I. Origen del Planeta y Evolución Química de la Vida
Proceso de Formación de los Planetas
La teoría más aceptada es la del Big Bang, planteada por Gamow hace 20 mil millones de años. Según esta teoría, el universo era una masa densa, compacta y caliente que explotó, dispersando polvo cósmico, residuos y gases (la nube primordial).
Composición de la Nube Primordial
Compuesta principalmente por Hidrógeno (H) y Helio (He), y en menores cantidades por Nitrógeno (N), Oxígeno (O), Carbono (C) y Hierro (Fe). Esta nube se condensó, dando origen al Sol y a los planetas.
La Tierra Primitiva y la Atmósfera Reductora
Se supone que el planeta se formó hace 5000 millones de años. La atmósfera de la Tierra primitiva estaba formada por metano, amoníaco y agua en forma de vapor. Esta atmósfera contenía mucho más hidrógeno, por lo que era reductora.
La atmósfera actual contiene: N₂ (78%), O₂ (21%), CO₂ (0.03%) y H₂O, siendo por lo tanto oxidante.
Al enfriarse la corteza terrestre, el vapor de agua se condensó y se produjeron las lluvias, formando los océanos. El agua de los océanos y las sales minerales dieron origen a una solución clave para el inicio de la vida.
La Sopa Primitiva (Oparin y Haldane)
Se estima que los primeros organismos vivos aparecieron hace 3500 millones de años.
En 1920, Oparin y Haldane plantearon por separado que la Tierra primitiva habría tenido las condiciones necesarias para dar origen a moléculas orgánicas sencillas a partir de compuestos inorgánicos. Las condiciones requeridas eran:
- Poca o ninguna cantidad de oxígeno libre.
- Presencia de CHON (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno) en la atmósfera y agua primitivas.
- Alguna forma de energía (descargas eléctricas, radiación UV).
Evolución Química: Síntesis Prebiótica
La Teoría de la Síntesis Prebiótica (antes de la vida) fue puesta a prueba por Miller y Urey en 1953, quienes validaron la hipótesis de Oparin y Haldane. Lograron formar las primeras moléculas orgánicas, denominadas aminoácidos.
En 1974, Orgel señaló que la cantidad de materia acumulada se había depositado formando una capa de 91.5 cm de grosor.
Formación de Coacervados y Proteinoides
Teoría de la Coacervación (Oparin, 1938)
Una gran cantidad de coacervados se fragmentaron en los océanos primitivos y otros se asociaron a iones como calcio, hierro y cobre. Esto ayudó a que actuaran como catalizadores, acelerando reacciones. Se hicieron más eficientes y aumentaron de tamaño. (Esta teoría no prosperó, ya que carecían de información genética y no explicaba cómo evolucionaron).
Microesferas Proteinoides (Sidney Fox)
Sidney Fox propuso el origen de la materia viva en las regiones volcánicas cercanas al mar. Las mezclas de aminoácidos se desecaron y calentaron, formándose polímeros (unión de moléculas más pequeñas = monómeros). Estos péptidos (proteínas) fueron capaces de formar microesferas con cierta capacidad metabólica y se dividirían por gemación. A las microesferas se les denominó proteinoides (considerada una primera forma de vida).
II. Evolución Celular y el Surgimiento de la Herencia
La Primera Molécula de la Herencia
Se piensa que la primera molécula de la herencia fue el ARN (Ácido Ribonucleico), que tenía capacidad catalítica y podía reproducirse por sí sola. Luego evolucionó una molécula más estable llamada ADN (Ácido Desoxirribonucleico). Estas estructuras evolucionaron en los protobiontes hasta alcanzar la estructura típica de una célula procarionte.
Transición Metabólica: Heterótrofos a Autótrofos
Las primeras células fueron heterótrofas anaerobias, es decir, vivían sin oxígeno y se alimentaban de moléculas orgánicas. Algunas células tuvieron que adaptarse al cambio de heterótrofas a autótrofas (capaces de alimentarse por proceso de fotosíntesis y vivir con oxígeno). En esta transición, muchas formas de vida murieron, mientras que otras se adaptaron.
El periodo de mayor mortandad de seres vivos se da en la transición de organismos heterótrofos a autótrofos. En este periodo, el oxígeno en la atmósfera aumentó drásticamente, pasando de ser reductora a oxidante.
- Anaerobias: Viven sin oxígeno.
- Aerobias: Viven con oxígeno.
Origen de las Células Eucariotas
Estas primeras células tenían organización procariota y eran de pequeño tamaño. A partir de ellas evolucionaron las células eucariotas, las cuales se asociaron en colonias, formando organismos pluricelulares.
Teoría Endosimbiótica
Postula que los organelos clave (mitocondrias y cloroplastos) se habrían originado a partir de organismos procariontes. Tanto las bacterias aerobias como las bacterias fotosintéticas habrían sido englobadas por microorganismos que, con el tiempo, dieron origen a las células eucariontes.
III. Visiones Históricas y Refutación de la Generación Espontánea
Teorías No Evolutivas
- Creacionismo: Creación por un ser superior (Dios, ser divino).
- Preformismo: La vida venía formada tal cual, preexistente en el embrión. La forma más extrema era el emboitement (encajamiento), donde el miembro inicial contenía los “gérmenes” preformados de todas las generaciones futuras.
- Epigénesis: Origen por desarrollo embrionario a través de una diferenciación gradual de tejidos inicialmente uniformes.
- Panspermia: La vida no surgió en la Tierra, sino que vino desde otro planeta (origen cósmico). Svente Arrhenius declaró que la vida era eterna, anulando la cuestión del origen.
La Generación Espontánea y sus Refutadores
La Generación Espontánea (propuesta por Aristóteles) sostenía que la vida surge espontáneamente de la materia inerte. Sus principales refutadores fueron:
Francesco Redi (Siglo XVII)
Puso a prueba la creencia de que los gusanos se formaban espontáneamente en la carne en descomposición. Colocó dos frascos: uno abierto y otro cerrado (o cubierto con muselina). Observó que en el cerrado no había gusanos, mientras que en el abierto sí, debido a que las moscas depositaban sus huevos. Leeuwenhoek apoyó a Redi con sus observaciones microscópicas.
Lazzaro Spallanzani (Siglo XVIII)
Demostró lo contrario que Needham. Spallanzani hirvió caldo de carne para destruir los organismos preexistentes y selló herméticamente el recipiente, obteniendo que no había crecimiento. Needham, en cambio, calentó el caldo y lo colocó en un recipiente semiabierto, argumentando que se necesitaba aire para que la vida surgiera espontáneamente.
Louis Joblot (Siglo XVIII)
Realizó una experiencia similar a Redi, pero con extractos de plantas. Hirvió los extractos, cubrió unos y dejó abiertos otros, observando cómo solo en los abiertos se formaron microorganismos.
Louis Pasteur (Siglo XIX)
Pasteur demostró que el aire contiene una gran cantidad de microorganismos al hacerlo pasar por un filtro de algodón, donde quedaban atrapados. Posteriormente, ideó el famoso experimento del matraz con cuello de cisne. Hirvió el caldo de cultivo en el matraz (esterilizando el contenido) y, aunque el matraz estaba en contacto con el aire, los microorganismos quedaban atrapados en la curvatura del cuello, impidiendo la contaminación. Al romper el cuello, la proliferación era normal, refutando definitivamente la generación espontánea.
IV. Profundización en las Teorías Modernas
El Contexto Evolutivo (Darwin)
Uno de los primeros evolucionistas fue Charles Darwin. Su teoría se basa en:
- En cualquier especie existen numerosas variaciones de un individuo a otro.
- Los hijos tienden a parecerse más a los padres que a cualquier otro miembro de la población escogido al azar; de este modo, los hijos de los mejor adaptados al medio sobrevivirán mejor y tendrán más descendencia, evolucionando la especie.
Darwin supone que el mundo orgánico puede haber surgido por transformaciones del inorgánico.
La Experiencia de Stanley Miller y Harold Urey
El experimento de Miller consistía en un circuito cerrado compuesto por un matraz con agua y el resto del aparato con una mezcla de metano, hidrógeno y amoníaco. Además, el aparato incluía una cámara de descargas con electrodos de tungsteno y un condensador.
Procedimiento y Resultados
El procedimiento era el siguiente: se calentaba el agua y se mantenía en ebullición. El vapor de agua y los gases del circuito pasaban por la cámara y recibían una descarga de electrodos que poseían un gran potencial eléctrico (simulando rayos). Los productos formados se disolvían en el agua licuada del condensador y pasaban al matraz pequeño. Después de una semana, los resultados fueron:
- El 15% del carbono «atmosférico» se encontraba presente en el «océano».
- El 5% del carbono estaba transformado en productos bioquímicos.
- Se habían sintetizado aminoácidos naturales en grandes cantidades: glicina, alanina, ácido aspártico y ácido glutámico.
La Atmósfera Primitiva y la Síntesis Abiótica
La primera atmósfera de la Tierra, de más de 4,5 millones de años, estaba compuesta por Hidrógeno y Helio. Los volcanes activos expulsaron a lo largo de millones de años dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua, además de metano, amoníaco y ácido sulfúrico. Estos gases formaron la atmósfera en la que se originaron las primeras etapas de la vida.
La hidrosfera era salada, y la temperatura superficial media del planeta estaba por encima del punto de congelación del agua y por debajo de su punto de ebullición. Se estaba produciendo el efecto invernadero a causa del dióxido de carbono, vapor de agua y amoníaco atmosférico.
Síntesis de Macromoléculas
A partir de los componentes de esta atmósfera se crearon las primeras moléculas orgánicas:
- Los aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas).
- La purina, la pirimidina y el azúcar (elementos constituyentes de los ácidos nucleicos).
- Los lípidos (elementos constituyentes de las membranas celulares).
La energía necesaria para la síntesis de estos compuestos químicos procedía de la radiación solar ultravioleta, la energía eléctrica meteórica y las reacciones químicas inorgánicas exergónicas.
Los compuestos orgánicos abiógenos (formados sin vida como condición previa) se unieron para dar lugar a las primeras unidades vivas: los protobiontes.
V. El Desarrollo de la Célula Primitiva (Eobiontes)
Etapas Previas al Surgimiento Celular
Antes de que surgiera la primera célula, debieron producirse cuatro etapas clave:
- Formación de moléculas de ARN capaces de dirigir su propia síntesis (autocopiativas).
- Desarrollo de mecanismos por los que el ARN pudiera dirigir la síntesis de proteínas.
- Formación de una membrana lipídica y su ensamblaje para poder rodear a la mezcla autorreplicante de ARN y proteínas.
- En una fase posterior del proceso evolutivo, el ADN pasó a ocupar el puesto del ARN como material genético.
Los protobiontes iniciales se desintegraban muy rápidamente. Es probable que los primeros protobiontes solo crecieran, y una vez llenos de dichas materias, explotaban. Si explotaban mientras estaban sumergidos, formaban inmediatamente nuevas esferitas. Dichas formaciones funcionales, envueltas por una superficie celular fija, se denominan eobiontes.
Origen de la Semipermeabilidad
La formación de la membrana pudo ocurrir cuando las gotas levantadas por las olas eran rodeadas por una capa sencilla de lípidos, que se transformaba rápidamente en una doble membrana al caer sobre la película de grasa.
La doble membrana tan solo es permeable a moléculas de agua y sustancias liposolubles. Las otras moléculas únicamente pueden atravesarlas si quedaron grandes moléculas atrapadas entre los lípidos, que ahora sirven como compuertas de transporte. De este modo se creó la semipermeabilidad, una característica crucial de la membrana biológica.
La sencilla célula arcaica así creada está compuesta por una doble membrana y por un espacio interior que contiene moléculas con información (ADN) y moléculas metabólicamente activas (enzimas).
Evolución Metabólica y la Oxigenación de la Atmósfera
Los primeros eobiontes se alimentaban de los protobiontes. La competencia por los recursos llevó a la división en dos vías de alimentación:
- Vía Heterótrofa: Desarrolló la fagocitosis. De este grupo resultaron posteriormente los organismos multicelulares.
- Vía Autótrofa: Conseguían energía primeramente por fermentación. Sus descendientes son los procariontes (arqueobacterias y eubacterias).
Las eubacterias empezaron a utilizar la energía solar para sintetizar sustancias celulares (fotosíntesis). Las más importantes reducían el CO₂ utilizando agua, liberando oxígeno. Estas eubacterias constituyeron las primeras bacterias fotosintéticas, entre ellas las cianobacterias, que fueron liberando oxígeno paulatinamente.
La liberación de oxígeno fue indispensable para que, hace aproximadamente 1500 millones de años, se pudieran crear los procariontes con metabolismo aeróbico (que respiraban oxígeno), y posteriormente, las primeras células eucariontes hace 1300 millones de años.
Estas células eucariontes se formaron por simbiosis de bacterias aerobias (que darían lugar a las mitocondrias) y células anaerobias. Algunas incorporarían más tarde pequeñas cianobacterias fotosintéticas que darían lugar a los cloroplastos.
Las pruebas de la evolución de la biosfera por fotosíntesis se basan en la existencia de cianobacterias, los productos de su actividad metabólica (estromatolitos) y datos sedimentológicos que indican la presencia de oxígeno libre desde hace 2500 a 2000 millones de años.