BIOFÍSICA
®
INICIOQUIÉNES SOMOSESCRÍBENOSTHIS PAGE IN ENGLISH

BIOFÍSICA-TEORÍA
Por Biól. Nasif Nahle Sabag

Definición

La Biofísica es una sub-disciplina de la Biología que estudia los principios físicos subyacentes a todos los procesos de los sistemas vivientes.

La biofísica es una ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible.

Si nosotros no podemos explicar algunos fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación científica, sino que nosotros aún no tenemos los implementos necesarios para estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables.

La vida es una función de estado que depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (principios microfísicos) y determinísticos a nivel macroscópico (principios macrofísicos).

Un sistema estocástico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes al azar. Un sistema determinístico es aquel cuyos estados microscópicos tienen causas subyacentes reconocibles. Ambos tipos de procesos son los sujetos de estudio de la biofísica.

La biofísica no es una rama de la física, sino de la biología. Hago esta aclaración porque en muchos libros de biofísica se dice que la biofísica estudia los fenómenos físicos que determinan los procesos vivientes o que la biofísica es el estudio de los fenómenos biológicos desde el punto de vista de la física, lo cual es erróneo. La biofísica explica los fenómenos biológicos aplicando los principios fundamentales de la naturaleza.

Por ejemplo, la biofísica estudia los cambios de polaridad en los microtúbulos de un Paramecium, o la transferencia de energía de una partícula a otra dentro del complejo motor molecular conocido como ATP sintetasa, o la mecánica del esqueleto humano, o la dinámica de fluidos en un saltamontes, etc.

Por supuesto, la biofísica se fundamenta en los estudios proporcionados de la física; por ello, decimos que la biofísica es una ciencia interdisciplinaria.

INICIO DE PÁGINA ^^



SISTEMAS

En general, un sistema es una cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios.

En biofísica, al igual que en termodinámica y mecánica cuántica, un sistema es un agregado de elementos incluidos entre límites reales o imaginarios.

La diferencia entre ambos conceptos de sistema es que en el primero el sistema es tan solo un conglomerado de masa, mientras que el concepto biofísico incluye a los agregados de materia y a los elementos que constituyen un proceso dentro de límites estructurales y/o correspondientes a la fase espacio-tiempo.

Un sistema termodinámico es aquél que puede intercambiar calor y energía con el ambiente. Los seres vivos son esencialmente sistemas termodinámicos.

Por ejemplos, una hormiga es un sistema formado por moléculas, en tanto que sus funciones nerviosas es un sistema formado por una secuencia ordenada de procesos microfísicos.

Los sistemas pueden clasificarse en los siguientes tipos:

Sistemas abiertos, los cuales intercambian materia y energía con el ambiente.

Sistemas cerrados, los cuales solamente intercambian energía con el ambiente, pero no materia.

Sistemas aislados, los cuales no intercambian energía y materia con el ambiente. Estos sistemas son idealizados y no existen en el mundo real.

Los seres vivientes son sistemas abiertos porque intercambian materia y energía con el ambiente.

Existe un falso concepto sobre el sistema terrestre porque algunos autores han escrito que la Tierra es un sistema cuasi-cerrado, es decir que “casi” no intercambia materia con el espacio sideral. Esto es un error conceptual porque por más pequeña que sea la cantidad de materia que el sistema intercambie con su entorno, el sistema será un sistema abierto. No existen sistemas casi cerrados en la naturaleza ni en las formulaciones matemáticas.

INICIO DE PÁGINA ^^



RAMAS DE LA BIOFÍSICA

Las ramas de la biofísica son las siguientes:

Biomecánica: Estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc.

Bioelectricidad: Estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes así como también los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes; por ejemplo, la transmisión de los impulsos neuroeléctricos, el intercambio iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad (anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina, etc.

Bioenergética (termodinámica biológica): Se dedica al estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas vivientes; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la transferencia de energía desde y hacia el entorno del biosistema, el almacenamiento de energia en la célula, etc.

Bioacústica: Investiga y aplica la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas.

Biofotónica: Estudia las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc.

Radiobiología: Estudia los efectos biológicos de la radiación ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio.

INICIO DE PÁGINA ^^



TRANSFERENCIA DE CALOR EN SERES VIVIENTES

Introducción:

En biofísica los organismos vivos son conocidos por el nombre de biosistemas o biontes, Los seres inertes o abióticos simplemente se designan con el nombre de sistemas. Sería bueno que se familiarizara con estos términos para que logre hacer la diferencia sin recurrir a un exceso de palabras.

Puesto que los biontes son sistemas termodinámicos, ellos dependen de las mismas leyes físicas a las que la materia inerte está sujeta. Los algoritmos de transferencia de calor que son aplicables en los procesos en sistemas inertes también son aplicables en los biosistemas. Así, las leyes que aprendimos en los artículos sobre transferencia de calor y calor almacenado por sistemas inertes son también funcionales para los biosistemas.

Las vías de transferencia de calor que ocurren en los biosistemas son exactamente las mismas que ocurren en la naturaleza abiótica (abiótico significa sin vida). Luego pues, podemos aplicar los procedimientos matemáticos y leyes físicas que gobiernan a la materia inerte en los procesos de los biosistemas.

Comenzaremos con los enunciados de las leyes de la termodinámica y las definiciones y fórmulas de transferencia de calor.

1. LEYES Y FÓRMULAS GENERALES:

Primera Ley de la Termodinámica:

La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma de una clase en otra.

Una segunda versión del enunciado de la primera ley de la termodinámica es la siguiente:

La energía no se crea ni se destruye, solamente cambia de un estado cuántico a otro.

La expresión matemática de la primera ley de la termodinámica es la siguiente:

ΔU = ΔQ – ΔW

En donde ΔU es el incremento en la energía interna de un sistema termodinámico dado, ΔQ es la cantidad de calor aplicado al sistema termodinámico, y ΔW es el cambio en la cantidad de trabajo realizado por el mismo sistema termodinámico.

La formula significa que el cambio de la energía interna de un sistema es igual al calor transferido desde ese sistema, descontando el trabajo hecho por ese sistema en su ambiente.

Segunda Ley de la Termodinámica:

En toda transformación de una forma de energía a otra forma de energía, una cantidad de energía siempre es dispersada hacia otros estados, generalmente en forma de calor.

La expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica es la siguiente:

ΔS/Δt ≥ 0

En donde ΔS es el incremento de la entropía, y Δt es el tiempo durante el cual se realizó dicho incremento.

La formula denota que el cambio en la entropía de un sistema termodinámica siempre es más alta o igual que cero, y que el tiempo es la dimensión fundamental en la cual el sistema está realizando trabajo.

La formula nos permite deducir otras conceptualizaciones de la segunda ley, las cuales significan lo mismo, por ejemplo:

1. Ningún sistema puede transformar energía en formas útiles de energía con una eficiencia del 100 por ciento.

2. La energía no puede difundirse espontáneamente desde estados de baja densidad hacia otros estados de alta densidad.

3. El calor nunca es transferido espontáneamente desde sistemas fríos hacia sistemas calientes.

4. La entropía, considerada como la medida del desorden en un sistema termodinámico, se incrementa constantemente a través del tiempo.

INICIO DE PÁGINA ^^


2. FÓRMULAS GENERALES PARA CALCULAR TRANSFERENCIA DE CALOR.

CONDUCCIÓN: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sitema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor (energía potencial -absorbe calor- <--> energía cinética -emite calor).

Los metales son los mejores conductores térmicos, en tanto que los no metales son pobres conductores. Por ejemplo, la conductividad térmica (k) del cobre es 401 W/m K, mientras que la conductividad térmica (k) del aire es 0.0263 W/m K. La conductividad térmica de la piel humana, en promedio es de 0.34 W/m K, la del bióxido de carbono, un gas, es 0.01672 W/m K, comparable con la conductividad térmica de un aislante de calor.

La formula para calcular el flujo de energía por conducción para un sistema dado es la siguiente:

q = - kA (ΔT/Δn)

En donde ΔT/Δn es el gradiente de temperatura (T) a través de un espesor (n) determinado, y k es la conductividad térmica obtenida por experimentación expresada en W/m K.

CONVECCIÓN es el flujo de energía a través de Corrientes de un fluido (líquido o gas). La convección es un movimiento de volúmenes de líquido o de gas. Cuando una masa determinada de un fluido se calienta por estar en contacto con una superficie más caliente sus moléculas se separan y distribuyen causando que el volumen aumente y la densidad disminuya. Cuando la densidad del fluido caliente disminuye, la masa caliente se eleva, en tanto que los volúmenes fríos y más densos se desplazan verticalmente hacia abajo. Esto causa que los volúmenes del fluido caliente desplacen a los volúmenes fríos hacia abajo. Mediante este mecanismo, el calor de los volúmenes calientes y menos densos se transfiere hacia los volúmenes de fluido frío y denso.

Por ejemplo, cuando calentamos agua en una vasija sobre el mechero de una estufa, el volumen de agua que está en contacto con el fondo caliente de la vasija se calienta por conducción del calor desde la vasija hacia el agua, cuya densidad disminuye. A causa de la disminución en la densidad, ese volumen se elevará hacia la superficie de la masa de agua y desplazará al volumen de agua fría y densa de la superficie, haciendo que ésta descienda al fondo de la vasija, en donde será calentada disminuyendo su densidad y moviéndose hacia arriba, etc.

La formula para obtener la cantidad de calor transferido por convección es la siguiente:

q = h A (T∞ - Ts)

En donde h es el coeficiente de convección, A es el área implicada, y T∞ - Ts es la diferencia entre las temperaturas del ambiente  (T∞) y la de la piel (Ts).

RADIACIÓN es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. La energía radiada se mueve a la velocidad de la luz y no requiere de algún medio para su propagación. La energía radiante se mueve a la velocidad C (≈300000 Km/s) El intercambio de calor irradiado por el Sol entre la superficie solar y la superficie terrestre ocurre sin que el espacio intermedio se caliente.

Si colocamos una moneda bajo los rayos directos del sol notaremos que en pocos segundos la moneda se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y la moneda ocurre por radiación.

Los seres vivientes son buenos emisores y absorbentes de energía por radiación. Por ejemplo, la piel del ser humano tiene una emisividad-absorbencia de 0.7 a 0.9, dependiendo de la pigmentación de la piel; la piel morena absorbe y emite más energía que la piel blanca.

Para conocer la cantidad de calor transferido por radiación usamos la siguiente fórmula:

q = e σ A [(T∞)^4 - (Tpiel)^4]

En donde q es el calor transferido por radiación, e es la emisividad del sistema, σ es la constante de Stephan-Boltzmann (5.6697 x 10^-8 W/m^2.K^4), A es el área implicada en la transferencia, T∞ es la temperatura ambiental y Tpiel ^4 es la temperatura de la superficie del cuerpo (piel).

INICIO DE PÁGINA ^^


3. EJEMPLOS EN SERES HUMANOS:

El índice del energía térmica almacenada por el cuerpo humano se define mediante la siguiente fórmula:

q = MWEQ = W/m^2

En donde q es el índice de energía térmica almacenada, M es el índice metabólico del organismo expresado en W/m^2 (M = 58.2 W/m^2), W es el trabajo mecánico realizado por el organismo, E es el índice de pérdida de calor por evaporación mediante el sudor, y Q es el índice total de pérdida de calor a través de la piel excluyendo el sudor.

Cuando M es igual a 58.2 W/m^2, no hay enfriamiento ni calentamiento en un cuerpo arropado en un ambiente con una temperatura de 25.5 °C. Si el cuerpo está desnudo, la temperatura de operación es 31 °C.

Cuando M es mayor que la unidad (M>1), por ejemplo cuando una persona camina (M = 2.8), la temperatura del cuerpo se incrementa y los mecanismos fisiológicos para la difusión del exceso de calor hacia el ambiente se disparan. Para conocer el flujo de calor linear (JQc) bajo las condiciones mencionadas, usamos la siguiente fórmula:

JQc = - λ (∆T/∆x)

En donde λ es la conductividad térmica (coeficiente térmico) expresado en J/m s K. ∆T es la diferencia de temperatura entre los dos sistemas estudiados. ∆x es la dirección del gradiente de temperatura.

Hay varias vías de transferencia de calor (energía) entre el cuerpo de un organismo viviente y su entorno. Algunas vías terminan en la dermis, la cual es la capa de tejido que se encuentra inmediatamente debajo de la epidermis. Otros canales cruzan los músculos, las capas de tejido graso, la epidermis y el pelo o plumas hasta alcanzar la interfase o capa limítrofe viscosa, la cual conecta al sistema corporal con el ambiente y es en donde el calor es transferido hacia el ambiente por conducción, convección, radiación y evaporación (si el cuerpo se encuentra rodeado por aire) o por conducción, convección y radiación (si el cuerpo se encuentra rodeado por agua).

La energía transferida por conducción puede difundirse directamente hasta la interfase, o capa limítrofe viscosa. La energía transferida por convección puede difundirse solamente hacia las capas de tejido graso, pero el calor aislado por el tejido graso es transferido por conducción hacia fuera de la piel, hasta la capa limítrofe viscosa, desde donde será difundido hacia el ambiente por convección y radiación. Por otra parte, la energía transferida por radiación comienza en la epidermis, no en los tejidos internos, y desde la epidermis es radiada directamente hacia el ambiente.

INICIO DE PÁGINA ^^



4. FLUJO DE CALOR POR CONDUCCIÓN ENTRE EL CUERPO HUMANO Y EL MEDIO AMBIENTE.

Ya hemos visto en la sección 3 la fórmula para conocer el flujo de calor linear por conducción. Ahora expondré un ejemplo ilustrativo:

JQc = - λ (∆T/∆x)

Datos conocidos:

λ Conductividad térmica (coeficiente térmico) de la epidermis y de la dermis = 0.34 J/m s K
T ambiental = 315.65 K (42.5 °C)
T de la piel humana = 306.15 K (33 °C)
∆T = 9.5 K
∆x = 0.01 m

Substituyendo magnitudes obtenemos el siguiente resultado:

JQc = - 0.34 J/m s K (9.5 K / 0.01 m) = - 323 J/s

Luego pues, el índice de flujo de calor por conducción entre el cuerpo humano y su ambiente es de -323 J/s. El signo negativo indica que el flujo de energía es desde el sistema con temperatura más alta (ambiente) hacia el sistema con temperatura más baja (cuerpo humano).



5. FLUJO DE CALOR POR RADIACIÓN ENTRE EL CUERPO HUMANO Y EL MEDIO AMBIENTE

Cuando investigamos la difusión de calor por radiación en el cuerpo humano usamos el valor 0.7 como la absorbencia-emisividad del cuerpo humano porque es un cuerpo gris.

El 14 de septiembre de 2008 a las 11:00 horas en TU, la temperatura ambiental era de 20 °C. La temperatura de la piel de mi antebrazo izquierdo era de 31.4 °C. ¿Cuál era el flujo de calor por radiación entre mi cuerpo y el ambiente?

Note usted que la temperatura ambiental era menor que la temperatura de mi piel. Cuando eso ocurre, el cuerpo tiende a perder calor. Si M es igual a la unidad, no habría calentamiento o enfriamiento. Si M es mayor que la unidad, el cuerpo humano tenderá a calentarse y debe forzar el exceso de calor hacia el ambiente, primero por convección (casi el 80% del calor almacenado en el cuerpo humano se transfiere por convección mediante la corriente sanguínea) dentro del cuerpo humano; luego por conducción hacia la epidermis, y finalmente mediante convección, conducción, radiación y evaporación desde la epidermis hacia el ambiente. Si M es menor que la unidad, el cuerpo humano se enfriaría, y entonces iniciarían los mecanismos fisiológicos para detener la pérdida de calor.

Para conocer el flujo de la energía transferida desde el cuerpo humano hacia el ambiente por radiación, usaremos la siguiente fórmula:

q = 0.7 (A) (σ) (Tamb^4 - Tch^4)

En donde 0.7 es la absorbencia-emisividad de un cuerpo humano real (porque es un cuerpo gris. El valor puede variar, dependiendo de la pigmentación de la piel), A es el área de intercambio de calor (de la piel), σ es la constante de Stephan-Boltzmann (o constante de proporcionalidad = 5.6697 x 10^-8 W/m^2 K), Tamb es la temperatura del ambiente que rodea al cuerpo y Tpiel es la temperatura promedio de la piel.

Por ejemplo, consideremos la piel de un adulto con una superficie total, sin ropa, de 1.9 m^2, a una temperatura de 31.5 °C, en un ambiente aéreo a 20 °C y con una humedad relativa de 60%. Primero debemos convertir los grados Celsius a grados Kelvin:

Temperatura absoluta del ambiente = 20 °C + 273.15 = 293.15 K
Temperatura absoluta de la piel = 31.5 °C + 273.15 = 304.65 K
Área total = 1.9 m^2

Substituyendo valores:

q = 0.7 (1.9 m^2) (5.6697 x 10^-8 W/m^2 K^4) ([293.15 K]^4 - [304.65 K] ^4) = - 92.66 J/s (-93 J/s, redondeando la cifra al valor superior). - 93 J/s es poder, equivalente a - 93 W.

Balance de la energía:

Para conocer el balance de la energía (I) usamos la siguiente fórmula:

I = P/A

En donde I es el balance de la energía, o sea la intensidad; P es el flujo de la energía por radiación, y A es el área total expuesta (cuerpo desnudo).

Substituyendo magnitudes:

I = - 93 W/1.9 m^2 = - 48.77 W/m^2 (-49 W/m^2, redondeando la cifra al valor superior).

El signo negativo significa que la energía se difunde desde el sistema con alta temperatura (ambiente) hacia el sistema con baja temperatura (cuerpo humano). El balance de la energía, o intensidad de flujo de la energía es de -49 W/m^2.

La pérdida de calor desde el cuerpo hacia el ambiente es -93 J/s, y el balance de la energía radiada es de -49 W/m^2.

Cabe hacer notar que el balance de la energía debe ser igual para cualquier valor con respecto al área de piel expuesta; por ejemplo, supongamos que deseamos considerar únicamente el flujo de calor irradiado (o absorbido) por un centímetro de piel:

q = 0.7 (0.01 m^2) (5.6697 x 10^-8 W/m^2 K^4) (-1228842622.31 ^4) = - 0.49 J/s (ó -0.49 Watts).

El balance de la energía irradiada sería:

-0.49 J/s = -0.49 W

I = (-0.49 W)/0.01 m^2 = -49 W/m^2

El balance de la energía cambiaría si la temperatura de cualquiera de los dos sistemas cambia; por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 35 °C (308.15 K), el balance de la energía radiante absorbida por 0.01 m^2 de piel sería:

I = (0.16 W)/0.01 m^2 = -16 W/m^2.


6. FLUJO DE CALOR POR CONVECCIÓN ENTRE LA PIEL HUMANA Y EL MEDIO AMBIENTE.

Para calcular el flujo de la energía transferida desde el cuerpo humano hacia el ambiente por convección, usaremos la siguiente fórmula (descrita en la sección 2):

q = hA (Ts - T ∞)

El coeficiente térmico de convección se calcula considerando al fluido en el cual el cuerpo humano está rodeado, agua o aire, y la velocidad de las corrientes formadas por ese fluido.

Para cualquier condición particular bajo la cual se encuentra un cuerpo humano desnudo, cuya piel expuesta es de 1.6 m^2 y se encuentra a una temperatura de 31.2 °C envuelto por aire con una velocidad de 0.5 m/s y a una temperatura de 35 °C, obtenemos un valor de h = 2.49 W/m^2 K. Calculemos el flujo de calor por convección desde o hacia el cuerpo de una persona. Recuerde que debemos convertir la temperatura en grados Celsius a Kelvin, aunque podríamos desarrollar la fórmula usando grados Celsius:

Magnitudes conocidas:

h = 2.49 W/m^2 K
A = 1.6 m^2
Ts = 31.2 + 273.15 = 304.35 K
T ∞ = 35 + 273.15 = 308.15 K
Ts - T ∞ = -3.8 K

Substituyendo valores en la formula:

q = 2.49 W/m^2 K (1.6 m^2) (-3.8 K) = -15.14 W

-15.14 W es el calor absorbido por el cuerpo a través de la piel desde un entorno a 35 °C. Dichos -15.14 W equivalen a -3.62 cal/s, lo cual significa que el cuerpo gana 3.62 calorías cada segundo.

La intensidad de la energía que se difunde entre el ambiente y el cuerpo bajo las condiciones antedichas es la siguiente:

I = P/A = -15.14 W/1.6 m^2 = -9.5 W/m^2

Ahora consideremos la piel a 33 °C en una atmósfera a 42.5 °C con corrientes de aire de 0.5 m/s:

q = 2.49 W/m^2 K (1.6 m^2) (-9.5 K) = -38 W

Nuevamente, dado que el aire que rodea al cuerpo está más caliente que el cuerpo, el calor absorbido por éste alcanza -38 W, equivalentes a -9.1 cal/s.

Y la intensidad de flujo de la energía es la siguiente:

I = P/A = -38 W/1.6 m^2 = -23.7 W/m^2

Afortunadamente, nuestros cuerpos cuentan con un sistema de termorregulación muy preciso que mantiene estable la temperatura interna del organismo. Cuando el aire es más caliente que el organismo, el flujo de calor es hacia el organismo; sin embargo, cuando se encuentra en condiciones como las del ejemplo, el cuerpo pierde o desecha calor a través de la evaporación (transpiración y sudor).

El "Golpe de Calor" ocurre cuando el organismo es incapaz de descargar la energía térmica absorbida desde el ambiente. La falla no tiene qué ver con el calentamiento global ni con fenómenos naturales similares, sino con el estado de salud del organismo, el cual, en algún punto, no puede responder adecuadamente ante las altas temperaturas ambientales.

INICIO DE PÁGINA ^^



TERMORREGULACIÓN EN VEGETALES

Los vegetales, al igual que otros muchos organismos como las bacterias, los hongos, los peces, los anfibios y los reptiles, son organismos poiquilotermos. Poiquilotermos significa que su temperatura corporal depende de la temperatura ambiental, de tal forma que sufren de fluctuaciones de su temperatura interna, dentro de márgenes permisibles para su supervivencia, en consonancia con las fluctuaciones del ambiente.

No es correcto decir que los poiquilotermos no pueden regular su temperatura corporal ya que ellos recurren a diversos mecanismos biofísicos y bioquímicos que les protegen de cambios extremos de temperatura ambiental. Por supuesto, me refiero a cambios extremos que no sobrepasan los límites de sobrevivencia del individuo.

El metabolismo de todos los organismos se realiza dentro de márgenes ideales de temperatura. Muchas proteínas se desnaturalizan con el calor excesivo o se inhabilitan con la congelación.  Por esta razón, cualquier organismo, ya sea homeotermo (organismos cuya temperatura corporal sufre mínimas fluctuaciones) o poiquilotermo (organismos cuya temperatura corporal depende de la temperatura ambiental) debe evitar cambios extremos de su temperatura interna.

Cuando hablamos de plantas, generalmente se piensa que son organismos inermes frente a las oscilaciones de la temperatura ambiental y que si el ambiente es cálido, la planta se calentaría, mientras que si la temperatura ambiental es fresca, la planta se enfriaría irremediablemente. No es así; los vegetales también poseen un sistema complejo de control de su temperatura interna. Este sistema está formado por diversos elementos; por ejemplo, la transpiración, la modificación del sistema vascular para facilitar la disipación del calor absorbido o el almacenamiento del calor absorbido, la regulación de la absorción de calor ambiental mediante mecanismos bioquímicos, etc.

En Biology Cabinet realizamos una pequeña investigación para conocer la respuesta térmica de plantas de melón ante las variaciones de la temperatura ambiental. Los resultados preliminares se resumen en la siguiente gráfica:

Autor: Biól. Nasif Nahle SabagPublicación: 4 de agosto de 2007Actualización: 16 de septiembre de 2008
This Website created and kept up by Nasif Nahle.
Copyright© 2007 by Biology Cabinet Organization
ALL RIGHTS RESERVED
INICIOQUIÉNES SOMOSESCRÍBENOSTHIS PAGE IN ENGLISH
®
®

Web www.biocab.org
TABLA DE CONTENIDOS

1. Definición de Biofísica.
2. Definición de Sistema y tipos de sistemas.
3. Ramas de la Biofísica.
4. Transferencia de calor en seres vivientes.
5. Definiciones y Fórmulas de Convección, Conducción y Radiación.
6. Ejemplos de transferencia de calor en el Cuerpo Humano.
6. Flujo de calor por conducción entre el cuerpo humano y su ambiente.
7. Flujo de calor por radiación entre el cuerpo humano y su ambiente.
8. Flujo de calor por convección entre el ser humano y su ambiente.
9. Termorregulación en vegetales.
   Bibliografía y Recursos.
10. Vínculo recomendado sobre termodinámica de la vida (en Inglés)

Para citar este artículo, copie la siguiente línea:
Nahle, Nasif. Artículo Didáctico: Biofísica. 2007. © Biology Cabinet Organization. http://www.biocab.org/Biofisica.html

Envíe sus preguntas sobre biofísica a Biophysics Team.
PRESIONE SOBRE LA GRÁFICA PARA VER UNA IMAGEN MEJORADA

La línea verde obscuro representa el cambio de temperatura de los tallos, la línea verde claro el de las hojas, la línea amarilla el de las flores y la línea celeste es el cambio de temperatura del aire.

En primer lugar notamos que las fluctuaciones de temperatura de la planta se mantienen relativamente estables, en tanto que las fluctuaciones de la temperatura del aire varían ampliamente.

En las horas 19 y 20 (11:30 hrs. y 12:30 hrs., respectivamente) registramos un aumento brusco y corto en la temperatura del vegetal, en tanto que el cambio de temperatura del aire varió relativamente dentro de los límites observados en intervalos anteriores. Desconocemos a qué se debió tal fluctuación, pero observamos que en el intervalo 21 (13:30 hrs.) la fluctuación fue negativa y también muy prolongada. Una hipótesis es que en ese momento del día -pleno mediodía- la luminosidad aumentó de tal forma que la fotosíntesis fue más intensa y por ello la planta liberó más calor. Al ocurrir dicho aumento de temperatura de la planta, los mecanismos del vegetal para protegerse de temperaturas excesivas se activaron para evitar el colapso del sistema.

Sin embargo, el enfriamiento del sistema vegetal también ocurrió de forma brusca, aunque podemos ver que las las horas siguientes la termorregulación pudo estabilizarse a los parámetros observados durante las horas previas al calentamiento extremo.

Este corto análisis nos permite concluir que las plantas poseen un sistema altamente sensible de termorregulación biológica. Hemos visto que la temperatura de las plantas cambia según los cambios de la temperatura ambiental; sin embargo, las fluctuaciones de la temperatura del cuerpo de las plantas no son tan amplias como las fluctuaciones del ambiente. La temperatura de las macroestructuras del cuerpo de las angiospermas permanecen dentro de márgenes bien definidos; esto es válido especialmente para la temperatura de las flores, las cuales, por razones no bien conocidas hasta ahora, responden a extremos de temperatura ambiental más eficientemente que los tallos y las hojas.

INICIO DE PÁGINA ^^



BIBLIOGRAFÍA Y RECURSOS

Bakken, G. S., Gates, D. M., Strunk, Thomas H. and Kleiber, Max. Linearized Heat Transfer Relations in Biology. Science. Vol. 183; pp. 976-978. 8 March 1974.

Boyer, Rodney F. Conceptos de Bioquímica. 2000. International Thompson Editores, S. A. de C. V. México, D. F.

Campbell, Neil A., et al. Biology. Addison Wesley Longman, Inc. 1999, Menlo Park, CA.

Curtis, Helen. Biology. Worth Publishers, Inc. 1983, New York, New York.

Lodish, H., Berk, A. et al. Molecular Cell Biology. W. H. Freeman and Company; 1999, New York, New York.

Mader, Sylvia S. Human Biology. 2004. The McGraw-Hill Companies Inc. New York.

Pitts, Donald and Sissom, Leighton. Heat Transfer. 1998. McGraw-Hill.

Sutton, David B., Harmon, N. Paul. Ecology: Selected Concepts. 2000. John Wiley & Sons, Inc. New York.

Wilson, Jerry D. College Physics-2nd Edition; Prentice Hall Inc. 1994.

Euforbiácea cambiando espinas por hojas.