UNIDAD 3: ORIGEN DE LA VIDA Y EVOLUCIÓN. HOMINIZACIÓN. 1.- EL ORIGEN DE LA VIDA. Para intentar explicar cómo surgió la vida existen actualmente dos hipótesis: el origen extraterrestre o panspermia y el origen abiótico o abiogénesis terrestre. 1.1.- La panspermia. Esta hipótesis afirma que la vida surgió en el espacio exterior desde el cual colonizó nuestro planeta. Hipótesis defendida por científicos como Arrhenius, Hoyle y Watson. Las principales pruebas en las que se basa esta hipótesis son: - El análisis de un meteorito marciano (ALH84001) encontrado en la Antártida en 1984 que parecería contener microfósiles de organismos similares a bacterias. Años más tarde han surgido dudas sobre la presencia de estos microfósiles y sobre su origen, creyéndose que son producto de contaminación terrestre posterior. - Los resultados del experimento Deep Impact de 2005, donde una nave norteamericana lanzó un proyectil contra el cometa Tempel I para estudiar su composición, desprendiéndose un gran número de compuestos de carbono en dicho cometa. Objeciones: Es difícil admitir que algún ser vivo pueda sobrevivir a un viaje a través del espacio. Tampoco explica cómo surgió la vida en el espacio exterior. 1.2.- Origen abiótico de la vida o Hipótesis de la abiogénesis terrestre. Según esta hipótesis defendida por Oparin (1923) y Haldane, la vida apareció en nuestro planeta hace 3500 m.a. como consecuencia de haberse producido una serie de reacciones químicas espontáneas entre los componentes de la atmósfera primitiva (H, CH 4, vapor de Agua, NH 3 y sin O 2 ), a partir de las cuales pudieron formarse las primera moléculas orgánicas. La energía para desencadenar estas reacciones procedería de: - Descargas eléctricas producidas en las numerosas tormentas que se sucedieron en aquel tiempo. - Radiaciones UV que serían muy intensas al no existir capa de ozono. - La energía geotérmica procedente de la intensa actividad volcánica. Las reacciones químicas entre estas moléculas atmosféricas condujeron a la formación de moléculas orgánicas muy simples como formaldehido, ácido cianhídrico y acetileno. A partir de los cuales se pudieron formar posteriormente moléculas orgánicas más complejas, como aminoácidos, monosacáridos y bases nitrogenadas. Estas moléculas se acumularon en los océanos primitivos más cálidos donde se polimerizarían formando moléculas mayores: proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos. Estos compuestos debieron aislarse del medio creando estructuras compartimentadas a modo de pequeñas gotitas coloidales que Oparin denominó coacervados. Estos tendrían la posibilidad de intercambiar sustancias con el exterior. La última condición necesaria para que se originar un sistema biológico (ser vivo) sería la capacidad de autoperpetuarse. Para ello sería precisa la presencia de una molécula capaz de producir réplicas de sí misma como el ARN. Este primer sistema vivo, progenota, sería el origen de todas las células. 1
La hipótesis de Oparin y Haldane fue confirmada, por lo menos en sus primeros pasos por el científico norteamericano Stanley Miller en 1953, quien diseñó un experimento para sintetizar moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas imitando las condiciones de una atmósfera primitiva. Para ello puso en un recipiente una mezcla de gases (vapor de agua, CH 4, NH 3, CO 2, N2, H 2 ) que supuestamente formaban la atmósfera primitiva. Conectó unos electrodos al recipiente y produjo descargas eléctricas de uno 60000 voltios. Al cabo de unos días, y al recoger el caldo condensado encontró cuatro aminoácidos proteicos, urea y varios ácidos grasos simples. Con este experimento Miller demostró cómo se pudieron formar espontáneamente moléculas orgánicas a partir de materia inorgánica, aunque no demostró como éstas formarían después un organismo vivo. 2.- APARICIÓN DE LOS PRIMEROS SERES VIVOS. Los primeros organismos vivos que aparecieron sobre la Tierra fueron bacterias, que depositándose en capas formaron unas rocas denominadas estromatolitos que son a día de hoy los fósiles más antiguos que se conocen con una edad aproximada de 3500 millones de años. Estos primeros seres unicelulares, debieron originarse al abrigo de los rayos ultravioletas: - En fuentes hidrotermales, en el fondo de los océanos. - Asociados a partículas de arcillas. En cualquier caso fueron células procariotas que se alimentaban de materia orgánica que existía en el agua. Con el paso del tiempo esta materia orgánica empezó a escasear y algunas de estas bacterias aprendieron a fabricar su propia materia orgánica a través de la fotosíntesis que liberaría oxígeno en el proceso (bacterias fotosintéticas). La disponibilidad de oxígeno favoreció el desarrollo de otras bacterias que lo utilizaron para producir energía necesaria en sus procesos vitales (respiración celular). Por lo tanto en este océano primitivo convivirían: bacterias anaerobias, bacterias aerobias y bacterias fotosintéticas. Poco tiempo después, hace unos 2000 m.a aparecen los primeros seres unicelulares eucariotas, ya con núcleo y con su material genético a buen recaudo. Aparece la meiosis (división celular) que es la base de la reproducción sexual, con lo que aparecen nuevas formas de vida más complejas. Los primeros organismos pluricelulares aparecen en el planeta hace 700 m.a. El paso de la vida del agua a la tierra firme ocurre aproximadamente hace 550 m.a. algunos de estos seres marinos, quedaron expuestos durante las mareas al aire libre, la mayoría murió, pero algunos, por mutaciones en su ADN provocadas seguramente por los rayos UV, lograron sobrevivir, adaptándose al dañino O 2. Desde entonces las formas de vida se diversificaron y se expandieron, ocupando todo el planeta. 2
3.- DEL FIJISMO AL EVOLUCIONISMO. 3.1.- Ideas preevolucionistas. A lo largo de la historia, la humanidad se ha preguntado por el origen de la vida así como por la gran diversidad de seres vivos. Para responder a esta cuestión, se postularon dos tipos de teorías: La generación espontánea, el creacionismo y el Fijismo. La generación espontánea aparece en la Grecia clásica, de la mano de Aristóteles (s. IV a. C), que diferencia la creación de los organismos superiores y del hombre, de la aparición de los insectos, ranas y demás criaturas pequeñas, que surgirían por generación espontánea a partir del barro o de otra materia inerte. La teoría de la generación espontánea fue descartada por sucesivos científicos a lo largo del tiempo: Francesco Redi (1668). Experimentos de los frascos y la carne. Lazzaro Spallanzani (1769). Tarros con caldo calentados y cerrados herméticamente. Louis Pasteur (1864). Descarta la generación espontánea incluso para los microorganismos. 3
En la Edad media la explicación aristotélica se complementa con la idea de un Dios creador. Creacionismo. Esta teoría reaparece a finales del s XX en los Estados Unidos. En el Renacimiento con el inicio y desarrollo de las ciencias experimentales aparecen las primeras contradicciones a las explicaciones bíblicas. En los siglos XVII y XVIII el progreso de las ciencias naturales separa aún más la explicación del origen de los seres vivos de las explicaciones creacionistas. Aparece la teoría del Fijismo. Esta teoría del fijismo afirma que todos los seres vivos son formas inalterables, inmutables, y hoy son tal y como fueron creadas desde su comienzo. Los seres vivos que observamos son distintos porque fueron creados distintos y entre ellos no existen relaciones de parentesco. Los principales defensores del fijismo son Carl Von Linneo (1707-1778) y Georges Cuvier (1769-1832). 4
3.2.- Evolucionismo. El hecho de que existan una enorme diversidad de seres vivos, con una composición química muy similar entre todos y que muchas especies actuales tuvieran antecesores comunes, hace pensar en la existencia de un proceso evolutivo. La evolución biológica podría definirse como el proceso de transformación de unas especies en otras mediante una serie de variaciones que se han ido sucediendo a lo largo de millones de años. Principales Teorías Evolucionistas. a) Lamarckismo. A finales del siglo XVIII aparece Jean Baptiste de Monet, caballero de Lamarck (1744-1829) quien propone la primera teoría coherente de la evolución y que se puede resumir en tres puntos fundamentales: Todos los organismos tienden a la perfección. Así las formas más simples habrían originado las más complejas. Esta idea le llevó a defender la generación espontánea: los organismos muy sencillos no podían provenir de otros, deberían haberse formado previamente de la materia inorgánica. Los organismos se adaptan a su medio ambiente, modificando sus estructuras para conseguirlo. La función hace el órgano o la necesidad crea el órgano y el desuso lo atrofia. Los caracteres así adquiridos se transmitían a la descendencia. Herencia de los caracteres adquiridos. La teoría de Lamarck fue rechazada por la comunidad científica del siglo XIX pero no por la idea de la herencia de los caracteres adquiridos, (Darwin creía en ella y finalmente descartada por August Weissmann (1834-1914) con su experimento de los ratones), sino porque pensaba que el motor de la evolución eran los propios deseos internos de los seres vivos que se esforzaban en cambiar. b) Darwinismo. Se denomina así a la teoría elaborada independiente pero simultáneamente por Charles Darwin (1809-1882) y Alfred Russel Wallace (1823-1915) en la segunda mitad del siglo XIX. La teoría de Darwin se apoya en los siguientes puntos: - Las formas de vida no son estáticas sino que evolucionan; las especies cambian continuamente, unas se originan y otras se extinguen. 5
- Entre los individuos de una población existe variabilidad (intraespecífica) a nivel anatómico, fisiológico o de comportamiento. Darwin desconoce el origen de esta variabilidad. - Los organismos semejantes están emparentados y tienen un origen común. - Nacen más individuos de los que sobreviven, por lo que la competencia (intraespecífica) por los recursos es inevitable. Lucha por la supervivencia. - El resultado de la competencia por los recursos conduce inevitablemente a la Selección Natural que elimina a los individuos peor dotados o menos aptos para ese ambiente. Supervivencia del más apto. El Darwinismo tiene dos puntos que han sido superados por la moderna Biología: no explica el porqué de la variabilidad de las poblaciones naturales y cree en la herencia de los caracteres adquiridos. Su gran aportación es sin duda, la idea de la Selección natural y la concepción de la población, más que el individuo, como sujeto de la evolución. c) Neodarwinismo o teoría sintética. Aparece en la década de 1940 y se basa en los principios del Darwinismo: variabilidad intraespecífica y selección natural, complementados con los conocimientos actuales sobre genética y paleontología. Según el Neodarwinismo la evolución se produce por: - La variabilidad genética en las poblaciones, producida por mutaciones y recombinación genética. Darwin desconocía estos dos mecanismos de variabilidad. - La selección natural, que tiende a eliminar las combinaciones genéticas que presentan un menor grado de adaptación frente al medio, favoreciendo aquellas que permiten la supervivencia de los individuos que las poseen. Pruebas de la evolución Morfológicas o anatómicas Embriológicas. Paleontológicas Biogeográficas Órganos homólogos (quiridio) Órganos análogos (aletas, alas) Órganos vestigiales. (Coxis) Serie filogenética del caballo. Etológicas. Insectos sociales Bioquímicas o moleculares. Parásitos Proteínas. Reacciones Atg-Atc. Hibridación de ADN 4.- HOMINIZACIÓN. Hace unos 40 m.a aparecen los primeros simios, que evolucionaron para formar los grandes simios hace 18 m.a, como el orangután, el gorila y el chimpancé. Nuestros antepasados se separaron de de los orangutanes hace unos 16 millones de años, de los gorilas hace unos 7 u 8 m.a y de los chimpancés hace 6 m.a. Orangutanes (16 m.a) Chimpancés (6 m.a) Gorilas (7-8 m.a) Homo 6
Proceso de hominización La evolución humana u hominización comprende el proceso de evolución biológica de la especie humana desde sus ancestros (primeros homínidos u pre-homínidos) hasta la actualidad. Esta hominización se produjo mediante las siguientes transformaciones y a lo largo de distintas etapas: Bipedismo. Se consiguió mediante las siguientes transformaciones: - Desplazamiento del fórum magnum a la base del cráneo. - La columna vertebral se hace más recta y sinuosa. - La pelvis se ensancha lo que posibilita tener crías con un cráneo más grande. - Se acortan los dedos de los pies y los pulgares a se aproximan a los demás dedos. Cerebración: - Aumenta la capacidad craneal. De 500 cm 3 del australopithecus al 1800 o 2000 cm 3 del Homo sapiens. - Aumentan las circunvoluciones cerebrales. - Achatamiento de la cara. Paso del prognatismo al ortognatismo. Los ojos en el mismo plano frontal. Visión estereoscópica. Liberación de las manos. - Cuando las manos servían para apoyarse la mandíbula era potente porque debía usarse para desgarrar, atacar, etc. - Se atrofian los músculos de la mandíbula. Se pasa de 36 a 32 dientes y se reduce el tamaño de los caninos. Sexualidad: - Las hembras perdieron el periodo del estro (celo). Las relaciones sexuales se convirtieron en permanentes. Lenguaje: - Se modifican las vías respiratorias. La laringe queda más abajo, lo que facilita el habla. Etapas de hominización. Los pre-australopitecinos. Seguramente los primeros homínidos son el Sahelantropus tchadiensis (7-6 m.a) y el Ardipithecus (5-4 m.a). Parece ser que ya eran bípedos, aunque por la posición del pulgar del pie no podían recorrer grandes distancias. Los australopitecinos. Son los primeros homínidos de los que se tiene total seguridad de que fueron bípedos. Prosperaron en las sabanas africanas hace 4 millones de años. Tenían una capacidad craneal reducida (400-500 cm 3 ). Ej: Australopithecus afarensis. El cambio, de su hábitat por desertización provocó que se especializaran hace 2,5 m.a en dos géneros distintos: los Paranthropus más robustos y de hábitos más vegetarianos, y el género Homo más carnívoro. El género homo. El primer representante de dicho género es el Homo habilis que apareció hace 2,5 m.a. Este hombre tenía mayor capacidad craneal (700 cm 3 ) y utilizaba sus manos con destreza y paso de consumir vegetales a carne, con lo que desarrolló la industria lítica. Le sucede hace 2 m.a el Homo ergaster (850-880 cm 3 ) cuya inteligencia es suficiente como para colonizar otros lugares. De hecho se desplazó hacia Asia donde originó el Homo erectus (volumen craneal superior a 1000 cm3). En África dio origen al Homo antecessor, que posteriormente también emigró del continente africano hacia Europa. 7
Los restos encontrados en Atapuerca (Burgos) del Homo antecesor indican que a partir de él se originaron dos especies diferentes del género homo: Homo neanderthalensis y Homo sapiens. Los neandertales aparecieron hace unos 200.000 años y se extinguieron hace 35.000 años. Eran muy inteligentes y robustos, su volumen craneal era similar al de Homo sapiens (alrededor de 1400 cm 3 ). El Homo sapiens aparecen hace unos 100.000 años y convivieron (hombres de Cro-Magnon) en Europa con los neandertales, sufrieron los mimos rigores climáticos y sobrevivieron. Sahelantropus tchadiensis (6-7 m.a) Australopithecus afarensis (4 m.a) Homo habilis (2,5 m.a) Paranthropus Homo ergaster (1,5 m.a) Homo erectus (1 m.a) Homo antecesor (1 m.a) Homo neanderthalensis (200.000 años) Homo sapiens (100.000 años) 8