proporciona mucho más flexibilidad. El último cartílago es el fibrocartílago que contiene colágena tipo 1, se encuentran en los discos intervertebrales y la sínfisis púbica. (Gartner, 2007)

El hueso es otro tipo de tejido especializado cuya matriz está dura y calcificada, su resistencia es notable debido a su rigidez, los cuales son perfectas para la protección de las partes blandas, está recubierto por una superficie externa (periostio) y una interna donde están las células osteoprogenitoras que se diferencian en osteoblastos para la secreción de nueva matriz. Su dureza también está dada por el componente inorgánico que son cristales de hidroxiapatita de calcio que lo componen el calcio y el fosforo. El componente orgánico está bien representado por la colágena tipo 1. Las células serán las osteoprogenitoras, los osteoblastos, los osteocitos, los osteoclastos y las de recubrimiento óseo que no serán otras que los osteoblastos no diferenciados. (Gartner, 2007)

Tejido muscular

Es un tejido blando formado por células contráctiles, estas células al tener una naturaleza no rígida puede hacer que un animal se mueva con libertad (existiendo ciertos límites que lesionarían al músculo), los organismos pueden usar este tejido para la locomoción, contracción, bombeo y otras movimientos de impulso. Las células son algo alargadas y determinan una clasificaron importante en este tejido. El músculo estriado posee bandas transversales claras y oscuras alternadas el cual se subdivide en uno esquelético que se relaciona con los huesos y es voluntario y uno cardiaco involuntario exclusivo para el corazón.  El músculo liso en cambio se localiza en las paredes de las vísceras y los vasos sanguíneos y es de naturaleza involuntaria. (Gartner, 2007)

Tejido nervioso

Es un tejido organizado compuesto por neuronas y neuroglias, desde su punto de vista anatómico está organizado en un sistema nervioso central que encierra al encéfalo y la médula espinal, un sistema nervioso periférico que encierra a los pares craneales y nervios raquídeos. En términos funcionales el SNP se divide en un componente sensorial o aferente y uno motor o eferente. El motor se subdivide en uno somático para músculos esqueléticos y uno autónomo para músculos lisos y cardiacos. (Gartner, 2007)

En el SNC los diferentes tejidos le confieren una resistencia propia a todo el sistema, de externo a interno tenemos a las meninges como son la duramadre (capa densa que es un tejido conjuntivo denso colagenoso), la aracnoides (capa trabeculada, avascular que tiene colágena y algunas fibras elásticas) y por último una piamadre que está en relación con el encéfalo interno. En la corteza cerebral la sustancia gris está rodeada de giros o circunvoluciones y surcos, en la corteza cerebelosa que contiene menos capas de la cerebral y posee otras funciones. El tejido nervioso posee una semiconservación, es decir, no pueden proliferar (mitosis) pero si regenerar partes celulares como los axones dañados en cierta forma. (Gartner, 2007)

Figure 17: Células del tejido nervioso, su posición y forma