LA TIERRA PRIMITIVA Los biólogos en general aceptan la idea que la vida se origina a partir de materia inanimada en un proceso que se denomina evolución química, el cual se debe haber desarrollado en varias etapas. A pesar de que nunca se sabrá con certeza las condiciones de la tierra primitiva, distaban mucho de las actuales. Astrofísicos y geólogos calculan la edad de la tierra en 4600 millones de años. Composición de la atmósfera primitiva Dióxido de Carbono (CO 2 ) Monóxido de Carbono (CO) Vapor de Agua (H 2 O) Hidrógeno (H) Nitrógeno (N 2 ) También es posible que hubiera Amoníaco (NH 3 ), Sulfuro de Hidrógeno (H 2 S) y Metano (CH 4 ). Es probable que tuviera poco o nada de oxígeno (O 2 ). Para la evolución química de la vida se necesitaba Ausencia total o casi completa de oxígeno libre Una fuente de energía Ya que al ser muy reactivo hubiera oxidado las moléculas orgánicas que son esenciales para la vida. La tierra primitiva era una lugar caracterizado por la presencia de vulcanismo generalizado, tormentas eléctricas, bombardeo de meteoritos e intensa radiación, especialmente ultravioleta Presencia de sustancias químicas Que funcionaran como "bloques de construcción químicos": agua, minerales inorgánicos y gases. La edad de la tierra se calcula en 4600 millones de años y los vestigios de vida mas antiguos datan de 3.800 millones de años, de modo que la "vida" tardo solo unos 800 millones de años en formarse. 1
Moléculas primitivas o Evolución Prebiótica Hasta mediados del siglo XVIII se pensaba que los compuestos orgánicos solo podían formarse por la acción de los seres vivos, la síntesis en el laboratorio de la urea (un compuesto orgánico), dio por tierra con esta creencia. En 1922, el científico ruso, Oparin lanzó la hipótesis de que la vida celular había sido precedida por un período de evolución química. En 1950 Stanley Miller, un estudiante graduado, realizó un experimento destinado a corroborar la hipótesis de Oparin, partiendo con las siguientes condiciones: 1. Ausencia o escasas cantidades de oxígeno libre (es decir no combinado químicamente a otro compuesto). 2. Abundancia de: C(carbono), H(hidrógeno), O(oxígeno) combinado, N (nitrógeno) Miller hizo pasar descargas eléctricas a través de una mezcla de gases que se asemejaría a la atmósfera primitiva. En un recipiente de agua, que en el modelo experimental, representaba al antiguo océano, Miller recobró aminoácidos. Posteriores modificaciones de la atmósfera produjeron muestras o precursores de las cuatro clases de macromoléculas orgánicas. La Tierra primitiva era un lugar muy diferente de la de nuestros días, con grandes cantidades de energía, fuertes tormentas etc. El océano era una "sopa" de compuestos orgánicos formados por procesos inorgánicos. Los experimentos de Miller y otros experimentos no probaron que la vida se originó de esta manera, solo que las condiciones existentes en el planeta hace alrededor de 3 mil millones de años fueron tales que pudo haber tenido lugar la formación espontánea de macromoléculas orgánicas. Las simples moléculas inorgánicas que Miller puso en su aparato, dieron lugar a la formación de una variedad de moléculas complejas. 2
Polimerización El siguiente paso fue la formación de grandes moléculas por polimerización( uniones entre si) de las pequeñas moléculas. La interacción entre las moléculas así generadas se incrementó a medida que su concentración aumentaba. Dado que la atmósfera primitiva carecía de oxigeno libre y de cualquier forma de vida estas moléculas orgánicas se acumularon sencillamente porque no reaccionaron con el oxigeno como lo haría en la actualidad. Esta acumulación sería lo que se llama actualmente "caldo de cultivo primitivo" y a partir del cual podría haber surgido la primera forma de vida. Reproducción molecular??? En las células vivas (actuales por supuesto) la información genética se almacena en el ADN, el cual transcribe su mensaje por medio del ARN que a su vez traduce esta información en una secuencia adecuada de aminoácidos que se ensamblan en PROTEÍNAS que son las encargadas de casi todas las funciones celulares. Las tres moléculas en la secuencia precisa: ADN contienen INFORMACIÓN PRECISA, pero solo el ADN y el ARN son capaces de autoduplicarse (copiarse a sí mismas). Así que debió ser uno de los ác. nucleicos (ADN o ARN) el candidato a llevar la información necesaria para la síntesis de proteinas, pero cuál de ellos?. En los años 80 Altman de Yale y Cech de la Univ. de Colorado encontraron una respuesta; algunos ARN funcionan como enzimas y pueden separar el ARN y sintetizar más moléculas de ARN, se llaman ribozimas. Conforme al modelo propuesto, la química de la tierra prebiótica dió origen a moléculas de ARN autoduplicantes que habrían iniciado la síntesis de proteínas. Pero si el ARN hizo copias de si mismo y apareció antes que que el ADN, como llegó éste a escena??? Quizá el ARN hizo copias bicaternarias de si mismo, que con el tiempo se transformaron en ADN que es más estable por su conformación de doble hélice, en tanto que el ARN es más reactivo por ser una molécula monocaternaria. 3
Así el ADN se convirtió en la molécula de almacenamiento de información y el ARN sigue siendo la molécula de transferencia de la información. La evolución celular se produjo en estrecha relación con la evolución de la atmósfera y de los océanos. Inicio de la vida?? los PROTOBIONTES CARL WOESE (1980) DENOMINÓ PROTOBIONTE O PROGENOTE AL ANTEPASADO COMÚN DE TODOS LOS ORGANISMOS Y REPRESENTARÍA LA UNIDAD VIVIENTE MÁS PRIMITIVA, PERO DOTADA YA DE LA MAQUINARIA NECESARIA PARA REALIZAR LA TRANSCRIPCIÓN Y LA TRADUCCIÓN GENÉTICA. DE ESTE TRONCO COMÚN SURGIRÁN LAS PRIMERAS CÉLULAS PROCARIOTAS. Si se agita agua que contiene proteínas y lípidos se forman estructuras huecas que se denominan microesferas, muy similares en diversos aspectos a las células: tiene un límite externo bien definido y en ciertas condiciones son capaces de absorber material de una solución e inclusive dividirse. En la década del 20, Oparín formó protobiontes a partir de proteínas y polisacaridos. Eran bastante estables y se denominaron coacervados. ( precursosres de las 1ª s células). El registro fósil ubica a las primeras células hace 3.500 millones de años. Las 1º células eran procariotas, es decir carecen de núcleo diferenciado. Estos heterótrofos primitivos obtenían su alimento del espeso caldo primitivo. Dado que no había oxígeno libre, el metabolismo era completamente anaerobio y por lo tanto bastante poco eficiente. Las primeras células procariotas. Cuando las moléculas orgánicas que se acumularon espontáneamente durante millones de años se acabaron, solo algunos organismos sobrevivieron, tal vez hayan ocurrido mutaciones (cambios permanentes y heredables del material genético) que permitieron a algunas células obtener energía de la luz solar, apareció entonces la FOTOSÍNTESIS. 4
Se desarrollaron varios tipos de bacterias fotosintéticas, pero las más importantes desde el punto de vista evolutivo son las Cianobacterias, que al convertir el agua y el dióxido de Carbono en compuestos orgánicos y liberaron oxígeno como producto de desecho a la atmósfera. Estamos a 3.100 millones de años atrás. Su presencia quedó registrada en los fósiles microbianos que se han encontrado en rocas compuestas por finas capas formados por bacterias heterótrofas y fotótrofas que vivían en un tipo de colonias. Aparición de los aerobios Hace unos 2.000 millones de años, las cianobacterias habían producido suficiente oxígeno para modificar la atmósfera terrestre sustancialmente. Muchos anaerobios obligados (aquellos que no viven en presencia de oxígeno) fueron dañados por el oxígeno, algunos desarrollaron modos de neutralizarlo o se restringieron a vivir en áreas donde este no penetra. Algunos organismos aerobios se adaptaron a vivir desarrollando una vía respiratoria que utilizaba el oxígeno para extraer más energía de los alimentos y transformarla en energía. Estas formas celulares tienen organización procariota y son de pequeño tamaño. A partir de ellas, se piensa que evolucionaron las células eucariotas. 5
Esta aparición de organismos aerobios tuvo varias consecuencias: 1. Los organismos que usan el O2 obtienen mas energía de 1 molécula de glucosa que la que obtienen los anaerobios por fermentación, por lo tanto son mucho mas eficientes. 2. El O2 liberado a la atmósfera era tóxico para los anaerobios obligados, que se confinaron a áreas restringidas. 3. Se estabilizó el oxígeno y el dióxido de Carbono en la atmósfera, y por lo tanto el Carbono empezó a circular por la atmosfera. 4. En la atmósfera superior el O2 reaccionó para formar OZONO (O3) que se acumuló hasta formar una capa que envolvió a la tierra e impidió que las radiaciones ultravioletas del sol llegaran a la tierra. El siguiente paso en la evolución celular fue la aparición de las células eucariotas hace unos 1.500 millones de años Origen de los Eucariotas La abundancia de bacterias ofrece un rico panorama para quién pueda alimentarse de ellas. A pesar que no existe registro fósil, los paleobiólogos especulan que algunos predadores primitivos eran capaces de rodear a bacterias enteras como presa; debieron haber sido bastante primitivos (considerando la época, claro), ya que al ser incapaces de realizar fotosíntesis y metabolismo aeróbico metabolizaban de manera deficiente lo que engullían. En 1980 Lynn Margulis (MIT), propuso la teoría de la endosimbiosis para explicar el origen de la mitocondria y los cloroplastos. De acuerdo a esta idea un procariota grande o quizás un primitivo eucariota fagocitó o rodeo a un pequeño procariota hace unos 1500 a 700 millones de años. Esquema de la endosimbiosis 6
En vez de digerir al pequeño organismo, el grande y el pequeño entraron en un tipo de simbiosis conocida como mutualismo en el cual ambos se benefician y ninguno es perjudicado. El organismo grande pudo haber ganado un excedente de energía (ATP), provisto por la "protomitocondria" o un excedente de azúcar (glucosa) provisto por el "protocloroplasto". Con el tiempo esta unión se convirtió en algo tan estrecho (la función regeneradora de ATP se delegó a los orgánulos celulares) que las células eucariotas heterótrofas no pueden sobrevivir sin mitocondrias ni los eucariotas fotosintéticos sin cloroplastos (la membrana que rodea a la célula eucariota no dispone de los componentes de la cadena de transporte de electrones para la respiración celular), y el endosimbiota no puede sobrevivir fuera de la célula huésped. Esta teoría también se aplica a otros orgánulos celulares como cilios, flagelos y microtúbulos, originados por simbiosis entre bacterias del tipo de los espirilos y un eucariota primitivo. Y el Núcleo?: su origen aún no se ha podido explicar. Tal vez se formó por una invaginación de la membrana externa que rodeó al ADN. Lo cierto es que su presencia determinó la aparición de las células Eucarióticas. 7
Los fósiles más antiguos provienen de rocas marinas, formadas en el antiguo océano. Los organismos actualmente vivientes con mayores semejanzas a las formas antiguas son las arqueobacterias. Este grupo esta hoy restringido a ambientes extremos. Recientes descubrimientos de bacterias en las fosas marinas en las cuales las placas tectónicas dejan lugar a fisuras y el calor y los materiales resultantes de esta circunstancia conforman un ambiente particular donde se desarrollan bacterias. Esto permite presuponer otro lugar donde la vida pudo haberse originado: en estas fosas marinas 8