El origen de la vida y su evolución

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EL ORIGEN DE LA VIDA Y SU EVOLUCIÓN


1. EL ORIGEN DE LA VIDA 2. EL ESCENARIO DEL ORIGEN DE LA VIDA: LA TIERRA PRIMITIVA 3. DE LA MATERIA INERTE A LAS BIOMOLÉCULAS 4. LA FORMACIÓN DE LAS PROTOCÉLULAS A PARTIR DE LA MATERIA ORGÁNICA 5. LA EVOLUCIÓN DE LA VIDA EN LA TIERRA


1.EL ORIGEN DE LA VIDA

Una de las más importantes cuestiones científicas aún no resuelta es la del origen de la vida. En la actualidad existen diversas teorías pero ninguna de ellas es concluyente.

Hasta el siglo XIX prevaleció la teoría de la generación espontánea – ya presente en Aristóteles – según la cual algunas formas de vida procederían de la materia inerte: así, determinados organismos surgirían en medios como el rocío, el sudor o la humedad. Fue Louis Pasteur quien en 1860 acabó con la teoría de la generación espontánea. La conclusión de Pasteur era clara: todos los seres vivos proceden de otros seres vivos. Pero lo que sigue sin estar claro es el origen del primer ser vivo. Algunos científicos en la actualidad sostienen que nunca será posible resolver esta cuestión, cuando por otro lado ni siquiera la comunidad científica ha llegado a un acuerdo para definir qué es la vida: hoy coexisten decenas de definiciones.

De todos modos hay actualmente diversas teorías que coinciden al entender el origen de la vida como consecuencia de un doble proceso evolutivo: en primer lugar hay que explicar cómo la materia inorgánica pudo dar lugar a moléculas orgánicas constituyentes de los seres vivos (evolución química o prebiótica); y en segundo lugar habría que explicar cómo, a partir de la materia orgánica, pudieron surgir las primeras estructuras semejantes a células. Estas protocélulas evolucionarían más tarde para formar verdaderas células que, a su vez y a través de un largo proceso evolutivo, darían lugar a organismos cada vez más complejos hasta llegar a la diversidad biológica actual.


2. EL ESCENARIO DEL ORIGEN DE LA VIDA: LA TIERRA PRIMITIVA

Son muchos científicos los que piensan que la vida en la Tierra se originó una sola vez, y es seguro que ocurrió en condiciones ambientales muy distintas a las actuales. Para entender el origen de la vida, se deben estudiar las condiciones primitivas de la Tierra. Aunque jamás tendremos una certeza absoluta acerca de ellas, ciertas pruebas científicas, obtenidas de diferentes estudios - geológicos, físicos y químicos- proporcionan datos importantes al respecto.

Desde 1956 – cuando se hizo un cálculo preciso de la edad de la Tierra – se han hallado fósiles, se han datado rocas y se ha ido conociendo mejor la formación del Sistema Solar y de la Tierra en particular. De acuerdo con los estudios de astrofísicos y geólogos, la Tierra tiene una edad de 4560 millones de años de antigüedad. La materia que la conforma se compactó como resultado de la acción de fuerzas gravitatorias: los elementos más pesados, como níquel y hierro, formaron el núcleo central, los elementos de peso medio formaron el manto, y los ligeros quedaron cerca de la superficie. La primera atmósfera, compuesta en gran parte por los elementos más ligeros, helio e hidrógeno, se perdió debido a que las fuerzas gravitacionales de la Tierra no fueron capaces de retenerla.

La actividad volcánica dio lugar a una atmósfera secundaria al liberar nitrógeno, dióxido de carbono, ácido sulfhídrico, vapor de agua...Las condiciones iniciales en la Tierra habrían sido inhóspitas para casi todos los seres vivos de la actualidad. Las temperaturas serían superiores a los 400oC. La atmósfera era reductora, es decir, con poco oxigeno libre o sin él. Los gases producidos incluían, como se ha dicho, dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H20), hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Probablemente esta atmósfera contenía también un poco de amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y metano (CH4), aunque estas moléculas bien pudieron haberse degradado por la radiación ultravioleta del sol. Con el enfriamiento gradual de la Tierra, el vapor de agua se condensó, produciendo lluvias torrenciales que formaron océanos. Además, estas lluvias erosionaron la superficie de la Tierra, agregando minerales a los océanos.

Actualmente se conocen rocas de hace 4000 Ma – gneis encontrado en Canadá -, lo cual quiere decir que en esa época la superficie terrestre ya se había enfriado y era sólida.

Así pues, hace unos 4000 ma la Tierra estaría formada, además de las capas internas de manto y núcleo, por una corteza sólida y un atmósfera primitiva – sin oxígeno – y grandes extensiones – océanos – de agua más o menos salada que cubrirían enteramente la corteza terrestre.


3. DE LA MATERIA INERTE A LAS BIOMOLÉCULAS

La evolución química es el proceso de síntesis de biomoléculas o pequeñas moléculas orgánicas a partir de materia inorgánica.

Hay cuatro requisitos para la evolución química. Primero, la vida sólo podía evolucionar en ausencia de oxígeno libre. Como tal elemento es muy reactivo, su presencia en la atmósfera habría producido la degradación de las moléculas orgánicas necesarias en el origen de la vida. Un segundo factor clave para la formación de la vida debió ser la energía. La Tierra era un escenario de tormentas violentas, vulcanismo, radiactividad y una intensa radiación ultravioleta del sol pues la Tierra no poseía una capa protectora de ozono para bloquear esta radiación. Tercero, las sustancias químicas que constituyen las piezas necesarias para la evolución química debían estar presentes. Estas sustancias incluyen agua, minerales inorgánicos disueltos (presentes en forma de iones) y gases presentes en la atmósfera. Como cuarto requisito, hacía falta tiempo, el suficiente como para que las moléculas pudieran acumularse y reaccionar entre sí. Parece que la edad de la Tierra proporciona el tiempo necesario para la evolución química. La Tierra tiene unos 4600 millones de años, y se cuenta con pruebas geológicas que hacen pensar en la aparición de formas simples de vida, hace 3500 millones de años o incluso más.

En la década de 1920 el ruso A.Oparin y el británico J. Haldane propusieron de modo independiente una hipótesis para explicar la síntesis de biomoléculas: supusieron que la atmósfera terrestre estaría constituida por hidrógeno, metano, amoniaco y vapor de agua. Las descargas eléctricas causadas por las tormentas hicieron posible la síntesis de multitud de moléculas orgánicas que cayeron en los océanos dando lugar a la llamada “sopa primordial”. Esas pequeñas moléculas (monómeros) se irían combinando dando lugar a moléculas más complejas (polímeros) que a su vez se unirían para formar unas microscópicas estructuras cerradas llamadas coacervados y que, sin ser todavía seres vivo, constituirían los organismos precursores de las células.

En 1953 los estadounidense H.Urey y S. Miller confirmaron experimentalmente esta hipótesis: prepararon una mezcla de gases rica en H2, CH4, H20 y NH3 y la expusieron a descargas eléctrica que simulaba la actividad eléctrica de la atmósfera primitiva. El análisis de los compuesto producidos en una semana reveló la síntesis de logrando la síntesis de unas veinte moléculas orgánicas, entre ellas alguns aminoácidos. A la vista de esos resultados, Urey y Miller (*) concluyeron que si las condiciones de la Tierra primitiva eran similares a las que ellos suponían entonces estábamos cerca de comprender cómo surgió la vida en la Tierra.


En la década de 1960 Fox, Ponnanperuma y Oró lograron sintetizar a partir de materia inorgánica biomoléculas como glúcidos y lípidos sencillos, nucleótidos y muchos otros. En particular, el bioquímico español Joan Oró consiguió en 1961 sintetizar adenina – una de las moléculas orgánicas constituyentes del ADN y del ARN – a partir de materia inorgánica.

Por otro lado, investigaciones más recientes, han demostrado la síntesis de biomoléculas fuera de la Tierra. El mismo Oró propuso que las primeras moléculas orgánicas pudieron tener origen extraterrestre y llegar a la Tierra transportadas por los meteoritos que cayeron sobre su superficie. El astrófísico británico Fred Hoyle (**) defendió en el año 1978 la Teoría de la Panspermia según la cual la vida pudo llegar a la Tierra a bordo de cometas. Sin embargo, no es la formación – terrestre o extraterrestre - de moléculas orgánicas suficiente para explicar el origen de los primeros seres vivos: hay todavía que explicar cómo esas moléculas pudieron combinarse para dar lugar a estructuras capaces de metabolismo y replicación. Por otro lado hay que decir que la mayoría de los científicos en la actualidad se decantan por el origen terrestre de la vida en la Tierra.


4. LA FORMACIÓN DE LAS PROTOCÉLULAS A PARTIR DE LA MATERIA ORGÁNICA

Oparin supuso que las moléculas orgánicas se acumularon durante algún tiempo, en mares poco profundos, formándose un caldo o “sopa orgánica”: moléculas orgánicas más grandes (polímeros) se formarían por la unión de moléculas más pequeñas (monómeros), proceso llamado polimerización. Aquellos polímeros se agruparían en unas diminutas estructuras – los coacervados – formadas básicamente por una membrana o envolutura que les permitiría el intercambio de sustancias con el exterior, y un medio interno en le que podría haber alguna enzima. Tendrían entonces un metabolismo muy simple y carecerían de material genético.

Con base en los datos acumulados desde entonces, casi todos los científicos consideran que la polimerización necesaria para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas orgánicas no pudo haber ocurrido en esas circunstancias. Muchas reacciones de polimerización involucran una síntesis por deshidratación, en la que dos moléculas se unen por la eliminación de agua y es poco probable que una reacción en la que se produce agua ocurra en el agua y en ausencia de las enzimas necesarias.

En los años 50 y 60, el bioquímico estadounidense S. Fox consideró la posibilidad de que en las regiones volcánicas próximas al mar pudieron formarse polímeros de aminoácidos (polipéptidos o proteinas) al desecarse las mezclas de aminoácidos del caldo primitivo. Para comprobar su hipótesis calentó una mezcla de dieciocho tipos de aminoácidos y obtuvo polipéptidos similares a las proteinas. Al producto de esta polimerización espontánea le dio el nombre de microesferas protenoides. Fox las consideró protocélulas o células primitivas porque tenían cierta capacidad catalítica: captarían energía de la ruptura de enlaces de moléculas del exterior y se dividirían mediante procesos de escisión o gemación. Pero esta hipótesis tampoco explica la transmisión de la información genética, necesaria para entender la evolución.

Hipótesis más recientes proponen que los polímeros orgánicos se hayan sintetizado y acumulado en rocas o en superficies de arcilla. La arcilla es un medio favorable para la polimerización porque contiene iones de hierro y zinc, que pueden actuar como catalizadores: los iones, al ordenarse espontáneamente, provocarían una ordenación determinada de los aminoácidos consituyentes de las primeras proteinas enzimáticas.

La hipótesis que M.Eigen propuso en 1981, llamada “mundo ARN”, sostiene que las primeras moléculas que actuaron como material genético eran de ARN y no de ADN, como sucede en la mayoría de seres vivos actuales. Hoy se sabe que algunas moléculas de ARN pueden formar copias de sí mismas – como en el caso de muchos virus - y desarrollar funciones similares a las proteínas. Durante el proceso evolutivo la función de contener la información genética pasaría del ARN al ADN y las funciones catalíticas a las proteinas enzimáticas. Pero esta hipótesis todavía deja muchas cuestiones fundamentales sin resolver.

Sea cual sea su origen debió de haber un antepasado común de todas las células, al que Carl Woese en 1980 denominó progenota o protobionte. Esta primera forma primitiva tendría una estructura muy simple, de modo que al menos sería capaz de subsistir y reproducirse. Para ello estas protocélulas tendrían dos características clave. En primer lugar deberían tener una membrana que preservara su individualidad aislándolas del medio y, a la vez, que permitiera un adecuado intercambio con éste. Además tendrían que tener capacidad de replicarse para poder reproducirse y transmitir su mensaje a los descendientes y de esa forma asegurar la vida. Por evolución de este progenota surgirían las células procariotas.


5. LA EVOLUCIÓN DE LA VIDA EN LA TIERRA

Cuando se habla de la evolución en la Tierra hay que entender el proceso de transformación de la materia desde el origen del Universo. En este proceso se engloba tanto la evolución de la materia inorgánica como la de la materia orgánica.

Hasta aquí se ha hablado del origen de la vida, es decir, de cómo se pudo formar la materia orgánica a partir de la inorgánica y cómo se pudieron formar los primeros seres vivos.

Hablar de la evolución biológica propiamente dicha supone el estudio de los procesos relativos a la herencia de los caracteres biológicos desde los organismos más sencillos a los más complejos.

La primera prueba de vida en la Tierra – prueba indirecta - proviene de los residuos de los hidrocarburos en rocas de Groenlandia de hace 3.800 Ma. Dichos residuos se derivaron de organismos vivos, probablemente procariotas acuáticos. Pero pueden ser incluso más antiguos, quizá ya existieron hace más de 4.000Ma. Se desconoce cómo esa vida primitiva pudo sobrevivir a la intensa lluvia de meteoritos que asoló la Tierra en aquel tiempo. Es posible que la vida haya evolucionado dos veces o también que haya sido traída a la Tierra por los cuerpos que chocaban con ella, aunque la mayoría de los científicos considera que la vida comenzó en la Tierra y que sólo evolucionó una vez.

Esos primeros procariotas vivían en una atmósfera sin oxígeno, así que debían realizar la respiración anaeróbica o fermentación de la materia orgánica disponible que les permitiera obtener la energía necesaria para sus funciones vitales. Eran pues organismos heterótrofos anaerobios.

El aumento de organismos heterótrofos condujo a la disminución de materia orgánica nutritiva. Pero entonces surgieron organismos capaces de sintetizar sus propios nutrientes a partir de materia inorgánica y utilizando la energía solar, es decir, organismos autótrofos o fotosintéticos. Disponemos de pruebas directas de este tipo de vida primitiva. Hace 3500 Ma los microorganismos procariotas que realizaban la fotosíntesis en cálidas aguas formaron montículos conocidos como estromatolitos: cúmulos de sedimentos en capas con películas de bacterias fotosintéticas en la superficie. Hoy se conocen fósiles de estos primitivos organismos en Australia pero también existen estromatolitos modernos que nos permiten conocer aquellas antiquísimas formas de vida.

La actividad de los procariotas fotosintéticos o cianobacterias durante millones de años liberó tal cantidad de oxígeno que la atmósfera primitiva fue cambiando hasta convertirse en la actual. Al ir creciendo los niveles de oxígeno – desde un 1% hace 2.200 Ma hasta el 21% actual – los microorganismos anóxicos se vieron obligados a adaptarse retrayéndose entre sedimentos o bajo tierra. Además, a partir del oxígeno pudo formarse el ozono, gas que filtra las radiaciones ultravioletas nocivas para el ADN. La capa de ozono pudo ya quedar estabilizada hace 1900 Ma. La atmósfera, rica en oxígeno y protegida por el ozono, permitió nuevas formas de vida: organismos heterótrofos aerobios desarrollaron el mecanismo de la respiración celular, utilizando el oxígeno para obtener la energía de la materia orgánica, materia que ya no obtendrían directamente de la “sopa orgánica” sino de los organismos autótrofos.

La aparición de células eucariotas constituye uno de los hitos evolutivos más importantes en la historia de la evolución de la vida. Según la hipótesis de la bióloga estadounidense Lynn Margulis, la célula eucariota procede de la asociación simbiótica – es decir, en colaboración mutua - de células procariotas.

La primera prueba directa de células eucariotas son los microfósiles encontrados en EEUU de hace 2.200 Ma, y hay fósiles de células eucariotas más seguros encontrados en Australia de hace unos 1500 Ma.

Quizá estos organismos ya estuvieran constituidos por múltiples células eucariotas. Pero la prueba fósil directa más antigua de organismos pluricelulares proviene de los fósiles hallados en el ártico canadiense con una antigüedad de 1200Ma. En sus células ya se observa cierta especialización, incluidas estructuras que indican reproducción sexual.

Hace 1000 Ma la evolución de organismos pluricelulares con reproducción sexual allanó el camino para organismos más complejos y diversos; hoy se sabe sin embargo que aquella innovación no fue por sí sola la causa de la diversificación posterior.

Los primeros animales de los que se tienen pruebas fósiles son los ediacaranos, organismos que habitaron los fondos marinos hace de 580 a 543 Ma.

Hace 543 Ma se dio la llamada explosión del Cámbrico, asociada a algún cambio geológico importante. El Cámbrico es el periodo geológico, incluido en la era paleozoica, que empieza hace 543 millones de años y termina hace 490 millones de años. Algunos científicos – no todos aceptan esta tesis - hablan de la explosión del Cámbrico porque parece que en esa etapa la vida empezó a diversificarse de un modo muy rápido: existen pruebas fósiles de la aparición de muchos de los principales invertebrados marinos, incluidos varios grupos que luego se extinguieron. Desde entonces aparecen animales con huesos que dejarán fósiles duraderos.

La vida en tierra firme comenzaría hace unos 460Ma con las primeras briofitas terrestres (parecidas al musgo).

Hacia 270 Ma se dio una gran extinción – la catástrofe del Pérmico – cuando parece que desaparecieron el 90% de los organismos vivientes, surgiendo por otra parte especies nuevas. Hay varias catástrofes geológicas bien determinadas. Una de ellas fue la que tuvo lugar hace 65 Ma: un gran cuerpo celeste, atraido por el Sol, fue probablemente desviado por Júpiter y cayó en la Tierra; se trata del meteorito de Yucatán, en la costa sur mejicana. La nube de polvo levantada cegó el sol, arruinó los grandes bosques de plantas verdes y produjo la extinción de dinosaurios y de muchas otras especies.


El estudio de la evolución de las especies supone la explicación de las distintas teorías y es el objeto del tema siguiente.



REFERENCIAS