Origenes de la vida

NEIL ALEXANDER DUEÑAS COELLO

UNIDAD #1

ORIGEN DE LA VIDA

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PRIMEROS DATOS DE VIDA

La Tierra se formó hace 4.600 millones de años. Cerca de 1000 millones de años más tarde ya albergaba seres vivos. Los restos fósiles más antiguos conocidos se remontan a hace 3.800 millones de años y demuestran la presencia de bacterias, organismos rudimentarios procariotas y unicelulares.

Muy recientemente se han descubierto pruebas de vida aún más antiguas en forma de indicios de actividad fotosintética con una antigüedad de 3.850 millones de años.

Las condiciones de vida en esa época eran muy diferentes de las actuales. La actividad volcánica era intensa y los gases liberados por las erupciones eran la fuente de la atmósfera primitiva, compuesta sobre todo de vapor de agua, dióxido de carbono, nitrógeno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y metano y carente de oxígeno. Ninguno de los organismos que actualmente vive en nuestra atmósfera hubiera podido sobrevivir en esas circunstancias. El enfriamiento paulatino determinó la condensación del vapor y la formación de un océano primitivo que recubría gran parte del planeta

PRIMERAS CÉLULAS

Todos los seres vivientes están formados por células cada una de ellas encerradas en una membrana rica en lípidos especiales que la aisla del medio externo. Estas células contienes los ácidos nucleicos ADN y ARN, que contienen la información genética y controlan la síntesis de proteínas.

Pueden formarse membranas lipídicas en ausencia de vida. Esto ya lo demostró Oparin, quien, en efecto, obtuvo en el curso de sus experimentos medio ricos en moléculas biológicas separadas del medio acuoso por una membrana rudimentaria. Estas "gotitas", a las que llamó coacervados, recuerdan a células rudimentarias. Otros investigadores han obtenido también estructuras similares. La teoría de Oparin se vio reforzada por los descubrimientos de un paleontólogo francés que identificó estructuras de este tipo con una antigüedad de 3.000 millones de años; se llaman cocoides, y se consideran antepasados de las bacterias.

Neil Alexander Dueñas CoelloBiofísica

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Así, la primera forma de vida terrestre probablemente fue una célula simple que encerraba un ácido nucleico similar al ARN dentro de una membrana rudimentaria capaz de reproducirse por división.

APARICION DE LAS MOLÉCULAS BIOLÓGICAS

La primera teoría coherente que explicaba el origen de la vida la propuso en 1924 el bioquímico ruso Alexander Oparín. Se basaba en el conocimiento de las condiciones físico-químicas que reinaban en la Tierra hace de 3.000 a 4.000 millones de años. Oparin postuló que, gracias a la energía aportada primordialmente por la radiación ultravioleta procedente del sol y a las descargas eléctricas de las constantes tormentas, las pequeñas moléculas de los gases atmosféricos (oxígeno metano, amoníaco), dieron lugar a unas moléculas, cada vez más complejas, eran aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas) y ácidos nucleicos. Según Oparín, estas primeras moléculas quedarían atrapadas en las charcas de aguas poco profundas formadas en el litoral del océano primitivo. Al concentrarse, continuaron evolucionando y diverdificándose.

Estas hipótesis inspiró las experiencias realizadas a principios de la década de 1950 por el estadounidense Stanley Miller, quien recreó en un balón de vidrio la supuesta atmósfera terrestre de hace unos 4.000 millones de años (es decir, una mezcla de metano, amoníaco, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y vapor de agua). Sometió la mezcla a descargas eléctricas de 60.000 V que simulaban tormentas. Después de apenas una semana, Miller identificó en el balón varios compuestos orgánicos, en particular diversos aminoácidos, urea, ácido acético, formol, ácido cianhídrico y hasta azúcares, lípidos y alcoholes, moléculas complejas similares a aquellas cuya existencia había postulado Oparín.

FUENTES HIDROTERMALES Y ORÍGEN DE LA VIDA

En el océano Pacífico a muchos miles de metros de profundidad, se han descubierto fuentes hidrotermales de agua que brota de una temperatura de 350 º C y está cargada de numerosas sustancias, entre ellas sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre. Alrededor de estas fuentes abunda la vida y proliferan unas bacterias quimiosintéticas que extraen su energía de los compuestos azufrados del agua y que, de este modo, reemplazan a los organismos fotosintéticos, que toman la energía de la luz solar (además, estas bacterias no pueden vivir en medios con oxígeno).

Las condiciones de vida que reinan en la proximidad de estas fuentes recuerdan bastante a las comunes hace 3.500 millones de años. Por eso


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algunos investigadores defienden la idea de que la vida apareció en el fondo oceánico, cerca de estas fuentes hidrotermales, y no en la superficie, en las charcas litorales expuestas a luz solar intensa.

EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y DIVERSIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS

Fuese cual fuese el lugar en que surgió la vida, es seguro que los primeros seres vivos eran bacterias anaerobias, es decir, capaces de vivir en ausencia de oxígeno, pues este gas todavía no se encontraba en la atmósfera primitiva. De inmediato comenzó la evolución y la aparición de bacterias distintas, capaces de realizar la fotosíntesis. Esta nueva función permitía a tales bacterias fijar el dióxido de carbono abundante en la atmósfera y liberar oxígeno. Pero éste no se quedaba en la atmósfera, pues era absorbido por las rocas ricas en hierro. Hace 2.000 millones de años, cuando se oxidó todo el hierro de las rocas, el oxígeno pudo empezar a acumularse en la atmósfera.

Su concentración fue aumentando y el presente en las capas altas de la atmósfera se transformó en ozono, el cual tiene la capacidad de filtrar los rayos ultravioletas nocivos para los seres vivos. A partir de este momento se asiste a una verdadera explosión de vida. Los primeros organismos eucariotas aparecieron hace unos 1.500 millones de años y los primeros pluricelulares hace unos 670 millones. Cuando la capa de ozono alcanzó un espesor suficiente, los animales y vegetales pudieron abandonar la protección que proporcionaba el medio acuático y colonizar la tierra firme.

TEORÍA DE LA PANSPERMIA


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La teoría de la panspermia es una de las más interesantes acerca del origen de la vida en nuestro planeta. De hecho, esta teoría propone que la vida no se originó en la Tierra, sino en cualquier otra parte del vasto universo. Está más que probado que las bacterias son capaces de sobrevivir en el espacio exterior, en condiciones sorprendentes y durante largos períodos de tiempo, la teoría de la panspermia supone que de esta manera, rocas, cometas, asteroides o cualquier otro tipo de residuo que haya llegado a la Tierra, millones de millones de años atrás, trajo la vida a nuestro planeta. Se sabe que desde Marte, enormes fragmentos de roca llegaron a la Tierra en varias oportunidades y los científicos han sugerido que desde allí podrían haber llegado varias formas de vida. De todas maneras, nuevamente nos enfrentamos a la cuestión, sólo que desde otra manera, de cierto modo se está transfiriendo nuestra interrogante a otro lugar.

La selección natural

Es un fenómeno esencial de la evolución con carácter de ley general y que se define como la reproducción diferencial de los genotipos en el seno de una población biológica. La formulación clásica de la selección natural establece que las condiciones de un medio ambiente favorecen o dificultan, es decir, seleccionan la reproducción de los organismos vivos según sean sus peculiaridades. La selección natural fue propuesta por Darwin como medio para explicar la evolución biológica. Esta explicación parte de tres premisas; la primera de ellas dicta que el rasgo sujeto a selección debe ser heredable. La segunda sostiene que debe existir variabilidad del rasgo entre los individuos de una población. La tercera premisa aduce que la variabilidad del rasgo debe dar lugar a diferencias en la supervivencia o éxito reproductor, haciendo que algunas características de nueva aparición se puedan extender en la población. La acumulación de estos cambios a lo largo de las generaciones produciría todos los fenómenos evolutivos.

La selección natural puede ser expresada como la siguiente ley general, tomada de la conclusión de El origen de las especies:

Existen organismos que se reproducen y la progenie hereda características de

sus progenitores, existen variaciones de características si el medio ambiente no

admite a todos los miembros de una población en crecimiento. Entonces

aquellos miembros de la población con características menos adaptadas

(según lo determine su medio ambiente) morirán con mayor probabilidad.

Entonces aquellos miembros con características mejor adaptadas sobrevivirán


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TEORÍA CREACIONISTA

La teoría creacionista está basada en conceptos religiosos, y que todos los elementos presentes en la Tierra fueron creados por seres divinos denominados Dioses. Estas religiones, ya sean politeístas, monoteístas o animistas, suelen ser muy rigorosas y estrictas, y llegan a influir fuertemente en la vida de las personas, ya que tienen mucha importancia social.Entre las diferentes Teorías están:Monoteístas: Las más creídas en el mundo, lideradas por los católicos, musulmanes y judíos, aunque existen algunas más. Estas se rigen bajo un único Dios, y por excepción de la islámica, no son demasiado exigentes socialmente.Politeístas: Comúnmente se trata de tribus y aborígenes, que creen en múltiples dioses. Suelen tener rituales, objetos de valor como talismanes y otros objetos de importancia. Suelen ser bastante exigentes tanto socialmente como espiritualmente.Animistas: También predominan en tribus, que creen en que tanto objetos como cualquier elemento del mundo natural tienen alma y son considerados como dioses. Como debe suponerse, esto requiere de mucho respeto social.

Los movimientos Creacionistas están en contra de cualquier evidencia o enseñanza acerca de la evolución Biológica y Geológica, o sea, con la misma teoría Evolucionista, al igual que de cualquier probable prueba de esta, ya sean fósiles, geológicas, genéticas, o cualquier otra.Éstas mantenían un duro régimen en cuanto a lo que está escrito en el Génesis. Actualmente las teorías creacionistas siguen un método de Creacionismo Científico, en las que realizan diversas hipótesis acerca de las ciencias naturales, y en este caso se presentan de forma contradictoria a las teorías evolutivas. Sin embargo, estas teorías tienen poca base, por lo que no pueden ser confirmadas con precisión.

Generación espontánea


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La teoría de la generación espontánea se aplicaba a insectos, gusanos y seres vivos pequeños en los que no parecían generarse por biogénesis

La generación espontánea antiguamente era una creencia profundamente arraigada descrita por Aristóteles. La observación superficial indicaba que surgían gusanos del fango, moscas de la carne podrida, organismos de los lugares húmedos, etc. Así, la idea de que la vida se estaba originando continuamente a partir de esos restos de materia inorgánica se estableció como lugar común en la ciencia. Hoy en día la comunidad científica considera que esta teoría está plenamente refutada.

La abiogénesis se sustentaba en procesos como la putrefacción. Es así que de un trozo de carne podían generarse larvas de mosca.

El experimento de Redi

Francesco Redi, médico e investigador, realizó un experimento en 1668 en el que colocó cuatro vasos en los que puso respectivamente un pedazo de serpiente, pescado, anguilas y un trozo de carne de buey. Preparó luego otros cuatro vasos con los mismos materiales y los dejó abiertos, mientras que los primeros permanecían cerrados herméticamente. Al poco tiempo algunas moscas fueron atraídas por los alimentos dejados en los vasos abiertos y entraron a comer y a poner huevos; transcurrido un lapso de tiempo, en esta serie de vasos comenzaron a aparecer algunas larvas. Esto no se verificó, en cambio, en los vasos cerrados, ni siquiera después de varios meses. Por tal motivo, Redi llegó a la conclusión que las larvas (gusanos) se originaban de las moscas y no por generación espontánea de la carne en descomposición.

Algunos objetaron que en los vasos cerrados había faltado la circulación del aire (el principio activo o principio vital) y eso había impedido la generación espontánea. Redi realizó un segundo experimento: esta vez los vasos del experimento no fueron cerrados herméticamente, sino sólo recubiertos con gasa. El aire, por lo tanto, podía circular. El resultado fue idéntico al del anterior experimento, por cuanto la gasa, evidentemente, impedía el acceso de insectos a los vasos y la consiguiente deposición de los huevos, y en consecuencia no se daba el nacimiento de las larvas.


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MuscuDomestica.jpg

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Con estas simples experiencias, Redi demostró que las larvas de la carne putrefacta se desarrollaban de huevos de moscas y no por una transformación de la carne, como afirmaban los partidarios de la abiogénesis. Los resultados de Redi fortalecieron la biogénesis, teoría que sostiene que el origen de un ser vivo solamente se produce a partir de otro ser vivo.

El experimento de Pasteur

En la segunda mitad del siglo XIX, Louis Pasteur realizó una serie de experimentos que probaron definitivamente que también los microbios se originaban a partir de otros microorganismos.

Pasteur estudió de forma independiente el mismo fenómeno que Redi. Utilizó dos frascos de cuello de cisne (similares a un Balón de destilación con boca larga y encorvada). Estos matraces tienen los cuellos muy alargados que se van haciendo cada vez más finos, terminando en una apertura pequeña, y tienen forma de "S". En cada uno de ellos metió cantidades iguales de caldo de carne (o caldo nutritivo) y los hizo hervir para poder eliminar los posibles microorganismos presentes en el caldo. La forma de "S" era para que el aire pudiera entrar y que los microorganismos se quedasen en la parte más baja del tubo.

Pasado un tiempo observó que ninguno de los caldos presentaba señal alguna de la presencia de algún microorganismo y cortó el tubo de uno de los matraces. El matraz abierto tardó poco en descomponerse, mientras que el cerrado permaneció en su estado inicial. Pasteur demostró así que los microorganismos tampoco provenían de la generación espontánea. Gracias a Pasteur, la idea de la generación espontánea fue desterrada del pensamiento científico y a partir de entonces se aceptó de forma general el principio que decía que todo ser vivo procede de otro ser vivo. Aún se conservan en museo algunos de estos matraces que utilizó Pasteur para su experimento, y siguen permaneciendo estériles

El origen de la vida - Quimiosintética protobiontica


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Coacervado es el nombre con el que Alexander Oparin y John Burdon Sanderson Haldane denominaron a un tipo de protobionte. Oparin y Haldane demostraron que se forman membranas lipídicas en ausencia de vida y obtuvo en el curso de los experimentos unas gotas ricas en moléculas biológicas y separadas del medio acuoso por una membrana rudimentaria. A estas gotas las llamó coacervados.

Los polímeros en solución tienden a unirse en formas más complejas; a un nivel molecular, estas sustancias tienden a unirse por medio de fuerzas electrostáticas (positivas o negativas) como se da inicio a las primeras gotitas coacervadas, cada una de ellas consiste en un grupo interno de moléculas coloidales rodeadas por agua, las cuales se orientan en efecto a las moléculas orgánicas (se refiere a proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos), así formando un tipo de membrana rudimentaria, que tiene cierta selectividad en efecto a la tensión producto de la atracción de los polímeros y la misma naturaleza del agua, así como las mismas sustancias que acarrea; por ello mientras más complejas se hacen las gotitas, más selectivo se vuelve.

En general, los coacervados se forman en grupos de solución proteínica en agua; prácticamente pueden absorber todo lo que se encuentra en su medio; sin embargo, no pueden añadir a su composición otro coacervado, pues su selectividad se los impide ya que una estructura cuaternaria absorbiendo a otra rompería el equilibrio químico; la gotita absorbe toda sustancia orgánica e inclusive inorgánicas haciendo su selectividad mayor para la continuación de su expansión química; sin embargo, no tienen ninguna estructura o modelo a seguir y el resultado es prácticamente al azar, en sí, se puede decir que entre los coacervados existen diferencias químicas notables.

A medida que el coacervado se desarrolla, una estructura tipo membrana se genera bajo la capa de agua; esta nueva membrana formada por polímeros es mucho más selectiva en las moléculas a incorporar, éste proceso continúa hasta que el coacervado se vuelve estable y no incorpora más elementos, o hasta que éste se hace inestable y se rompe; en cualquiera de los casos, al ser compuestos orgánicos, en un ambiente plagado por organismos minúsculos un coacervado perderías sus propiedades químicas fácilmente.


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coacervado.jpg

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Debido a la increíble capacidad "ya probada" de los coacervados, son considerados los protobiontes que dieron lugar a la vida anterior al RNA o DNA, en los mares agitados del la tierra primitiva, llenos de substancias orgánicas, y las grandes cantidades de energía en forma de radiación y el calor producto de los volcanes y las constantes erupciones dan lugar a la idea que los polimeros dieron lugar a coacervados y microesferas de proteína; asimismo, losfosfolípidos, aunque no son reconocidos como sustancias que den lugar a coacervados, son capaces de generar una forma de membrana celular al organizarse conjuntamente en el agua debido a ser una substancia anfipática, con presencia de las colas de ácidos grasos hidrofóbicas e insolubles en agua, y las cabezas de fosfatos son solubles en agua y por tanto hidrofílicas, ésto hace que se organicen en forma de esferas formando sistemas parecidos a membranas celulares, pero no exactamente similares, aunque su química sea igual en las membranas celulares "actuales" encontramos proteínas u otros componentes más que meros fosfolípidos.

Se considera que estos tres factores, en conjunto dieron lugar a los protobiontes entre lo puramente químico y el primer paso a lo biológico; los fosfolípidos, atraídos por los coacervados junto con las microesferas pudieron formar las primeras membranas celulares dando lugar a una selectividad tan concreta como la de las células actuales a pesar de no tener los mecanismos proteicos de regulación, que sin embargo, pudieron venir de las microesferas.

La hipótesis de reproducción que se sugirió también explica que fueron en esas primeras instancias donde la selección natural se dio a relucir; pues, los protobiontes imperfectos, con incapacidades de formar moldes concretos e inclusive incapaces de reproducirse, desaparecían y eran reabsorbidos por otros protobiontes cuando se volvían inestables dando lugar a las proteinas y/o materia orgánica que lo había formado alguna vez; es por ello, que sólo los protobiontes resistentes y más selectivos fueron los únicos capaces de adueñarse de los mares primitivos, que por millones de años funcionó como laboratorio para que con el tiempo sus compuestos dieran lugar al los primeros nucleótidos y en sí los primeros ácidos nucleicos por la unión de los mismos.

Aunque la tierra primitiva en sus primeras instancias no contenía el material orgánico requerido para la creación de polímeros que pudiesen dar lugar a protobiontes, los experimentos de Miller demostraron la capacidad de que ciertos sintetizaran substancias orgánicas al someter una mezcla de metano, amoníaco, hidrógeno y agua a descargas eléctricas de 60.000 voltios. Como resultado, se observó la formación de una serie de moléculas orgánicas, entre la que destacan ácido acético, ADP-Glucosa, y los aminoácidos glicina, alanina, ácido glutámico y ácido aspártico, usados por las células como los pilares básicos para sintetizar sus proteínas. La energía de los 60.000 voltios, se propone que provino de las tormentas eléctricas en la arcaica tierra.

Fósiles encontradosLos microorganismos fósiles más antiguos fueron encontrados en los sedimentos de Barberton, en África del Sur, y de Pilbara, en Australia. Estos sedimentos, de una antigüedad de entre 3.200 y 3.500 millones de años, son


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ligeramente más jóvenes que las rocas de Groenlandia. Los sedimentos se han conservado bien y muestran la existencia de abundante vida en las aguas litorales de poca profundidad, y quizá incluso cerca de la superficie del agua (algunos biofilms tienen una estructura laminada que parece indicar una vida bacteriana que ya utilizaba energía solar). Los microfósiles identificados comprenden estructuras filamentosas con una longitud de entre diez y algunos cientos de micras, bastoncillos de algunas micras de largo y estructuras esféricas y ovoides de aproximadamente 1 micra de diámetro.

Estas estructuras han sido atribuidas a bacterias fosilizadas. La cantidad de carbono restante unida a estos microfósiles es generalmente muy débil (entre 0,01-0,5% con puntas excepcionales hasta el 1%) lo que hace particularmente difícil el análisis del carbono orgánico. No obstante, se han podido determinar los isótopos de carbono y presentan un enriquecimiento variable pero así y todo significativo en carbono 12, lo que habitualmente se traduce en un origen biológico. En general, las moléculas biológicas producidas por fotosíntesis se caracterizan por un enriquecimiento en 12C en relación con los carbonatos minerales. Así, la relación 12C/13C pasa de 88,99 en los carbonatos minerales de referencia a valores comprendidos entre 90,8 y 91,7 en las moléculas orgánicas biológicas.

Arguyendo un parecido entre las cianobacterias modernas y los microfósiles de Pilbara, William Schopf, de la Universidad de Los Angeles, ha descrito estos últimos como fósiles de cianobacterias. Estas bacterias ancestrales, pues, ya habrían practicado la fotosíntesis oxigenada. Interpretación muy importante ya que situaría la fotosíntesis oxigenada muy atrás en los tiempos geológicos, mientras que los indicios bioquímicos más antiguos de la fotosíntesis oxigenada encontrados en esquistos carbonados, también en Australia, sólo se remontan a 2.700 millones de años. Según el inglés Martin Brasier, de la Universidad de Oxford, las estructuras contendrían efectivamente carbono orgánico enriquecido en isótopo 12, pero la materia orgánica sería de origen puramente químico y no biológico. Podría proceder de la reacción del hidrógeno con el monóxido de carbono (reacción llamada de Fischer-Tropsch), dos gases presentes en los fluidos de las fuentes hidrotermales. La acumulación de materia orgánica en microestructuras sería debida a la cristalización del cuarzo en la vena hidrotermal, y el importante enriquecimiento en carbono 12 sería el resultado de procesos puramente químicos. La


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explicación de Brasier, no obstante, no es totalmente convincente porque no es probable que la reacción de Fischer-Tropsch produjera moléculas tan complejas como los kerógenos (materia orgánica compleja, insoluble en los disolventes habituales) depositados en las venas hidrotermales.

Las rocas más antiguas susceptibles de presentar trazas de vida son sedimentos de una antigüedad aproximada de 3.750 millones de años descubiertos en el sudoeste de Groenlandia.

Estos sedimentos demuestran la presencia permanente de agua líquida, de gas carbónico en la atmósfera y contienen kerógenos, moléculas orgánicas complejas. La relación isotópica del carbono está comprendida entre 90,2 y 92,4 en lo referente a la materia orgánica de los sedimentos de Groenlandia. Estos valores sugieren, pero no demuestran de manera cierta, la existencia de actividad fotosintética, y por lo tanto de vida primitiva, hace 3.800 millones de años. En efecto, esta materia orgánica muy antigua (a veces reducida a cristales de grafito) ha sufrido importantes modificaciones en el curso de la diagénesis. El producto final de esta degradación, los kerógenos, se compone de macromoléculas complejas estables resistentes, que pueden incluso ser transformadas en grafito puro durante el metamorfismo. Todos estos tratamientos pudieron muy bien generar los enriquecimientos en 12C observados. También hay que desconfiar mucho de la contaminación eventual de estas rocas por microorganismos más recientes, contaminación que, evidentemente, falseará los análisis.


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