UNIDAD 1


LA BIOFISICA. La formación del universo y el origen de la vida.

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan.
Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de entre 13 730 y 13 810 millones de años y por lo menos 93 000 millones de años luz de extensión. El evento que dio inicio al universo se denomina Big Bang. Se denomina Big-Bang a la singularidad que creó el universo. Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse para llegar a su condición actual, y continúa haciéndolo.
Todas las mitologías y religiones de nuestro planeta han explicado con imaginación la existencia de la materia en el universo, una cosmogonía que nacía de la pregunta ¿por qué existe algo en lugar de nada? Y en casi todas, un ser con poderes infinitos ha generado las cosas de la nada.
De hecho, esta teoría subyace bajo la idea predominante en la ciencia, la teoría del Big Bang, pero existen otros modelos de nacimiento del universo que no requieren un acto de creación inicial.


  • Teoría del Big Bang

Según la teoría del Big Bang el universo aparece de la nada. Todo lo que existe nació de una gran explosión hace 15.000 millones de años. La materia se concentraba en un punto decenas de miles de veces más pequeño que el núcleo de un átomo.
  • Teoría del Creacionismo
Al conjunto de creencias, inspiradas en doctrinas religiosas, según las cuales la Tierra y cada ser vivo que existe actualmente provienen de un acto de creación por uno o varios seres divinos, cuyo acto de creación fue llevado a cabo de acuerdo con un propósito divino.

Teorías del origen de la vida
- Primera hipótesis: Creacionismo
El creacionismo es un sistema de creencias que postula que el universo, la tierra y la vida en la tierra fueron deliberadamente creados por un ser inteligente. Hay diferentes visiones del creacionismo, pero dos escuelas principales sobresalen: el creacionismo religioso y el diseño inteligente.

-Segunda hipótesis: La generación espontánea
La teoría de la generación espontánea, también conocida como autogénesis es una antigua teoría biológica de abiogénesis que sostenía que podía surgir vida compleja, animal y vegetal, de forma espontánea a partir de la materia inerte.

-Tercera teoría: El origen cósmico de la vida o panspermia
Según esta hipótesis, la vida se ha generado en el espacio exterior y viaja de unos planetas a otros, y de unos sistemas solares a otros.

- Cuarta teoría: Teoría de la evolución química y celular.
Mantiene que la vida apareció, a partir de materia inerte, en un momento en el que las condiciones de la tierra eran muy distintas a las actuales y se divide en tres.
  • ·         Evolución química.
  • ·         Evolución prebiótica.
  • ·         Evolución biológica.

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-La biofísica y la medicina moderna. La Ciencia: Método Científico.


La Biofísica ha hecho grandes aportes a la Medicina. El conocimiento Biofísico ha sido el pilar fundamental para el entendimiento de los fenómenos fisiológicos que son base del funcionamiento del organismo humano en estado normal y patológico. Dentro de ellos podemos mencionar: la recepción de señales exteriores por parte del organismo, la transmisión del impulso nervioso, los procesos biomecánicos del equilibrio y desplazamiento del organismo humano, la óptica geométrica del ojo, la transmisión del sonido hasta el oído interno y el cerebro, la mecánica de la circulación sanguínea, de la respiración pulmonar el proceso de alimentación y sostenimiento energético del organismo, el mecanismo de acción de las moléculas biológicamente funcionales sobre las estructuras celulares, los modelos físico-matemáticos de los procesos biológicos, etc.

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-Estructura de la Materia. El Electrón. El Protón. El Neutrón.
¿Qué es la materia? Según el diccionario, es "aquello que constituye la sustancia del universo físico". La Tierra, los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo. La palabra materia deriva del latín mater, madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua, tan informe como el oxígeno del aire. A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, los átomos.
Las radiaciones ionizantes y sus efectos también son procesos atómicos o nucleares. Por eso debemos describir a los átomos y sus núcleos antes de hablar de la radiación.
Los aspectos más importantes de la estructura atómica y molecular de la materia.
·         Elementos
·         Átomos
·         Moléculas

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-Positrón o Electrón positivo.


Un positrón es una partícula de tipo elemental (ya que no existen evidencias de que esté compuesta por otras partículas más simples) cuya carga eléctrica resulta igual a la que posee el electrón, aunque positiva. Por esta característica, se dice que el positrón es la antipartícula de esta partícula subatómica.

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-Niveles de Organización de la Materia.
El Cuerpo humano constituye un todo único que se compone de diferentes sistemas que mantienen el metabolismo celular y hacen posible la vida. Todos los sistemas que conoces, como el locomotor, digestivo, respiratorio, urogenital, endocrino y nervioso, están constituidos por órganos. Los órganos son agrupaciones de tejidos con una estructura particular, adaptada a la función que desempeñan. Todo tejido está constituido por células, matriz extracelular y líquido tisular. Las células, por su parte, constituyen un sistema de agregados moleculares. Y por último las moléculas están constituidas por átomos. La materia, por lo tanto, está organizada en niveles desde inferiores a superiores según el desarrollo alcanzado en la escala evolutiva. Estos niveles son: subatómico o de las partículas elementales, atómico, molecular, celular, nivel de organismos, poblaciones, especie, Comunidad y mundo biológico y social.
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-Niveles de organización de los seres vivos.

La materia se organiza en diferentes niveles de complejidad creciente denominados niveles de organización. Cada nivel proporciona a la materia propiedades que no se encuentran en los niveles inferiores.
Los niveles de organización de la materia se pueden agrupar en abióticos y bióticos. Los abióticos abarcan tanto a la materia inorgánica como a los seres vivos, mientras que los bióticos sólo se encuentran en los seres vivos.



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-Generalidades de los compuestos Químicos. Tabla periódica.

La tabla periódica de los elementos, como también se la denomina, es un cuadro que clasifica, organiza y distribuye los diferentes elementos químicos existentes, siendo entonces su misión primaria el ordenamiento a partir de la agrupación de los elementos que la integran. En la actualidad esta tabla ostenta una especial presencia a la hora de acercar los conocimientos sobre química, dado que el estudio de la misma forma parte de los programas de estudios secundarios en el área de la química.



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-Sólidos, Líquidos, Gases

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.
La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
·         Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.

·         Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

·         Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.


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-Fenómenos biofísicos moleculares.

Los fenómenos moleculares son procesos que tienen lugar en la base estructural del mundo que nos rodea, esto es, átomos, iones, moléculas y fotones, en el rango de temperaturas y energías que caracterizan las actividades humanas de cada día.
Los fenómenos moleculares que conocemos son:

·      Adhesión: propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.
·     Cohesión: atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia
·         Difusión: proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.
·        Tensión superficial: se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área
·        Capilaridad: La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

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-Tensión Superficial. Presión Hidrostática. Adhesión y cohesión. Difusión. Osmosis. Adsorción.

Tensión Superficial

Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Las moléculas no tienen otras iguales sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan más fuertemente, con aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto forma una película de superficie, que hace mas difícil mover un objeto a través de la superficie, que cuando está completamente sumergido.

Presión Hidrostática
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.

Adhesión y cohesión
Las moléculas en estado líquido experimentan una fuerte fuerza de atracción intermolecular. Cuando esas fuerzas son entre moléculas iguales, entonces las referimos como fuerzas cohesivas.

Difusión
La difusión es un proceso que tiende a uniformizar la densidad de moléculas, debido al transporte neto de moléculas desde una región donde la concentración es mayor hacia otra de concentración menor.

Osmosis
La ósmosis a pesar de que su nombre suene tan raro, no es más un proceso normal de toda célula, según el cual un líquido pasa de una región de alta concentración acuosa a través de una membrana semi-permeable a una región de baja concentración con el objetivo de igualar las concentraciones de ambos solutos. 

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-Acción capilar y capilaridad.
Se define como el movimiento del agua, dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y a la tensión de la superficie.
La acción capilar ocurre porque el agua es pegajosa, las moléculas del agua se pegan unas a otras y a otras substancias como el vidrio, la ropa, tejidos orgánicos y la tierra. Por ejemplo al poner una toalla de papel, dentro de un vaso de agua y el agua se le adherirá a la toalla de papel, por lo que el agua empezará a moverse hacia arriba de la toalla de papel hasta que la gravedad la consuma y dependiendo de la cantidad de agua que sea así será que cubra completa o parcialmente la toalla de papel.


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-Fenómeno Físico y Químico

Fenómeno Físico
La materia puede someterse a dos tipos de procesos o fenómenos, los físicos y los químicos.
Cuando ocurre un fenómeno físico las sustancias realizan un proceso o cambio sin perder sus propiedades características, es decir, sin modificar su naturaleza.
También es un proceso físico la fusión del hielo, pues el líquido que se obtiene sigue siendo agua, e incluso el paso de ésta a vapor.

Fenómenos Químicos

Son transformaciones permanentes, donde una o varias sustancias desaparecen, y una o varias sustancias nuevas se forman, es decir hay alteraciones en su estructura íntima o molecular. No es reversible mediante procesos físicos.

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-Termometría, calorimetría, Energía, trabajo y calor.

          Termometría
La termometría es la encargada de la medición de la temperatura en sistemas o cuerpos. Para realizar dicha medición, se utiliza un instrumento llamado termómetro, que aprovecha el fenómeno de dilatación de los cuerpos con el calor, para poder medir la temperatura.

Calorimetría
La calorimetría es la ciencia de medir el calor de las reacciones químicas o de los cambios físicos. El instrumento utilizado en calorimetría se denomina calorímetro. La palabra calorimetría deriva del latino "calor". 

Energía
Es un concepto utilizado en el campo de las ciencias naturales en general; es una propiedad que le permite a cualquier objeto físico realizar algún trabajo. 

Trabajo
Cuando hablamos de trabajo, entendemos que tenemos que utilizar nuestros músculos gastando una cantidad de energía o hacer un cierto esfuerzo para realizar una tarea. Pero esto es el concepto más bien biológico del trabajo.

Calor
El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

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-Temperatura y escalas termométricas.

Temperatura

La temperatura es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius. Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:

T (K) = t(ºC) + 273


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-Propagación del calor. Mecanismos.

Propagación del Calor
El calor puede transferirse (pasar de un cuerpo a otro o de una parte a otra de un mismo cuerpo) de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

CONDUCCIÓN

Es una forma de transmisión del calor se origina en sólidos, por medio de choques entre moléculas, en los cuales la energía térmica (en forma de energía cinética) se propaga por vibración de molécula a molécula.

CONVECCIÓN:
Cuando el calor se transmite por medio de un movimiento real de la materia que forma el sistema se dice que hay una propagación de calor por convección. Un ejemplo son: Los radiadores de agua caliente y las estufas de aire.
RADIACIÓN:
Un segundo cuerpo puede absorber estas ondas y con ello aumentar su temperatura. Entre los dos cuerpos se registra un cambio de temperatura. Entre los dos cuerpos se registra un cambio de temperatura se dice que ha habido una propagación del calor por radiación.

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-Leyes de la Termodinámica. La entalpia. Entropía.


Principio cero de la termodinámica

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Primera ley de la termodinámica


También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.

Segunda ley de la termodinámica

Esta ley marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).

Tercera ley de la termodinámica

Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las leyes de la termodinámica". Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la mecánica estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente. 
La entalpia
Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

Entropía
En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural.
La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.

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-Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas.


Reacción exotérmica

Una reacción exotérmica es cualquier reacción química que desprende energía, mientras tanto, llamamos reacción química o modificación química al proceso químico en el cual dos o más sustancias (los reactivos), por la acción de una variable energética devienen en otras sustancias denominadas productos; las sustancias pueden ser elementos, o en su defecto compuestos. Por ejemplo, el óxido de hierro es la reacción química resultante tras la reacción del oxígeno del aire con el hierro.

Reacción endotérmica

En el caso de una reacción endotérmica la cantidad de energía contenida en los reactivos es menor, con respecto a la necesaria para la formación de los productos, por esta razón es necesario suministrar constantemente energía del entorno para que la reacción progrese.

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-Temperatura, Radiación y termodinámica de los seres vivos.

Temperatura en los seres vivos

La temperatura de los seres vivos no depende solo de la temperatura ambiente, y hay otros factores actuando. El balance de calor y radiación expresa los intercambios de energía y calor de un organismo con el medio. Por ejemplo, una hoja está sometida a muchos flujos de intercambio: del sol recibe radiación de onda corta, radiación visible y radiación de onda larga. Además, tanto la atmósfera como los cuerpos cercanos emiten radiación infrarroja. La mayor parte de esta radiación acaba transformándose en calor y como consecuencia la hoja adquiere una determinada temperatura y también emite radiación infrarroja.
Cuando se establece una diferencia de temperatura entre la hoja y la atmósfera, estas diferencias tienden a anularse a causa de otras transferencias de calor:
– Calor sensible: la hoja lo intercambia por contacto directo con las moléculas de aire y las moléculas de su superficie.
– Calor latente: va asociado a los cambios de temperatura del agua: se intercambia por evaporación y condensación.

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-PROCESO DE ALIMENTACIÓN.

En el sistema digestivo ocurre una serie de procesos que modifican el alimento que ingresa al organismo, mediante esos procesos el alimento se transforma física y químicamente.
Los alimentos en su mayoría formados por moléculas complejas, se transforman o degradan en otras más sencillas y pequeñas, condición de importancia para su absorción, dentro del sistema digestivo la secuencia de procesos que transforman los alimentos es la siguiente:
  • INGESTIÓN: proceso de incorporación de alimentos a través de la boca.
  • DIGESTIÓN: serie de procesos que ocurre en diversos órganos del sistema digestivo y que transforman los alimentos.
  • ABSORCIÓN: Los nutrientes representados por  moléculas sencillas pasan del sistema digestivo a la sangre para ser distribuidos a todo el cuerpo.
  • EGESTIÓN: Es el proceso a través del cual se expulsan los desechos de la digestión como materia fecal hacia el exterior.
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Estrategias metabólicas de los seres vivos.
La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, poder reductor y precursores para la biosíntesis.
El ATP es la unidad biológica universal de energía, el elevado potencial para transferir grupos fosforilos capacita al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis.
El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos, el intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es el acetil-CoA. Los carbonos del fragmento acetilo se oxidan completamente a CO2 en el ciclo del ácido cítrico, con formación simultánea de NADH y FADH2, que transfieren sus electrones de elevado potencial a la cadena respiratoria, con formación final de ATP. La glucólisis es otro proceso generador de ATP, pero la cantidad que se forma es mucho menor que en la fosforilación oxidativa (2 vrs. 30 0 32 ATP‘s), sin embargo, la glucólisis puede transcurrir rápidamente durante un corto tiempo en condiciones anaeróbicas, mientras que la fosforilación oxidativa requiere del suministro continuado de O2.

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-REGULACIÓN DE CALOR EN LOS ANIMALES.

La termorregulación o regulación de la temperatura es la capacidad que tiene un organismo biológico para modificar su temperatura dentro de ciertos límites, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente.

La regulación de los animales está dada por la temperatura del ambiente y la eficacia del hipotálamo por lograr mantener la temperatura interna constante en el animal, así mismo el animal debe tener reservas de grasas para quemarlas cuando sea necesario y así lograr producir calor y mantener la temperatura adecuada.
El ser humano es un organismo homeotermo y endotermo, lo que implica, a pesar de grandes variaciones en la temperatura ambiental, la producción de calor interna equilibra la pérdida de calor dando como resultado una temperatura corporal estable, este equilibrio se conoce como balance calórico o flujo calórico, su control es efectuado eficazmente a través de la modulación del comportamiento, por ejemplo (cambio de ropa) y de mecanismos fisiológicos, ejemplo (sudoración, tiritación).

Mecanismos de regulación de la temperatura corporal.

La temperatura del cuerpo está regulada casi exclusivamente por mecanismos nerviosos de retroalimentación negativa que operan, en su mayoría, a través de centros termorreguladores situados en el hipotálamo, en adición al control neural, las hormonas afectan la termorregulación, pero en general están asociadas con la aclimatización a largo plazo. Se han propuesto tres modelos que explican el mecanismo de la homeostasis térmica en el hombre, los dos primeros proponen que la temperatura es la variable regulada (estos modelos consideran que los mecanismos termorreguladores tratan en todo momento, de llevar la temperatura corporal al punto de ajuste), el tercer modelo es fundamentalmente diferente a los dos primeros, ya que propone que la variable regulada es el contenido de calor en lugar de la temperatura per se, en este modelo se considera que la temperatura del cuerpo es un subproducto de la regulación.

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Nutrientes Principales

El diccionario médico de Stedman define los nutrientes como componentes de los alimentos esenciales para el crecimiento, funcionamiento y mantenimiento del cuerpo. Una dieta saludable debe contener varios nutrientes.



Los 7 nutrientes principales son la proteína, carbohidratos, grasas, vitaminas, minerales, agua y antioxidantes. La proteína, carbohidratos y grasas proveen calorías y también realizan otras funciones. El cuerpo las utiliza en grandes cantidades. Aunque las vitaminas, minerales y antioxidantes no proveen ninguna caloría, son esenciales para la buena salud.





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Radiación

El fenómeno de la radiación consiste en la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material.
La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la llamada radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas α, partículas β, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energía.
Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria.
Son radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ, partículas α y parte del espectro de la radiación UV entre otros. Por otro lado, radiaciones como los rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes. 

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Evaporación

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende del volumen, pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación. Cuando la presión de vapor iguala a la atmosférica, se produce la ebullición. En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo. La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el vapor de agua, al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío.

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Sudor
El sudor es producido generalmente como un medio de refrigeración corporal conocido como transpiración. El sudor también puede ser causado por una respuesta física a la estimulación y el miedo, ya que estos estímulos aumentan la excitación que el sistema nervioso simpático ejerce sobre las glándulas sudoríparas.


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