1. Los Primeros Astrónomos

La necesidad de ampliar los conocimientos y explicar los fenómenos observables

Ejemplos:

• Repeticiones en la posición de las estrellas.
• Repeticiones de estaciones (duración del día y la noche).
• Influencia del Sol sobre la siembra, la caza o la navegación.

Logros:

• Describir el movimiento del Sol, la Luna y los planetas.
• Inventar el sistema sexagesimal (360º).
• Establecer un calendario.

Astrónomos destacados

• Aristóteles: Defensor de un Universo geocéntrico, donde la Tierra se encontraba en el centro y el Sol, la Luna y los planetas giraban a su alrededor.
• Aristarco de Samos: Estableció por primera vez el modelo heliocéntrico. Afirmó que el Sol era mucho mayor que la Tierra y que ésta y todos los planetas giraban a su alrededor.
• Ptolomeo: Revisó la obra de Aristóteles y defendió el modelo geocéntrico. Esta idea se mantuvo durante la Edad Media. Fue aceptada por los poderes eclesiásticos, pues era coherente que las criaturas creadas por Dios habitaran en el planeta Tierra localizado en el centro del Universo.
• Copérnico: Estableció, gracias a sus sólidos cálculos matemáticos, el modelo heliocéntrico. La Tierra no era más que uno de sus planetas que gira alrededor del Sol. No publicó sus descubrimientos hasta el final de su vida.
• Kepler: Estableció que las órbitas de los planetas eran elípticas.
• Galileo Galilei: Construyó el primer telescopio y contribuyó a la astronomía con numerosos descubrimientos que le costaron su condena por herejía.
• Newton: Explicó el movimiento de los astros mediante la teoría de gravitación universal.

2. Cosmología Moderna

Definiciones principales

• Cosmología: Es una parte de la astronomía que estudia la estructura, el origen y el desarrollo de la totalidad del Universo, el cosmos.
• Astronomía: Es la ciencia que estudia los astros componentes del Universo a partir de la información que nos llega de ellos: luz visible, infrarrojos, rayos X, etc.
• Astrofísica: Es una parte de la astronomía que aplica las leyes de la física para estudiar la naturaleza de los astros y su comportamiento.
• Astrología: Intenta explicar las influencias malignas o benignas de los astros sobre los humanos. Zodíaco.

Modelos del Universo

• Estático o infinito: Hace referencia al Universo eterno e infinito, que siempre ha existido y existirá. Sin comienzo ni fin.
• Dinámico y finito: el Big Bang: Hace referencia a un Universo que se creó en una explosión a partir de un punto inmaterial infinitamente denso y caliente, hace 13700 millones de años.
• Dinámico e infinito: el estado estacionario: Concibe un Universo infinito, que no tiene un principio definido, en el que se genera materia de manera continua mediante mecanismos desconocidos.

3. La Expansión del Universo

El universo se expande. Hay métodos para calcular este hecho.

Ley de Hubble: Establece que la velocidad de alejamiento de una galaxia es directamente proporcional a su distancia.

4. El Big Bang. La Gran Explosión

Si el movimiento de alejamiento de las galaxias se invirtiese durante un tiempo igual a la edad del universo, se llegaría a la conclusión de que todas las galaxias se encontraban en un mismo punto en un mismo instante, que marcaría el origen del Universo.

En este punto las cuatro fuerzas que actúan sobre la materia estarían unidas:

• Gravedad
• Fuerza electromagnética
• Fuerza nuclear fuerte
• Fuerza nuclear débil

También estarían bajo la forma de una singularidad:

• Energía
• Espacio
• Tiempo
• Vacío

5. Recreación del Universo Primitivo

Como consecuencia del enfriamiento progresivo del Universo debido a la continua expansión se produce:

• Aparición de las partículas elementales.
• Aparición de las cuatro fuerzas que rigen su comportamiento (la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil).

Orden de aparición de las fuerzas:

• Superfuerza
• Fuerza nuclear fuerte
• Fuerza nuclear débil
• Fuerza electromagnética
• Fuerza gravitatoria

Materia oscura

Se supone que todo lo que es visible del Universo representa únicamente el 4%. Sin embargo, las regiones no visibles tienen un tipo de materia especial, la materia oscura. Su presencia es detectable por medio de sus efectos gravitacionales sobre las galaxias cercanas.

El futuro del Universo

3 posibles destinos:

• Big Chill (Gran enfriamiento)
• Big Crunch (Gran contracción)
• Big Rip (Gran desgarramiento)

6. Estructura del Universo

• Supercúmulos: Agrupaciones de cúmulos galácticos formados a su vez de galaxias y nebulosas (nubes de gas y polvo), intercalados por filamentos de materia oscura. Nos encontramos en el Supercúmulo de Virgo.
• Cúmulos: Agrupaciones de galaxias. La Vía Láctea se encuentra en el cúmulo llamado Grupo Local, que está a su vez formado por otras galaxias como Andrómeda, Nube de Magallanes grande, Nube de Magallanes Pequeña, Dragón, el Sistema de la Osa Menor y otras.
• Galaxias: Enormes acumulaciones de materia en forma de polvo cósmico, nebulosas y estrellas, algunas de las cuales poseen sistemas planetarios. Nuestra galaxia es la Vía Láctea.

La Vía Láctea

La Vía Láctea es una galaxia espiral que contiene nebulosas, polvo cósmico y entre 10.000 y 30.000 millones de estrellas, en uno de cuyos brazos se encuentra el Sistema Solar, formado por el Sol, la Tierra y los demás planetas y sus satélites.

Está formada por:

• Bulbo o núcleo
• Disco
• Halo

7. Las Estrellas: Fraguas Donde se Forman los Elementos Químicos

• Estrellas: Son enormes esferas gaseosas de hidrógeno y helio. Esos gases están tan calientes que su interior actúan como una bomba termonuclear emitiendo gran cantidad de energía radiante.
• Nebulosas: Son nubes gaseosas de hidrógeno, helio y elementos químicos pesados en forma de polvo cósmico y cierta cantidad de compuestos orgánicos.

La era de la inflación dividió la primitiva nebulosa en otras nebulosas menores, dentro de las cuales se encuentran las galaxias, donde se formaron y se siguen formando las estrellas.

Las elevadas temperaturas de las estrellas hace que se lleven a cabo reacciones de fusión termonuclear y que se formen, a partir del hidrógeno y del helio, los demás elementos químicos.

Evolución de las estrellas

Estrellas similares al Sol

1. Protoestrellas: Aparecen a partir de la nebulosa inicial que se fragmenta. Cada uno de estos fragmentos empieza a girar sobre sí misma, se compacta y aumenta su densidad. Esto favorece las colisiones entre el hidrógeno y empieza a emitir radiación.
2. Gigante roja: Con el tiempo casi todo el hidrógeno se convierte en helio y las reacciones de fusión se desplazan a la periferia, donde todavía existe hidrógeno. Con la desaparición del hidrógeno se pierde masa y la estrella aumenta de tamaño convirtiéndose en una gigante roja.
3. Nebulosa planetaria: El helio se compacta en el núcleo de la estrella y se alcanza la temperatura crítica para poder formar carbono. Sus capas externas se desprenden formando un anillo de humo estelar conocido como nebulosa planetaria.
4. Enana blanca: El núcleo de la antigua gigante roja se transforma en una estrella denominada enana blanca. El carbono se va acumulando en el interior de la enana blanca. Cuando se agote el helio se enfriará hasta apagarse por completo.
5. Enana negra: Es la estrella oscura y fría formada por el carbono originado en las etapas anteriores.

Estrellas gigantes o azules

1. Protoestrellas: Se forman de manera parecida a las estrellas similares al Sol, a partir de una nebulosa que se fragmenta. En este caso la protoestrella es más grande y luminosa.
2. Supergigante roja: Cuando la protoestrella consume todo el hidrógeno se hincha y se convierte en una supergigante roja con numerosas capas concéntricas resultantes de los distintos procesos de fusión termonuclear.
3. Supernova: La supergigante roja se colapsa. El núcleo sufre una implosión y más tarde la estrella sufre una tremenda explosión liberando enormes cantidades de energía. A esta fase se le llama supernova. En este momento es cuando se sintetizan los elementos químicos más pesados como el hierro.

8. Formación del Sistema Solar

1. Explosión de una supernova situada en uno de los extremos de la Vía Láctea.
2. Compactación de la primitiva nebulosa de gas, enriquecida con el polvo cósmico de la nebulosa.
3. Contracción hasta formar una enorme bola de gas. Comienzo de las reacciones nucleares. Aparición del Sol.
4. Aparición de discos formados por partículas de polvo cósmico. Aparición de planetesimales.
5. Acreción de planetesimales. Planetas cada vez mayores. Satélites.

Nuestro Sistema Solar está formado por nuestra estrella, el Sol, que se encuentra en el centro y sus ocho planetas, los planetas enanos y los cuerpos pequeños. Giran a su alrededor atraídos por la fuerza de la gravedad que actúa como un gigantesco imán.

• Planetas: Astros que orbitan alrededor del Sol. Masa suficiente para que su gravedad les haga tener forma casi redonda. No emiten radiación como las estrellas. La mayoría posee uno o varios satélites o lunas que orbitan a su alrededor.
• Planetas enanos: Cuerpos celestes que orbitan alrededor del Sol. Masa suficiente para que su gravedad les haga tener forma casi redonda. Tienen otros cuerpos en sus órbitas. Órbitas muy elípticas e inclinadas.
• Satélites: Que orbitan alrededor de los planetas.
• Cometas y asteroides: Que orbitan alrededor del Sol y se localizan principalmente en tres lugares:
  • Cinturón principal de asteroides. Entre las órbitas de Marte y Júpiter.
  • Cinturón de Kuiper. Situado más allá de las órbitas de Neptuno y Plutón.
  • Nube de Oort. Situada en la periferia del sistema Solar.

9. El Nacimiento de las Ciencias Geológicas

Teorías sobre la dinámica del planeta Tierra

• Catastrofismo (Cuvier, finales S. XVIII): Explicó la formación de los fósiles y la forma actual del planeta Tierra por la acción de sucesivas catástrofes, como el diluvio universal.
• Uniformismo (Lyell, S. XIX): Las fuerzas naturales actuaron en el pasado de manera uniforme y son las mismas que operan en la actualidad (“el presente es la clave del pasado”).
• Teorías fijistas (verticalistas) (finales S. XIX): Solo admiten movimientos verticales de la corteza terrestre.
• Teorías movilistas (horizontalistas) (finales S. XIX): Se basan en movimientos horizontales en bloque de la corteza.

Antecedentes de la tectónica de placas

• Hipótesis de la deriva continental (Wegener, 1912): Propuso que inicialmente los continentes formaban un único supercontinente (Pangea) que se fragmentó y desplazó, dando lugar a los actuales continentes. Aportó numerosas pruebas, pero no pudo demostrar el mecanismo de ese movimiento continental.
• Teoría de las corrientes de convección de manto (Holmes, 1945): Esas corrientes serían las causantes del movimiento de los continentes. No lo demostró experimentalmente.
• Hipótesis de la expansión del fondo oceánico (Hess, 1962): Tras el desarrollo del sónar en la Segunda Guerra Mundial, descubre estructuras como las dorsales, donde se forma nueva corteza que se desplaza (expansión del fondo) y se destruye en las zonas de subducción.

10. Modelo Estático del Interior de la Tierra

El planeta Tierra sería una enorme estructura rocosa compuesta por capas concéntricas (corteza, manto y núcleo) separadas por discontinuidades que representan diferencias en la composición química y/o mineralógica, así como en el estado físico.

Estructura de la Tierra

• Corteza: Continental y oceánica. Discontinuidad de Mohorovicic.
• Manto: Superior e inferior. Discontinuidad de Gutenberg.
• Núcleo: Externo e interno. Discontinuidad de Wiechert-Lehman.

Capas de la Tierra

• Corteza: Capa más externa (35 km espesor medio), formada por silicatos.
  • Corteza continental: Conjunto de rocas de diverso tipo, abunda el granito. Espesor máximo 70 km.
  • Corteza oceánica: Espesor medio de 10 km. Abundan los basaltos.
• Manto: Formado fundamentalmente por peridotitas (olivino). Presión y temperatura elevadas que dan lugar a zonas de transición de minerales.
  • Manto superior: Discontinuidad de Repetti, 670 km (realmente es una zona de transición).
  • Manto inferior: Discontinuidad de Gutenberg (2900 km).
• Núcleo:
  • Núcleo externo: Líquido (hierro y níquel). Discontinuidad Wiechert-Lehman (5170 km).
  • Núcleo interno: Sólido (cristales de aleación Ni-Fe).

Centro de la Tierra: 6370 km.

Perforación Superprofunda de Kola

Perforación de Kola (1970-1992): 12.262 m (180º)

11. Tectónica de Placas: La Superficie Cambiante

Ideas principales

• Corteza y parte superior del manto = Litosfera (espesor medio de 100 km).
• Litosfera: Capa discontinua, fragmentada en trozos (placas litosféricas) que encajan entre sí.
• Las placas litosféricas pueden ser oceánicas, continentales o mixtas.
• Los límites o bordes de placa pueden ser de tres tipos: divergentes o constructivos (dorsales), convergentes o destructivos (zonas de subducción y colisión), o pasivos o transformantes (fallas transformantes).
• Las placas litosféricas se deslizan sobre los materiales del manto como consecuencia de la acción del calor interno de la Tierra (corrientes de convección) y el tirón gravitatorio que ejercen las placas al hundirse en las zonas de subducción.

Fenómenos geológicos relacionados con los bordes de las placas litosféricas

Bordes divergentes o constructivos

En este tipo de bordes encontramos las dorsales oceánicas (relieves submarinos de intensa actividad volcánica). A través de las dorsales aflora material del manto (magma) que se enfría y solidifica dando lugar a rocas tipo basalto. Estas rocas forman nueva corteza oceánica a ambos lados de la dorsal. Las dorsales se ven interrumpidas por fallas transformantes, responsables de gran cantidad de seísmos.

Bordes convergentes o destructivos

Son las zonas de subducción y de colisión. Las zonas de subducción o fosas oceánicas son zonas donde la litosfera oceánica se hunde (subduce), fundiéndose y formando magma que pasa a formar parte del manto. El plano inclinado que describen las placas al subducir se denomina plano de Benioff. Son zonas de gran actividad sísmica y volcánica.

Bordes pasivos o transformantes

Ni se crea ni se destruye litosfera. Son desgarres que aparecen en zonas sometidas al movimiento de las placas. Se encuentran en los bordes de las placas litosféricas y en las dorsales oceánicas. Generan actividad sísmica, pero no volcánica.

Fallas en la Región de Murcia

• Falla de Alhama de Murcia: Localizada entre el norte del valle del Guadalentín y Puerto Lumbreras. Permanece en movimiento casi continuamente, provocando pequeños movimientos.
• Falla de Bullas-Cádiz-Alicante: Permanece inactiva durante largos periodos y ha provocado terremotos como el de Mula (2 de diciembre de 1999) y el de La Paca (Lorca, 6 de agosto de 2002).
• Falla de la Vega Media del Segura: Afecta a Lorquí, Ceutí, Molina de Segura y Las Torres de Cotillas.

El movimiento de las placas

El desplazamiento de las placas litosféricas se debe a dos fenómenos:

• Tirón gravitatorio de la litosfera en las zonas de subducción. La capa que subduce tira del resto de la litosfera y una vez en el manto desciende hasta la capa D y provoca el ascenso de materiales calientes hacia la superficie.
• Calor interno de la Tierra en la capa D, que escapa en forma de plumas de magma con un origen profundo, ascendiendo a superficie y generando los puntos calientes (actividad volcánica).

Teoría de la tectónica de placas: una teoría global

Los grandes fenómenos geológicos tienen una explicación conjunta y son motivados por una causa común: el desplazamiento de las placas litosféricas.

• Seísmos
• Volcanes
• Formación de montañas
• Expansión de los océanos
• Deriva de los continentes
• Yacimientos minerales y petrolíferos

12. Volcanes: Montañas de Fuego

Los volcanes se forman cuando el magma procedente del manto asciende hasta la superficie a través de las fisuras de la litosfera, se enfría y da lugar a erupciones de gases, productos sólidos (piroclastos) y coladas de roca fundida denominada lava. Aparecen en los puntos calientes, en las dorsales y en las zonas de subducción.

Magma: Mezcla que se encuentra a temperatura elevada, compuesta por roca fundida y gases. Cuando se enfría y solidifica da lugar a las rocas magmáticas o ígneas.

Vulcanismo en puntos calientes

• Formación de cadenas de volcanes o de islas volcánicas alineadas: Islas Hawaii.
• Aparición de un rift continental: Rift Valley (África).

13. El Origen de la Vida

Primeras teorías sobre el origen de la vida

• Creacionismo: Se basa en la religión, supone la existencia de un dios o espíritu creador de la materia viva. Aceptada hasta el S. XVII.
• Generación espontánea: Aparición de vida de forma espontánea cuando las condiciones son las adecuadas (Aristóteles, antigua Grecia). Aceptada hasta el S. XVII.

En el S. XVII, Redi y Spallanzani desmontan las ideas creacionistas y de la generación espontánea. En el S. XIX, Pasteur demuestra que los seres vivos solo pueden proceder de otros seres vivos.

Teorías modernas sobre el origen de la vida

• Panspermia / Origen extraterrestre: Desde la antigua Grecia hasta la actualidad. Postula que la vida llegó a la Tierra en forma de esporas bacterianas procedentes del espacio exterior e impulsadas por la presión de la radiación de las estrellas. Se basa en la existencia de materia orgánica en restos de meteoritos, pero no explica la aparición de vida en el hipotético planeta original. Apoyada por Anaxágoras, Arrhenius y numerosos astrofísicos.
• Evolución química de la vida (Oparin y Haldane, 1924): Los compuestos químicos que existían en la atmósfera primitiva sirvieron de materia prima para la síntesis de compuestos orgánicos sencillos que forman parte de los seres vivos. Los primeros seres vivos habrían aparecido tras una larga evolución prebiótica.
• Génesis mineral (Hipótesis de las arcillas, Cairns-Smith, 1985): Supone que los primeros polímeros biológicos surgieron a partir de las arcillas. Las arcillas habrían actuado como biocatalizadores, atrayendo moléculas sencillas y facilitando su unión.
• Fuentes hidrotermales (Teoría del mundo de hierro-sulfuro, Wächstershäuser, 1980): Próximas a las dorsales que proporcionan gases precursores. La presencia de pirita (sulfuro de hierro) supone la base para la formación de los polímeros biológicos.
• Mundo ARN (Eigen, 1970): Piensa que el ARN (ácido ribonucleico) fue la primera biomolécula en aparecer y se formó en mares primitivos ricos en aminoácidos y proteínas.

Las primeras células: evolución celular

Hace 3800 m.a.: Probablemente las primeras células fueron bacterias heterótrofas anaerobias fermentadoras, que evolucionaron hasta originar cianobacterias fotosintéticas. Como resultado de la actividad fotosintética la atmósfera se enriqueció en oxígeno, lo que permitió el desarrollo de nuevas formas de vida basadas en la respiración celular.

Hace 2700 m.a.: Aparecen las células eucariotas. Actualmente se acepta la teoría del endosimbionte (Margulis, 1971) que propone una asociación simbióntica entre distintos tipos de células bacterianas procariotas que originó una célula eucariota.

14. Teorías Sobre el Origen de las Especies

Antiguas teorías

• Fijismo, S. XVIII (Linneo): Propone que las especies no cambian, sino que se mantienen básicamente invariables a lo largo del tiempo desde la creación del universo.
• Catastrofismo, S. XVIII (Cuvier): Cada cataclismo geológico destruye las especies existentes, de forma que se produce posteriormente una creación de nuevas especies.

A finales del S. XVIII, Leclerc (Conde de Buffon) aportó la idea de que los seres vivos se transforman o evolucionan, lo que favoreció que se abandonaran las teorías fijistas y catastrofistas.

Teorías evolucionistas

• Hipótesis evolucionista de Lamarck (S. XVIII): Propuesta por Jean Baptiste Monet (caballero de Lamarck). La hipótesis de Lamarck se denomina transformismo y supone que las especies evolucionan al transformarse gradualmente unas en otras. Tiene dos ideas principales: “la función crea el órgano” y “los caracteres adquiridos se heredan”.
• Teoría de la evolución de Darwin-Wallace (S. XIX): Propuesta por Charles Darwin y Alfred Wallace. Esta teoría crea un vínculo de parentesco entre todos los seres vivos. Las actuales especies serían consecuencia de una progresiva e ininterrumpida divergencia adaptativa de especies precedentes. Darwin además propuso la teoría de la selección natural para explicar el mecanismo evolutivo.
• Neodarwinismo o teoría sintética de la evolución (S. XX): Propuesta por Dobzhansky, tras las aportaciones de Mendel sobre la herencia genética de los caracteres. Se basa en la variabilidad genética en la población debida a mutaciones y a la recombinación génica (reproducción sexual), y la selección natural que elimina genotipos menos ventajosos.

Nuevas teorías sobre la evolución

• Neutralismo (Motoo Kimura): Es el azar el que hace que varíen las poblaciones en las cuales un gen determinado que ha mutado puede dispersarse sin tener ninguna ventaja selectiva, por lo tanto no actúa la selección natural.
• Equilibrio puntuado (Stephen J. Gould): Plantea que la ausencia de pasos intermedios en el registro fósil no se debe a que sea incompleto, sino a que, en ocasiones, la evolución se produce “a saltos”.

Evidencia científica: las pruebas de la evolución

Evidencias clásicas

• Morfológicas
• Paleontológicas
• Embriológicas
• Taxonómicas

Evidencias recientes

• Bioquímica comparada y biología celular
• Secuencias de proteínas y de ADN
• Hibridación de ADN
• Estudio del bandeado cromosómico
• Análisis inmunológico o serológico

15. Especiación y Evolución Humana

Especiación

Especie: Conjunto de organismos que tienen semejanzas morfológicas, pueden reproducirse dando lugar a descendencia fértil y presentan un aislamiento reproductivo con otras especies.

Especiación: Aparición de dos o más especies diferentes a partir de una inicial. Se produce normalmente por aislamiento geográfico, que impide el intercambio de genes entre poblaciones, por lo que distintas poblaciones comienzan a separarse genéticamente. Después aparece el aislamiento reproductivo (cambios fisiológicos, anatómicos y de conducta).

Evolución humana

Características de la evolución humana desde los primeros homínidos hasta el ser humano actual:

• Adquisición del bipedismo.
• Aumento progresivo de la estatura, del peso y de la capacidad craneal.
• Reducción del tamaño de la mandíbula.
• Elaboración de herramientas cada vez más sofisticadas.
• Manipulación del fuego.
• Paso de hábitats boscosos cerrados a zonas abiertas.
• Expansión desde el sudeste de África hacia Europa y Asia, y posteriormente hacia el resto de continentes.
• Cambio de una dieta herbívora hacia una dieta carnívora.
• Aparición progresiva del lenguaje.

Homínidos destacados

• Orrorin tugenensis
• Ardipithecus ramidus
• Australopithecus sp.
• Paranthropus sp.
• Homo habilis
• Homo rudolfensis
• Homo ergaster
• Homo erectus
• Homo antecessor: En el yacimiento de la Gran Dolina (Sierra de Atapuerca, Burgos). Especie homínida más antigua de Europa. Más de 1 millón de años de antigüedad.
• Homo heidelbergensis: Yacimiento de la Sima de los Huesos (Sierra de Atapuerca, Burgos). 500000 años de antigüedad. Antecesor del hombre de Neanderthal.
• Homo neanderthalensis
• Homo sapiens