ÁMBITO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO: TEMA 1: PRINCIPIOS INMEDIATOS DE LA MATERIA VIVA Profesor: ANTONIO JESÚS SERRANO CABALLERO

3º E.S.O. “C” P.D.C. I.E.S. “SERRANÍA” ALOZAINA (MÁLAGA)

1.- INTRODUCCIÓN. Los principios inmediatos de la materia viva, son los elementos simples o compuestos que pueden separarse de los seres vivos por procedimientos físicos. Estos se dividen en inorgánicos que son el agua y las sales minerales y orgánicos que son los glúcidos, los lípidos, los prótidos, y los ácidos nucleicos. Estos compuestos, junto con los elementos biogenésicos, los oligoelementos y los biocatalizadores, forman parte de la composición química de la materia viva. Los elementos que la forman son característicos por ser los más abundantes de la biosfera, por su pequeño peso atómico y por su baja densidad. Los elementos biogenésicos rara vez se encuentran en estado libre. En general, se combinan entre si para formar substancias compuestas definidas. Estos compuestos que se pueden aislar por medios puramente físicos (disolución, filtración, absorción, destilación, diálisis, ultracentrifugación, hidrólisis, etc.) y que se limitan a separar lo preformado, sin destruir los edificios moleculares, constituyen los llamados “principios inmediatos”. Estos principios inmediatos se dividen en dos grupos: orgánicos e inorgánicos. 2.- ELEMENTOS BIOGENÉSICOS. Son aquellos elementos que siendo parte de los cuerpos inertes, se los halla frecuentemente conformando las moléculas orgánicas y son indispensables para la vida. En los análisis químicos de las sustancias orgánicas se ha hallado cerca de 40 elementos de los 106 que existen en la naturaleza.

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2.1.- CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS BIOGENÉSICOS. Bioelementos Primarios o Macroelementos: Son los elementos que se hallan en todos los seres vivos, en proporción igual o superior al 1% del peso total del cuerpo. Son cuatro: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N). Su proporción varía según el ser vivo del que se trate. También son consideradas como bioelementos primarios el Calcio (Ca) y el Fósforo (P). Bioelementos Secundarios o Microelementos: Son elementos cuya concentración en las células es entre 0,05 y 1%, son también indispensables para la vida. Estos son: Calcio (Ca), Fósforo (P), Sodio (Na), Potasio (K), Cloro (Cl), Magnesio (Mg) y Azufre (S). Oligoelementos: Son aquellos elementos cuya concentración celular es menor que 0,05%. Son: Hierro (Fe), Cobre (Cu), Manganeso (Mn), Flúor (F), Cinc (Zn), Molibdeno (Mo), Boro (B), Silicio (Si), Cobalto (Co), Iodo (I), Selenio (Se). Estos elementos son llamados también elementos trazas por la baja concentración en que se encuentran. 3.- PRINCIPIOS INMEDIATOS INORGÁNICOS. 3.1.- EL AGUA. El agua es el compuesto formado por la combinación de una molécula de oxígeno y dos de hidrógeno. Sus tres estados son: líquido (a la temperatura ordinaria), gas (se evapora por el calor) y sólido (se solidifica por el frío a la temperatura de 0ºC convirtiéndose en hielo). Es químicamente indiferente, inodoro, insípido, incoloro en pequeñas cantidades y verdoso en grandes masas que refracta la luz, disuelve muchas sustancias y cubre las 2/3 partes de la Tierra. Hierve a 100ºC (ebullición) y tiene su densidad máxima a 4ºC. Su estado más puro es cuando cae de la atmósfera en forma de lluvia, nieve o rocío. Es el principal componente de los seres vivos que por término medio oscila entre el 50% y el 90%. El agua es tan importante para la vida, que todo organismo desprovisto de ella muere. El agua que forma parte de los seres vivos está en continua renovación, de tal manera que existe un continuado aporte de la misma y una continua eliminación. El aporte acuoso se debe a tres fuentes principales: el agua y otros líquidos que ingresan en el organismo, el agua de constitución de los alimentos sólidos y la que se forma en el interior de los propios seres vivos como consecuencia de las diversas reacciones metabólicas. La eliminación se efectúa por la orina, respiración (en forma de vapor de agua), sudor, heces, lágrimas, etc... Las funciones que el agua desempeña en el organismo son las siguientes: -

1º/ Es el disolvente más universal de las sustancias nutritivas, tanto inorgánicas como orgánicas. Por ello el agua actúa como vehículo para la circulación de dichas sustancias en el interior de los organismos resultando imprescindible para

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el intercambio de materia a través de las membranas celulares, ya que únicamente las sustancias disueltas pueden realizar estos intercambios. 2º/ Todas las reacciones vitales (es decir, metabólicas) se llevan a cabo en presencia de agua, pero además ella por si misma actúa como reactivo químico tanto por su capacidad de disociarse en iones (H+ y OH-), como en sus elementos (O y H2). En el primer caso produce hidrataciones y desdoblamientos de otras sustancias; en el segundo, oxidaciones y reducciones. 3º/ Debido a poseer una elevada tensión superficial (sólo superada por el mercurio) es el líquido más idóneo para provocar en el citoplasma cambios bruscos de dicha tensión, que explican las deformaciones y movimientos protoplasmáticos que presentan las células. 4º/ Su reducida viscosidad favorece desplazamientos de órganos lubricados por líquidos orgánicos ricos en agua (músculos, articulaciones, etc...) 5º/ Actúa también como agente regulador de la temperatura. En primer lugar, porque dada su capacidad calórica es un excelente amortiguador de los cambios térmicos bruscos; y en segundo lugar, por su gran conductividad para el calor hace que sea un excelente distribuidor de la temperatura en los seres vivos.

3.2.- LAS SALES MINERALES. Las sales minerales forman parte de todos los seres vivos, tanto animales como vegetales. Entre ellas destacan por su importancia los cloruros, fosfatos, y bicarbonatos de sodio, potasio, calcio y magnesio. Como quiera que estas sales se encuentren en solución, sus moléculas se hallan en forma de iones: -

Aniones: Cl-, HPO42-, H2PO4- y HCO3-. Cationes: Na+, K+, Ca2+ y Mg2+.

Las sales minerales desempeñan en los seres vivos numerosas e importantes funciones, tales como: depositarse en órganos esqueléticos para darles consistencia (huesos, dientes, caparazones, etc.); intervenir en los fenómenos de contracción muscular y conducción nerviosa, etc., pero de una forma particular merecen especial mención las tres funciones siguientes: -

1º/ Regulación de los fenómenos osmóticos. 2º/ Regulación del llamado equilibrio ácido-básico. 3º/ Acción específica de los cationes.

4.- PRINCIPIOS INMEDIATOS ORGÁNICOS. 4.1.- GLÚCIDOS O HIDRATOS DE CARBONO. Los glúcidos, también denominados hidratos de carbono, glícidos, carbohidratos y azúcares, son sustancias orgánicas integradas por C, H y O entrando estos dos últimos en la proporción necesaria para formar agua: Cn(H2O)n. Los glúcidos son principios inmediatos básicamente energéticos (su función es la de proporcionar energía), por lo que desempeñan un importante papel como fuente de energía para los seres vivos. Forman parte de las estructuras de sostén de los vegetales y también están presentes en gran cantidad en los animales. En las plantas, la celulosa y la

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hemicelulosa son los principales elementos estructurales. En los animales invertebrados, el polisacárido quitina es el principal componente del exoesqueleto de los artrópodos. En los animales vertebrados, las capas celulares de los tejidos conectivos tienen hidratos de carbono. Se dividen en: -

Monosacáridos: Son azúcares o glúcidos que no se pueden descomponer en otros más simples. Disacáridos: Resultan de la unión de dos moléculas de monosacárido con separación de una molécula de agua. Polisacáridos: Resultan de la unión de “n” moléculas de monosacáridos con separación de “n-1” moléculas de agua.

Monosacáridos Tienen sabor dulce (azúcares), color blanco, son solubles en el agua y poseen poder reductor. Entre los monosacáridos destacan los de seis átomos de carbono o hexosas (C6H12O6). Las tres hexosas más importantes son: la glucosa o azúcar de uva, que se encuentra en muchas frutas, en la miel, en la sangre, etc.; La fructosa, que va asociada a la anterior en la miel y en muchas frutas, y la galactosa, que forma parte del azúcar de la leche. Entre los monosacáridos de cinco átomos de carbono o pentosas merecen destacarse la ribosa y la Desoxiribosa, de gran interés biológico, por formar parte de los ácidos nucleicos y de muchas coenzimas, y la ribulosa fundamental en el proceso de fotosíntesis.. Disacáridos Resultan de la unión de dos moléculas de monosacárido con separación de una de agua. Esta definición se puede ver fácilmente en esta fórmula: C6H12O6 + C6H12O6 ↔ C12H22O11 + H2O Por hidrólisis esta reacción es reversible, es decir, que un disacárido al incorporar una molécula de agua puede dejar libes las dos moléculas de monosacárido que lo forman. Para que esto ocurra es necesaria la presencia de ciertos fermentos, tales como la sacarasa, maltasa, lactasa, etc... Los principales disacáridos son los siguientes: - Sacarosa: Formada por glucosa más fructosa. Es el azúcar de caña o remolacha. - Maltosa: Formada por glucosa más glucosa. Es el azúcar de malta. - Lactosa: Formada por glucosa más galactosa. Es el azúcar de la leche. - Celobiosa: Formada por glucosa más glucosa. Es intermediario del metabolismo de la celulosa. Polisacáridos Los polisacáridos se diferencian en muchos aspectos de los monosacáridos y disacáridos. No cristalizan, no forman verdaderas soluciones en el agua, sino coloides y 5

carecen de sabor dulce. Por hidrólisis los polisacáridos se descomponen en disacáridos y por último en monosacáridos. Los principales polisacáridos son: -

El almidón constituye la principal reserva alimenticia de los vegetales, siendo especialmente abundante en determinadas partes de estos, tales como tubérculos y semillas. Por hidrólisis, el almidón se descompone en los siguientes productos: Almidón → Dextrina → Maltosa → Glucosa

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El glucógeno se encuentra en los animales (músculos, corazón, hígado, etc...) por lo que también se le denomina “almidón animal”. Por hidrólisis origina: Glucógeno → Maltosa → Glucosa La celulosa forma la parte fundamental de la membrana de las células vegetales. Se descompone por hidrólisis en : Celulosa → Celobiosa → Glucosa

4.2.- LOS LÍPIDOS. Los lípidos, llamados también grasas y aceites, están formados químicamente por C, O y H, siendo frecuente que se unan a estos elementos el P, N y S. Tienen un elevado peso molecular y se caracterizan por su insolubilidad en el agua, su solubilidad en los disolventes orgánicos neutros (alcohol, acetona, éter, cloroformo, benceno, y tetracloruro de carbono) y que por hidrólisis ácida o por fermentación dan ácidos grasos. Se dividen en: -

Lípidos simples o grasas: Son ésteres del trialcohol glicerina con diferentes ácidos grasos. Lipoides: Comprende una serie de substancias muy heterogéneas en su composición química, pero que siguen gozando de las propiedades físicas que presentan las grasas.

Los lípidos desempeñan dos funciones principales en los seres vivos: son, como los glúcidos, fuente de energía pero además son plásticos, es decir, pueden depositarse formando importantes depósitos en los organismos. En el aspecto físico, los lípidos desempeñan un importante papel como aislantes térmicos. Se clasifican en lípidos simples o grasas y lipoides. Lípidos simples o grasas Se definen como ésteres de trialcohol glicerina con diferentes ácidos grasos. Los ácidos grasos que intervienen en la formación de las grasas tienen siempre un número par de átomos de carbono y los principales son: - Butírico: CH3-(CH2)2-COOH - Palmítico: CH3-(CH2)14-COOH - Esteárico: CH3-(CH2)16-COOH - Oleico: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH

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Hay grasas que a temperatura ordinaria se presentan sólidas, mientras que otras lo hacen en estado líquido. Las primeras (sebos, manteca, etc.) son aquellas en cuya constitución entran los ácidos palmítico y esteárico; las segundas, como los aceites, presentan el ácido oleico. Aunque las grasas, como todos los lípidos, son insolubles en agua, cuando se agitan en ella se dividen en pequeñísimas gotitas formando una emulsión que es transitoria, pues en cuanto se suspende la agitación, las gotitas se reúnen de nuevo ascendiendo a la superficie donde forman una capa de grasa. Lipoides Los lipoides más importantes son los siguientes: - Lípidos complejos: En su molécula figuran átomos de P, S y N. - Fosfoaminolípidos: Son los que además de C, O e H contienen P o N. - Lecitina: Se encuentra en la yema del huevo. - Cefalina: Se encuentra en el cerebro. - Glicolípidos: Son los que contienen glúcidos en su molécula. - Cerebrósidos: Se encuentran en el cerebro. - Lípidos isoprenoides: Formados por unidades de hidrocarburo isopreno. - Carotinoides o lipocromos: Formados químicamente por cadenas lineales de isoprenos. Son sustancias coloreadas. - Carotina: Pigmento anaranjado de la zanahoria y del tomate del cual deriva la vitamina A. - Xantofila: Pigmento amarillento, óxido del anterior que abunda en la yema del huevo. - Esteroides: Formados químicamente por cadenas de isoprenos. - Colesterina: Se encuentra principalmente en la bilis y de ella deriva la vitamina D3. - Ácidos biliares: Forman parte de la bilis. - Ergosterina: Se encuentra principalmente en los hongos y de ella deriva la vitamina D. 4.3.- LAS PROTEÍNAS. Los prótidos, proteínas u albuminoides son los constituyentes químicos fundamentales de la materia viva ya que estos presentan actividad vital. Están caracterizados por presentar N, además de sus elementos principales (C, H y O) y de sus elementos secundarios (S, P, Fe y Cu) y por el gran tamaño de sus moléculas (macromoléculas). Las proteínas o prótidos están formados por unos componentes llamados aminoácidos que pueden considerarse como los ladrillos de los edificios moleculares proteicos. Los aminoácidos son 22, de los cuales 8 son esenciales: Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, FenilAlanina, Treonina y Triptófano. Las propiedades más destacadas de las proteínas son las siguientes: forman soluciones coloidales, capaces de precipitar con formación de coágulos al ser tratadas con soluciones salinas, ácidos, etc..., o calentadas a temperaturas superiores a 70ºC (la leche ácida forma coágulos; la clara de huevo se coagula por calor, etc...). Algunas proteínas pueden cristalizar.

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Otra de las propiedades más características de las proteínas es su especificidad, es decir, que cada especie animal o vegetal fabrica sus propias proteínas distintas de las demás especies y aún dentro de la misma especie, hay diferencia entre los distintos individuos, lo que no ocurre con los glúcidos y los lípidos, que son comunes a todos los seres vivos. Las proteínas son principios inmediatos esencialmente plásticos, es decir, se incorporan a los organismos edificando la propia materia de estos. Sólo excepcionalmente actúan como fuente de energía. Las moléculas proteicas van desde las largas fibras insolubles que forman el tejido conectivo y el pelo, hasta los glóbulos compactos solubles, capaces de atravesar la membrana celular y desencadenar reacciones metabólicas. Las proteínas sirven sobre todo para construir y mantener las células, aunque su descomposición química también proporciona energía, con un rendimiento de 4 kcal/g. Además de intervenir en el crecimiento y mantenimiento celular son responsables de la contracción muscular, mantener la viscosidad de la sangre, regular la presión osmótica y la síntesis de fermentos. Las enzimas son proteínas, al igual que la insulina y casi todas las demás hormonas, los anticuerpos del sistema inmunológico y la hemoglobina, que transporta oxígeno en la sangre. Los cromosomas, que transmiten los caracteres hereditarios en forma de genes, están compuestos por ácidos nucleicos y proteínas Se dividen en: -

Holoproteínas: Son aquellas formadas por cadenas de péptidos. A su vez se clasifican en : - Albúminas: Ovoalbúmina, lactoalbúmina y seroalbúmina. - Globulinas: Seroglobulinas. - Proteínas fibrilares: Miosina, fibrinógeno, colágeno y queratina.

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Heteroproteínas: Son, junto a las holoproteinas, los grupos principales de los prótidos. Se caracterizan porque además de las cadenas de péptidos, entran en su constitución unos compuestos llamados grupos prostéticos. Se dividen en: - Glucoproteínas: El grupo prostético es un glúcido. Son la mucina de los exudados bronquiales, las mucosidades de los caracoles, la saliva, etc... - Fosfoproteínas: El grupo prostético es el ácido fosfórico. Es el caseinógeno de la leche. - Cromoproteínas: El grupo prostético es un pigmento (metalporfirina), constituido por un núcleo químico denominado porfirina unido a un metal que varía según los casos (hemoglobina, hemocianina y clorofila) Nucleoproteínas: El grupo prostético son los ácidos nucleicos. En la formación de los ácidos nucleicos interviene tres sutancias diferentes: ácido fosfórico, una pentosa (ribosa o desoxirribosa) y las llamadas bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina, timina y uracilo). Éstos merecen un estudio detenido por su gran importancia biológica (descubrimiento del código genético)

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Proteínas Fibrosas Colágeno: Es la proteína más abundante de los vertebrados, forma parte de huesos, piel, tendones y cartílagos. La molécula contiene tres cadenas polipeptídicas muy largas, cada una formada por unos 1.000 aminoácidos,

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trenzados en una triple hélice que confiere a los tendones y a la piel su elevada resistencia a la tensión. Cuando las largas fibrillas de colágeno se desnaturalizan por calor, las cadenas se acortan y se convierten en gelatina. Queratina: Constituye la capa externa de la piel, el pelo y las uñas en el ser humano y las escamas, pezuñas, cuernos y plumas en los animales. La queratina protege el cuerpo del medio externo, es por ello insoluble en el agua. Fibrinógeno: Es la proteína plasmática de la sangre responsable de la coagulación. Bajo la acción catalítica de la trombina, el fibrinógeno se transforma en fibrina que es el elemento estructural de los coágulos sanguíneos o trombos. Proteínas musculares: La miosina, que es la principal proteína de la contracción muscular se combina con la actina, y ambas actúan en la acción contráctil del músculo esquelético y en los distintos tipos de movimiento celular. Proteínas globulares: A diferencia de las fibrosas, las proteínas globulares son esferas y muy solubles. Desempeñan una función dinámica en el metabolismo corporal. Son ejemplos la albúmina, la globulina, la caseína, la hemoglobina, todas las enzimas y las hormonas proteicas. Albúminas y globulinas son proteínas solubles abundantes en las células animales, el suero sanguíneo, la leche y los huevos. La hemoglobina es una proteína respiratoria que transporta oxígeno por el cuerpo; a ella se debe el color rojo intenso de los eritrocitos. - Enzimas: Son proteínas globulares que se combinan con otras sustancias, llamadas substratos, para catalizar las numerosas reacciones químicas del organismo - Hormonas proteicas: Estas proteínas, segregadas por las glándulas endocrinas, actúan estimulando a ciertos órganos fundamentales que a su vez inician y controlan actividades importantes como el ritmo metabólico o la producción de enzimas digestivas y de la leche. La insulina, segregada por los islotes de Langerhans en el páncreas, regula el metabolismo de los hidratos de carbono mediante el control de la concentración de glucosa. La tiroxina, segregada por el tiroides, regula el metabolismo global; y la calcitonina, también producida en el tiroides, reduce la concentración de calcio en la sangre y estimula la mineralización ósea. - Anticuerpos: Los anticuerpos, también llamados inmunoglobulinas, agrupan los miles de proteínas que se producen en el suero sanguíneo como respuesta a los antígenos (sustancias u organismos que invaden el cuerpo). Un solo antígeno puede inducir la producción de numerosos anticuerpos, que se combinan con diversos puntos de la molécula antigénica, la neutralizan y la precipitan en la sangre. - Microtúbulos: Las proteínas globulares pueden también agruparse en túbulos huecos que actúan como entramado estructural de las células y, al mismo tiempo, transportan sustancias de una parte de la célula a otra.

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4.4.- ÁCIDOS NUCLEICOS. Están formados por Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) y Nitrógeno (N)) y Fósforo (P). Son polímeros formados por la repetición de un monómero llamado nucleótido.Los nucleotidos están formados por un azúcar (pentosa) que contienen: la desoxiribosa en el ADN y ribosa en el ARN, Uno o más ácidos fosfóricos: grupo fosfato y una base nitrogenada: Adenina (A) , Timina (T), Guanina (G), Citosina (C) y Uracilo (U), siendo Púricas la Adenina y Guanina, y Pirimidínicas: la Citosina, Timina (pertenece al ADN) y Uracilo (pertenece al ARN). Existen dos diferencias entre el ADN y ARN: el ADN tiene una desoxirribosa y el ARN una ribosa. El ADN, además, contiene timina y el ARN uracilo. El ADN es por lo común el constituyente básico de la cromatina (cromosoma) nuclear en las células eucariotas. Los cromosomas se encuentran en el núcleo de éstas células.se dividen en pequeñas unidades llamadas genes. Estos genes determinan las características hereditarias de la célula u organismo. El ser humano tiene 23 pares de cromosomas (46). Las células reproductoras del ser humano tienen la mitad de los cromosomas. Cuando se efectúa la fecundación, el espermatozoide y el óvulo (células reproductoras o gametos) se unen y forman un nuevo individuo con la mitad de los cromosomas del padre y la otra mitad de la madre. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. Generalmente, la estructura del ADN es una cadena doble, mientras que el ARN está formado por una sola cadena. Ambos ácidos están compuestos por nucleotidos unidos entre sí. Según su composicón química, los ácidos nucleicos se clasifican en ácidos desoxiribonucleicos (ADN) que se encuentran residiendo en el núcleo celular y algunos organulos, y en ácidos ribonucleicos (ARN) que actúan en el citoplasma. -ácido desoxirribonucleico (ADN) Su azúcar es desoxirribosa Nunca tiene Uracilo (U) Cadena doble unida por puente de hidrogeno entre sus bases hidrogenadas La cadena se enrolla en forma de doble hélice Portador y transmisor de la información genética Código genético: formado por A, T, G y C que son las "letras" del código genético. -Caracteristicas del código genético: Es casi universal (tanto en bacterias como animales, plantas y cloroplastos pero no en las mitocondrias) y degenerado (muy repetitivo). -Ácido ribonucleico (ARN) Su azúcar es ribosa Nunca tiene la base nitrogenada Timina (T) Es una cadena simple de nucleotidos Se encuentra en el núcleo y en el citoplasma de la célula

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Transmite la información genética hasta el citoplasma, donde sintetiza proteínas -Función básica del ARN: el articular los procesos de expresión de la información genética del ADN en la síntesis de proteínas Se distinguen 3 tipos de ARN: ARN ribosómico que se encuentra en los ribosomas de la célula. ARN transferente que es el que interviene en la síntesis de proteínas llevando los aminoácidos codificados en la expresión genética. ARN mensajero que es una copia exacta al ADN progenitor en moléculas hijas idénticas. Bibliografía -

Diccionario Enciclopédico Espasa.

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El Gran Libro de Consulta El País.

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Enciclopedia de los Conocimientos Océano.

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Enciclopedia Microsoft Encarta 2004.

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Enciclopedia Visual de los Seres Vivos. El País

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