Revisión del 17:48 7 nov 2015

PRIMERA UNIDAD: ¿CÓMO SE EXPLICA EL ORIGEN, EVOLUCIÓN Y DIVERSIDAD DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS

Tema1. Origen de los sistemas biológicos

•Teoría Quimiosintética.

Teoría del Big bang

Desde que el hombre tuvo conciencia de sí mismo (es decir, desde que se hizo hombre), se ha hecho las mismas preguntas; ¿Quién soy? ¿De dónde vengo? ¿Adónde voy? ¿Qué es este lugar en el que habito? ¿Cómo se formó? En realidad, los antropólogos afirman que prácticamente todas las culturas han dado respuestas a estas cuestiones, y de muy diversas formas; el problema principal es que la mayor parte de ellas han sido idealistas: depositan la responsabilidad en uno o varios creadores que, por su voluntad, crearon todo lo que existe.

Con el desarrollo de la ciencia ha sido posible empezar a dar respuestas a tales preguntas basándonos en una posición objetiva, la cual trata de describir la realidad. En nuestras descripciones hemos supuesto que el centro del Universo era la Tierra, posteriormente pensamos que era el Sol, y en la actualidad sabemos que ni siquiera nuestra galaxia ocupa el centro del Universo. El estudio de éste ha permitido a los físicos deducir algunos hechos que ocurrieron hace millones de años, Mencionaremos únicamente dos avances que nos han permitido proponer una teoría coherente acerca de la formación del Universo. La primera se refiere al estudio de objetos muy lejanos, fuera de la Vía Láctea (que así se llama nuestra galaxia). En efecto, cuando los astrónomos estudiaron con el espectroscopio la luz de las galaxias u otros cuerpos lejanos, se dieron cuenta de que las bandas de Absorción de los elementos en las estrellas no coincidían con las del espectro normal, a menos que se considerase que tales bandas se encontraban corridas hacia el rojo. Pero ¿a qué podía deberse esto? La única respuesta el efecto Doppler-Fizeau (figura 1.1), según el cual, cuando un cuerpo luminoso se aleja de un observador, éste verá el espectro de emisión del cuerpo en movimiento desplazado hacia el rojo (en caso de estar inmóvil no habría corrimiento alguno del espectro, y en caso de estarse acercando, habría un corrimiento hacia el azul.

Figura 1.1

Así, la evidencia muestra que los cuerpos en el espacio siguen las leyes de la gravitación universal localmente, pero si están muy alejados (a escala intergaláctica), todos se alejan siguiendo un patrón semejante a puntos inscritos en un globo que está siendo inflado.

El segundo avance está determinado por lo que se conoce como radiación de fondo universal. Los astrónomos han descubierto que aunque en las estrellas y sus zonas de influencia la temperatura puede ascender a miles o millones de grados centígrados, se puede decir que en general el Universo se encuentra a 3 °K. Esta es una de las predicciones más notables de la cosmología moderna, hecha por George Gamow, de que los residuos de una explosión deberían ser todavía visibles en forma de un omnipresente fondo de radiación de microondas.

Figura 1.2

El matemático austriaco Christian Doppler (1803- 1853) hizo importantes investigaciones en acústica y óptica, describiendo el fenómeno que se genera cuando un móvil emite un sonido. Desde el punto de vista de un observador (ver figura 1.2), si el móvil se cerca, la longitud de onda se comprimirá por efecto del propio movimiento, dando un tono más agudo, mientras que si el móvil se aleja, la longitud de onda del sonido emitido se hará más amplia. En la actualidad, cualquiera que haya escuchado el claxon de un camión que pasa cerca, habrá notado dicho efecto. Este mismo proceso se aplica a la luz. Sólo que en este caso al hacerse más amplia la onda se corre hacia el rojo; al comprimirse, la onda se corre hacia el azul.

Considerando algunos hechos como los antes mencionados, algunos autores como Fred Hoyle y George Gamow propusieron una teoría acerca del origen del Universo a la que llamaron “Teoría de la Gran Explosión”; en ella, proponen que el Universo se formó hace unos 15 mil de años, a partir de una explosión de grandes proporciones que liberó cantidades inconmensurables de energía; la energía a su vez generó átomos de hidrógeno y algunos de helio.

Vemos así que siguiendo las ecuaciones de Einstein (E = MC2 y por lo tanto M = E / C2), parte de la energía liberada se convirtió en materia y ésta, a su vez, al seguir los principios de la gravitación universal, al seguir los principios de la gravitación universal tendió a agruparse formando gigantescas aglomeraciones dentro de las cuales hubo condensaciones que originaron estrellas. Las estrellas, según su tamaño, son capaces de transmutar el hidrógeno en elementos más pesados hasta el fierro (elemento 24) y cuando explotan (las estrellas masivas, es decir, de más de seis masas solares, terminan su ciclo explotando en forma de supernovas), emiten un intenso bombardeo de neutrones capaces de transmutar al fierro en elementos más pesados (incluso el elemento 120).

El hecho de que las galaxias se alejen unas de otras es efecto del impulso recibido de la Gran Explosión y la radiación de fondo es una reminiscencia de la energía liberada al inicio de la formación del Universo.

Así, la primera generación de estrellas careció totalmente de planetas por existir únicamente H y un poco de He; fue hasta que en los gigantescos hornos nucleares representados por las estrellas, donde se generaron los elementos constitutivos del polvo, las rocas y los metales, cuando se dieron las condiciones para que surgiese la segunda generación de estrellas, ya con planetas . Nuestra estrella, el Sol, es una estrella de segunda o tercera generación, y gracias a ello tiene planetas (incluso algunos rocosos como el nuestro).

Origen del Sistema Solar.

Aunque alguien podría decir (con toda razón), que nadie fue testigo de la manera como se formó nuestra estrella y sus planetas, los astrofísicos han localizado zonas del Universo en donde en este momento podemos ver cómo se forman las estrellas (como en la nebulosa del cangrejo). Del estudio de estas zonas podemos darnos una idea aproximada de cómo ocurre este proceso: las nubes de materia interestelar (bajo este nombre se designa a los fragmentos de estrella de diverso tamaño, desde gases, polvo, y guijarros, hasta cuerpos de varios kilómetros de diámetro), pueden atraer más materia, llegado a cierto límite, adquieren movimiento de rotación para posteriormente colapsarse por alguna perturbación externa (por ejemplo una supernova), y caer bajo su propio influjo gravitacional.

Este colapso genera temperaturas tan altas que, si la cantidad de materia es suficiente, induce procesos de fusión nuclear y el cuerpo así generado empieza a arder , para convertirse en una estrella. Tal colapso puede ser totalmente concéntrico aunque también puede ser bifocal (formando estrellas gemelas) e incluso puede haber condensaciones secundarias relativamente alejadas del centro de masa que forman los planetas. De este modo, pueden generarse estrellas, sistemas estelares gemelos y planetas.

En el caso de nuestra estrella, que formó hace aproximadamente cinco mil millones de años, ésta fue única (sin gemela), y hubo por lo menos nueve condensaciones secundarias: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano Neptuno y Plutón, además de alrededor de 60 satélites en casi todos los planetas (excepto Mercurio y Venus), presentándose también un cinturón de asteroides que nunca se condensó y divide a los planetas en interiores (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y exteriores (de Júpiter a Neptuno, pues Plutón ahora es considerado como planetoide, no como planeta).

Curiosamente, todos los planetas exteriores son gigantes gaseosos y todos poseen anillos y varios satélites (ver tabla 1.1).

Tabla 1.1 Presenta los planetas del Sistema solar y algunas de sus características.

Al condensarse la Tierra, la presión gravitacional generó alta temperatura, la cual fundió los materiales sólidos y dio origen al acomodamiento de éstos, de modo que el material más pesado se hundió hacia el centro formando el núcleo metálico o nife (por níquel y fierro) y una capa circundante de magma (lava) que poco a poco se enfrió en su parte más externa y constituyó la corteza.

En aquel tiempo nuestro planeta tenía una atmósfera de hidrógeno, la cual se perdió debido a que, por su ligereza, la fuerza gravitacional de la Tierra no pudo retener y fue barrido por las partículas que constituyen al viento solar, dejando una estela en su viaje alrededor del sol (quizá tendría un aspecto parecido al de un cometa, solo que en órbita planetaria).

La Tierra Primitiva

Como se mencionó, la atmósfera primaria de hidrógeno se perdió, aunque debido al proceso de enfriamiento planetario se generó una intensa actividad volcánica que arrojó cantidades inmensas de gases, formándose así la atmósfera secundaria. Ésta estaba constituida principalmente por metano, amoníaco, dióxido de carbono, ácido sulfhídrico, vapor de agua y ácido cianhídrico. Por otra parte, existían diversas fuentes de energía adicionales a las que existen actualmente: además de luz, existía una mayor temperatura proveniente del propio planeta, radiaciones producidas por el material que constituyó a la Tierra (radiación de fondo), radiación cósmica, radiación ultravioleta (actualmente filtrada por la capa de ozono), energía de impacto generada por el choque de meteoritos o cometas que no se condensaron en planetas o satélites y que constituían (aún en la actualidad) los escombros interplanetarios.

El proceso de enfriamiento planetario permitió que el vapor de agua se condensara y se precipitase coadyuvando en el proceso adiabático de la temperatura, e inició un ciclo de lluvias – evaporación que persistió durante millones de años, que a la larga llevó a la formación de arroyos, ríos, lagos, mares y, finalmente, océanos. Este ciclo de lluvias lavó la superficie terrestre, de modo que al formarse las grandes masas acuáticas, estas ya tenían en solución cantidades elevadas de sales minerales (de allí la salinidad de los mares).

Existe controversia entre los científicos acerca del origen del agua planetaria. Algunos niegan que toda el agua existente en el planeta se haya originado de los gases expulsados por la actividad volcánica y proponen que este líquido llegó como parte componente de múltiples cometas que chocaron contra la Tierra. Lo más probable es que el agua tenga ambas fuentes: la terrestre y la extra terrestre. Evolución prebiológica ===

Alexander I. Oparin y J. B. S. Haldane propusieron, cada uno por su parte, la teoría fisicoquímica del origen de la vida. En esta proponen que los gases atmosféricos de la Tierra primitiva, diluidos en el agua oceánica y gracias a ciertas fuentes de energía, empezaron a reaccionar formando compuestos más complejos.

Stanley Miller, un joven de 23 años que en 1953 cursaba su doctorado en la Universidad de Chicago, recreó las condiciones de la Tierra primitiva propuesta por Oparin – Haldane en un pequeño alambique sellado. Lo llenó con unos litros de metano, amonio e hidrógeno (que representaba la atmósfera), y un poco de agua (que representaba a los océanos). Con un dispositivo de descargas simuló una tormenta eléctrica de rayos (representando el ciclo de lluvias de millones de años), que fulminaban a los gases, y con una resistencia hizo calentar el agua. A los pocos días, el agua y el cristal aparecían teñidos por una sustancia rojiza. Tras analizarla, comprobó que tal sustancia era rica en aminoácidos (los compuestos orgánicos que se enlazan para formar las proteínas, la base material de la vida). Los resultados de Miller parecían apoyar la idea de que la vida pudo haber surgido a partir de sencillas reacciones químicas en la “sopa primordial”. A partir del trabajo de Miller se han realizado múltiples experimentos que tratan de repetir las condiciones de la Tierra primitiva y estudian la posible evolución prebiológica.

La tabla 1.2 es una síntesis de la presentada por Negrón- Mendoza en 1983, pero la diversidad de trabajos realizada hasta la actualidad es amplísima, así como lo es la diversidad de compuestos obtenidos por síntesis abiótica.

Oparin propuso que durante la evolución prebiológica se sintetizaron todos los compuestos de importancia biológica, y no solo eso, sino que llegando a ese punto los compuestos tendieron a formar complejos, que no son más que mezclas de los compuestos ya sintetizados, los cuales pueden tener propiedades mucho más avanzadas. Los complejos propuestos originalmente por Oparin fueron los coacervados, los cuales se definen como mezclas de dos o más compuestos de alto peso molecular que son capaces de aislarse del medio ambiente (protomembrana), de agregación (crecimiento por Absorción), de separación (división), e incluso pueden presentar reacciones internas (metabolismo). Los coacervados pueden ser elaborados en cualquier laboratorio modesto como los que tenemos en el CCH, y durante mucho tiempo se han estudiado mezclando sustancias diversas, incluso ácidos nucleicos, aunque es importante mencionar que los coacervados no son sistemas vivos. Diversos investigadores han propuesto otras estructuras como posibles modelos precelulares, como son los sulfobios y colpoides (Herrera), microsferas (Fox) y liposomas (Goldacre y Hargreaves).

En efecto, el científico Mexicano Alfonso Luis Herrera (1868 – 1942), encaminó su trabajo a tratar de demostrar que la vida se pudo haber generado en la Tierra mediante una serie de transformaciones químicas. Con sus trabajos y estudios fundó en 1924 una disciplina que denominó plasmogenia (que significa estudio del origen del citoplasma). Los sulfobios los generó a partir de la mezcla de ácido sulfocianhídrico y formaldehído; los colpoides los obtuvo mezclando aceite de oliva, gasolina y añadiendo gota a gota una solución concentrada de hidróxido de sodio teñido con hematoxilina.

Por otra parte, durante el año 1969, Sidney W. Fox, calentando mezclas de aminoácidos a temperaturas que fluctuaban entre los 160 a 190 °C, obtuvo una sustancia característica afín a las proteínas, a la que llamó proteinoide (proteína no biológica). La propiedad más importante de esta sustancia es que, bajo determinadas condiciones puede constituir pequeñas gotas (esferas) cuyo tamaño es comparable al de una célula típica y posee algunas características igualmente comunes a diversos tipos celulares: puede teñirse con colorantes bacteriológicos, vista al microscopio electrónico posee una envoltura, especie de doble pared celular, y presenta fenómenos osmóticos. Si se le somete a una ligera presión externa, forma largas cadenas semejantes a las que forman algunas bacterias o algas; puede aumentar de tamaño y formar gémulCADENAas, como las levaduras, o formar tabiques de división, los cuales semejan procesos de bipartición.

Los trabajos de Goldacre (1958) y Hargreaves (1977), introducen entre las posibles estructuras precelulares a los liposomas. Estos se forman por el colapso de una película lipídica de superficie por efecto de compresión; es decir, puesto que las soluciones acuosas de glicerofosfatos (que son lípidos), pueden formar delgas capas sobre la superficie acuosa, al presentarse un factor que provoque disturbios en la superficie (olas, viento, sonido u otros factores), se forman estrías que inducen a la película a plegarse sobre sí, atrapando aire, agua, iones, u otras moléculas que más tarde, debido a los procesos de permeabilidad selectiva de la envoltura, pueden ser capaces de iniciar la diferenciación del interior protocelular.

Las primeras células

Según Oparin, las estructuras precelulares pudieron haber evolucionado hasta convertirse en las primeras células que existieron en nuestro planeta, iniciando así la colonización de la Tierra.

Hasta ahora, los restos fósiles más antiguos encontrados (en Australia y Sudáfrica), basados en estructuras llamadas estromatolitos, que son producto de la actividad de unos organismos parecidos a las cianobacterias o algas azul – verdes, indican que existía vida ha tres 3 500 millones de años (MDA).

Los primeros organismos debieron haber basado su alimentación en sustancias orgánicas existentes en el medio ambiente (nutrición heterótrofa); asimismo, debieron ser capaces de extraer energía de sus alimentos en ausencia de oxígeno (respiración anaerobia) y reproducirse asexualmente. Del mismo modo, las evidencias indican que carecían de núcleo (procariontes).

Las condiciones de la Tierra primitiva no duraron indefinidamente, pues a la larga las fuentes de energía se fueron agotando y la síntesis abiótica de compuestos orgánicos llegó a su término. La Tierra disipó el exceso de energía; el ciclo de lluvias (con sus respectivas descargas eléctricas), que formó a los océanos también terminó; una importante cantidad de elementos radiactivos presentes en los materiales terrestres decayeron (es decir, dejaron de ser radiactivos), por lo que la radiactividad de fondo disminuyó apreciablemente; La Tierra limpió su órbita y una cantidad significativa de escombros se perdió al caer al Sol o en los planetas y satélites, por lo que la energía de impacto también decayó. Así, al agotarse las fuentes de energía que permitían las reacciones de síntesis de compuestos orgánicos (síntesis abiótica), se provocó la primera crisis de la vida en la Tierra.

La primera crisis de la vida en la Tierra

El agotamiento de los compuestos orgánicos en los océanos primitivos trajo como consecuencia que muchas formas celulares perecieran por falta de alimento, aunque gracias a la presencia previa de organismos fotosintéticos la vida prevaleció en el planeta. En efecto, algunas formas celulares efectuaban una fotosíntesis sulfurosa (también llamada anoxigénica, ya que no genera oxígeno), la cual tiene como fuente de energía a la luz y como reactivos a el bióxido de carbono (CO2) y el ácido sulfhídrico, también llamado sulfuro de hidrógeno (H2S), por lo que además de formar glucosa, libera S2 (en forma de gránulos de azufre). Como debes recordar, el azufre y el oxígeno forman parte del mismo grupo de elementos en la tabla periódica debido a que tienen muchas características semejantes, por lo que el agua y el ácido sulfhídrico son relativamente parecidos.

Pues bien, a partir del momento en que las sustancias nutritivas del “caldo primigenio” se agotaron, más del 99% de las especies dependen para sobrevivir de la energía solar directa o indirectamente (la excepción es una pequeña proporción de especies quimiosintéticas). Aquél debió haber sido el momento en que se establecieron las pirámides tróficas como las conocemos en la actualidad (más del 90% de la Biomasa del ecosistema debe estar constituida por autótrofos).

Tomando en cuenta lo afirmado en los dos párrafos anteriores, entre los fotosintéticos sulfurantes ocurrió que al pasar a formar la parte fundamental de la biota, el ácido sulfhídrico disponible (en aquél tiempo, originado fundamentalmente por las exhalaciones volcánicas), fue insuficiente; de modo que gracias a procesos evolutivos se desarrolló una fotosíntesis con base en el agua, lo que afectó gravemente a otras formas celulares, ya que la liberación de oxígeno por la fotosíntesis basada en agua envenenó a muchas especies. Por suerte, nuevamente los procesos evolutivos actuaron y se generó una ruta metabólica para emplear al oxígeno en la degradación de la glucosa, desarrollándose así la respiración aerobia, bastante más eficiente que la anaerobia (recuérdese que la respiración aerobia produce unas 12 veces más ATP que la anaerobia). El exceso de energía obtenido de la respiración aerobia y aprovechada en procesos reproductivos, disparó a su vez la velocidad de los procesos evolutivos al generarse muchos más individuos de los que el ambiente podía sustentar, potenciándose la lucha por la sobrevivencia, pues ahora se puso a disposición de la selección natural una cantidad mucho más elevada de genotipos. Pero no solo eso, sino que la producción de oxígeno cambió radicalmente la atmósfera (ver tabla 1.3), transformándola de reductora a oxidante, además de permitir la constitución de la capa de ozono, que al filtrar la radiación ultravioleta (UV) proveniente del Sol, permitió la colonización del medio terrestre.

En síntesis: la primera crisis de la vida en la Tierra se inició cuando al agotarse las fuentes de energía y ponerse fin a la síntesis abiótica de compuestos orgánicos, múltiples especies que se alimentaban por Absorción se extinguieron, sobreviviendo solamente las que realizaban la fotosíntesis sulfurante y las que eran depredadoras. La segunda parte de la crisis ocurre cuando se desarrolla la fotosíntesis basada en agua, ya que el oxígeno, gas de desecho de este tipo de fotosíntesis, resulta tóxico para gran variedad de especies. No obstante, la vida salió airosa de este trance al desarrollarse la respiración aerobia, además de iniciarse una rápida carrera evolutiva gracias a la potenciación de la selección natural por el exceso de crías, debido a que la respiración aerobia permitió invertir mucha más energía en los procesos reproductivos. Por otra parte, se generó la atmósfera terciaria, constituida principalmente por nitrógeno (N2) en un 79% y oxígeno (O2) en un 21%; además se formó la capa de ozono que al filtrar la radiación UV permitió que los organismos acuáticos, protegidos en ese medio de la radiación, pudieran salir a tierra firme sin ser dañados por los rayos UV.

Tabla 1.3 Comparación entre la atmósfera de la Tierra primitiva y la actual.