ORIGEN DE LA VIDA

1. ORIGEN DE LA VIDA

2. ¿Cómo comenzó la vida? ¿Por generación espontánea? • En 1668 el médico italiano Francesco Redi refutó la hipótesis de los gusanos a partir de la carne. • A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur en Francia y John Tyndall en Inglaterra refutaron la idea del caldo que se transforma en microorganismos. Pero… como dijo el bioquímico Stanley Miller: “Pasteur nunca probó que no ocurrió alguna vez; solo demostró que no sucede todo el tiempo”.

3. ¿Cómo comenzó la vida? • En 1920 y 1930, Alexander Oparin en Rusia y John B.S. Haldane en Inglaterra advirtieron que la atmósfera rica en oxígeno no habría permitido la formación espontánea de las complejas moléculas orgánicas necesarias para la vida. • Especularon que quizá la atmósfera de la Tierra joven contenía muy poco oxígeno y era rica en hidrógeno, y que así, la vida pudo haber surgido mediante reacciones químicas ordinarias. EVOLUCIÓN PREBIÓTICA

5. La atmósfera y el clima primitivos gobernaron la evolución prebiótica • En su formación, hace 4500 millones de años la tierra era muy caliente, muchos meteoritos se estrellaban contra ella, y la energía cinética de estas rocas extraterrestres se convertía en calor. • Los átomos que se desintegraban desprendían aún más calor. La roca de la tierra se fundió, y los elementos más pesados como el hierro y el níquel, se hundieron hacia el centro del planeta. • Poco a poco la tierra se enfrío y los elementos se combinaron formando diferentes compuestos.

6. La atmósfera y el clima primitivos gobernaron la evolución prebiótica • Casi todo el oxígeno se combinó con hidrógeno para formar agua, con carbono para formar bióxido de carbono, o con elementos más pesados para formar minerales. • Luego de millones de años, la tierra se enfrió lo suficiente para permitir la existencia de agua líquida. • En la superficie, el agua disolvió muchos minerales y formó un océano salado. • Los rayos de las tormentas, el calor de los volcanes y la intensa luz ultravioleta procedente del sol derramaban energía en los jóvenes mares

7. La atmósfera y el clima primitivos gobernaron la evolución prebiótica • En base a la composición química de las rocas de esa época, se cree que la atmósfera primitiva contenía: • Bióxido de carbono • Metano • Amoniaco • Hidrógeno • Nitrógeno • Ácido clorhídrico • Sulfuro de hidrógeno • Vapor de agua PRACTICAMENTE NO HABÍA OXÍGENO LIBRE

8. Aparecieron moléculas orgánicas al cabo de unos días Se sintetizan moléculas orgánicas espontáneamente en condiciones prebióticas • En 1953, Stanley Miller, entonces estudiante de posgrado y su asesor, Harold Urey, de la Universidad de Chicago, se propusieron simular la evolución prebiótica en el laboratorio, con éxito. • En experimentos similares realizados por Miller y otros investigadores se han producido aminoácidos, proteínas cortas, nucleótidos, trifosfato de adenosina, y otras moléculas características de los seres vivos

9. ATENCIÓN • La composición exacta de la “atmósfera que se utiliza en estos experimentos carece de importancia, siempre y cuando contenga: C, H y N y se excluya al O libre. • Diversas fuentes de energía, como la luz ultravioleta, descargas eléctricas y el calor, son igual de eficaces en general. • Por ello, es indudable que se sintetizaron moléculas orgánicas en la tierra primitva. • Además, otras moléculas orgánicas llegaron probablemente del espacio, en meteoritos y cometas.

10. Las condiciones prebióticas habrían permitido la acumulación de moléculas orgánicas • En esa época, no existían seres vivos ni oxígeno, que degraden las moléculas orgánicas recién formadas. • Y aunque carecía de una capa de ozono que proteja de los rayos ultravioleta, los cuales también son capaces de romper estas moléculas, sitios como: debajo de salientes de roca o el fondo de mares poco profundos, habrían estado a salvo y las moléculas orgánicas podrían haber alcanzado niveles relativamente elevados.

11. Sin embargo, para que se formen las moléculas orgánicas complejas como ARN y proteínas era necesaria una mayor concentración de sustancias, de modo que puedan estar muy cerca unas de otras y reaccionar entre ellas. • Una posibilidad es la formación de un “caldo primigenio” a partir de la creación de estanques costeros producto de varios ciclos de llenado y secado con agua de mar, en dónde se habrían generado las moléculas componentes básicos de los primeros seres vivos.

12. ¿Fue el ARN la primera molécula autorreproductora? • En la década de 1980, Thomas Cech de la Universidad de Colorado y Sidney Altman de la Universidad de Yale descubrieron que ciertas moléculas pequeñas de ARN, llamadas ribozimas, actúan como enzimas que catalizan reacciones celulares, entre ellas, la síntesis de más moléculas de ARN. • Parece inevitable que, en cientos de millones de años los nucleótidos de ARN hayan formado cadenas cortas de ARN, algunas de las cuales se convertirían en ribozimas, que evolucionaron en rapidez y exactitud de replicación. • Sin embargo, la transición al moderno mecanismo de “ADN---ARN---Proteína” debió haber requerido una serie compleja de etapas intermedias. DEBER

13. DEBER OPCIONAL (2 puntos) • Consultar la evolución química del ARN (ribozimas) hasta proteínas y ADN. Referencia: Eigen, M. Steps Towards Life. Nueva York: Oxford University Press, 1992. Continuar

14. Las protocélulas pudieron haber consistido en ribozimas encerradas en microesferas • Los químicos han demostrado que si se agita agua que contenga proteínas y lípidos a modo de simular las olas que golpeaban contra las antiguas costas, se forman estructuras huecas llamadas microesferas. • Las microesferas se asemejan a las células vivas: • Tienen una membrana similar a la membrana celular. • Absorben material de la solución. • Crecen. • Se dividen.

15. Protocélula • Si una microesfera hubiera encerrado ribozimas, se habría formado algo parecido a una célula viva, a la que se llamaría protocélula. • Dentro se habrían producido proteínas, y por difusión habrían entrado nucleótidos y aminoácidos necesarios para sintetizar nuevos ARN y proteínas. • Cuando la microesfera creció lo suficiente, pudo haberse dividido, dando casi fin al camino hacia la evolución de las primeras células.

16. Pero, ¿acaso sucedió todo eso? Los investigadores discrepan en si la vida surgió en: • Aguas estancadas. • El mar. • Películas de humedad sobre la superficie de trozos de arcilla o de pirita de hierro. • Respiraderos muy calientes de las profundidades marinas. • El espacio y luego llegó a la tierra.

17. ¿Entonces? Aunque la evolución creara solo moléculas simples y los catalizadores no fueran muy eficientes, y las primeras membranas carecieran de refinamiento, las grandes extensiones de tiempo y espacio disponibles habrían aumentado la probabilidad de que se completase cada una de las pequeñas etapas del camino que lleva del caldo primigenio a la célula viva.

18. ¿Cómo eran los primeros organismos?

19. La vida comenzó durante la era precámbrica Los organismos fósiles más antiguos encontrados hasta ahora están en rocas precámbricas de 3500 millones de años de antigüedad. Los rastros químicos de rocas más antiguas han inducido a algunos paleontólogos a pensar que la vida es aún más antigua: quizá hasta 3900 millones de años.

20. Los primeros organismos eran procariotas anaerobios • Las primeras células eran procariotas: • Su material genético NO estaba separado del resto de la célula y encerrado en un núcleo envuelto en una membrana. • Obtenían nutrimentos y energía probablemente absorbiendo moléculas orgánicas de su entorno. • Su metabolismo era anaerobio

21. Al multiplicarse estas bacterias ancestrales consumieron las moléculas orgánicas sintetizadas prebióticamente. • Sin embargo, el CO2 y el H2O eran abundantes al igual que la energía solar. • Entonces, lo que faltaba eran moléculas energéticas, es decir, en las que se ha almacenado energía en enlaces químicos.

22. Algunos organismos adquirieron la capacidad de capturar energía solar • Con el tiempo, algunas células adquirieron la capacidad de usar la energía solar para sintetizar moléculas complejas de alta energía a partir de moléculas más simples (fotosíntesis). • Como la fotosíntesis necesita una fuente de hidrógeno, las primeras bacterias fotosintéticas probablemente usaron sulfuro de hidrógeno, y luego cuando éste se agotó, debieron comenzar a usar agua.

23. La fotosíntesis introdujo cantidades importantes de O2 libre en la atmósfera por primera vez. • Al principio el O2 se consumía rápidamente en reacciones con otras moléculas de la atmósfera y la corteza terrestre (Fe). • Cuando todo el Fe accesible se transformó en herrumbre, la concentración de O2 libre comenzó a aumentar (hace 2200 millones de años-cianobacterias). • Los niveles de O2 atmosférico aumentaron hasta alcanzar un nivel estable hace 1500 millones de años, y se mantiene casi constante hasta ahora. ¿POR QUÉ?

24. El metabolismo aeróbico surgió en respuesta a la crisis de oxígeno • La acumulación de oxígeno en la atmósfera de la tierra primitiva exterminó probablemente muchos organismos y fomentó la evolución de mecanismos celulares para contrarrestar su toxicidad. • La crisis de oxígeno también creó la presión ambiental para que las bacterias adquieran la aptitud de utilizar oxígeno en el metabolismo. • Esto dio a las células aerobias una importante ventaja selectiva. ¿POR QUÉ?

25. Metabolismo energético

26. Los eucariotas formaron organelos y un núcleo encerrados en membranas • Los paleobiólogos consideran que, una vez que apareció una población idónea susceptible de ser devorada, la conducta predatoria debió haber evolucionado rápidamente. • La presa más apetecida habrían sido bacterias sin pared celular y, en consecuencia los depredadores habrían sido capaces de englobar bacterias enteras. • Pero estos depredadores eran incapaces de llevar a cabo ni la fotosíntesis ni el metabolismo aeróbico y metabolizaban ineficientemente sus presas. • En ese contexto, hace alrededor de 1700 millones de años, se engendró la primera célula eucariótica. ¿En qué se diferencia una célula procariótica de una eucariótica?

27. Las mitocondrias y los cloroplastos pudieron haber surgido a partir de bacterias englobadas • La hipótesis de los endosimbiotas, defendida principalmente por Lynn Margulis, de la Universidad de Massachusetts, propone que las células primitivas se hicieron de los precursores de las mitocondrias y los cloroplastos englobando ciertos tipos de bacterias (bacteria aerobia y cianobacteria). • La amiba Pelomyxa palustris carece de mitocondrias, pero alberga una población permanente de bacterias aerobias que desempeñan un papel muy similar. Al igual que algunos corales, almejas, caracoles y un Paramecium albergan una colección permanente de algas.

29. El origen del núcleo es más enigmático • Una posibilidad es que la membrana plasmática se haya plegado hacia adentro para rodear el ADN. • Nuevos plegamientos habrían formado el retículo endoplasmático. • Otra hipótesis es que surgió como resultado de una endosimbiosis. • Cualquiera que haya sido el origen del núcleo, el hecho de tener el ADN dentro de él, parece haber conferido grandes ventajas, quizá al permitir una regulación más fina del material genético.

30. ¿Cómo surgió la multicelularidad? • Una vez que evolucionaron los comportamientos predatorios, tener un mayor tamaño representó una ventaja. • Pero las células individuales enormes tienen problemas: el oxígeno y los nutrimentos que entran en la célula así como los productos residuales que salen, deben difundirse a través de la membrana plasmática. ¿Cuál es el problema?

31. Cuanto más grande se hace una célula, menos membrana superficial está disponible por unidad de volumen de citoplasma. • Un organismo de más de 1 mm de diámetro solo puede sobrevivir de dos maneras: • Con una velocidad metabólica lenta. • Puede ser multicelular. • Los primeros fósiles de organismos multicelulares se encuentran en rocas de mil millones de años de antigüedad y corresponderían a los antepasados de las algas marinas modernas.