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

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.

Archivo:Doopler Fiseau.jpg

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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.

Archivo:Efecto Doppler Ejemplo.jpg

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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.

Archivo:F. Hoyle.jpg Figura 1.3 Fred Hoyle

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.

Archivo:Tabla planetas.jpg

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Figura1.4 Tamaños relativos de algunos planetas y sus satélites.

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.

Archivo:Atmósfera y fuentes de energía.jpg

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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.

1000px Figura 1.5 Dispositivo de Miller.

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).

Archivo:Tabla de Oró.jpg

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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.

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.

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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.

1000px Figura 1.5 Dispositivo de Miller.

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).

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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.

Archivo:Tabla comparación.jpg

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•Modelos precelulares.

Una atmósfera carente de oxigeno

Panspermia

Se propusieron varias hipótesis, entre ellas, la del químico sueco Svante Arrhenius (fig. 1.7) quién planteó, en 1908, lo que llamo la Teoría de la Panspermia. En su trabajo describe como algunos microorganismos procedentes de otras galaxias, y de otros planetas, con una atmosfera que permitiera la presencia de formas vivas, pudieron haber viajado a través del espacio hasta llegar a colonizar la tierra. Muy pronto su teoría sería descartada, puesto que se dijo que en lugar de resolver el problema sobre cómo se habían originado los primeros seres vivos, simplemente lo trasladaba a otro planeta. Carl Sagan y otros, han argumentado que es improbable que por esta vía pudiera haber llegado cuando menos una espora en toda la historia del universo. Además, cualquier microorganismo, de los que conocemos, moriría por efecto de la radiación, el frío y el vacío del espacio exterior (Shapiro, 214).

Figura 1.7 S. Arrehnius.

Oparin-Haldane

En la década de los veinte del siglo pasado, Alexander Ivanovich Oparin (Oparin, 1924) y John Burdon Sanderson Haldane (Haldane, 1929), sugirieron que la atmósfera primitiva debió haber sido muy diferente a la actual, Según Oparin, carecía de oxígeno en forma libre y era altamente reductora(Un medio reductor es aquel en el que hay una gran disponibilidad de electrones, lo que favorece las síntesis químicas. Un reductor es, por ejemplo, el hidrógeno, porque cede electrones y un oxidante es el que los captura, como por ejemplo el oxígeno), debido a la presencia de hidrógeno, metano (CH4), amoniaco (NH3), los que gracias a la energía proporcionada por la radiación solar, descargas eléctricas y calor desprendido durante la actividad volcánica, reaccionarían para formar compuestos orgánicos de alto peso molecular que al acumularse y disolverse en el agua de los océanos primitivos, eventualmente habrían de constituir a los primeros seres vivos. La síntesis abiótica

Los experimentos realizados en 1953 por Stanley L. Miller (Miller, 1953) bajo la dirección de Harold Urey, basados en la Teoría de Oparin, consistieron en el diseño y construcción de un aparato que simulara las condiciones que podrían haber existido en la tierra primitiva, antes de que se formara la atmósfera como la conocemos actualmente (fig. 1.8). En este aparato mezcló los 4 gases sugeridos por Oparin (metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno) y a través de un par de electrodos les aplicó descargas eléctricas (que representaban a las descargas electricas que se suponía se formaban con gran frecuencia) y una fuente de calor que producía vapor de agua (para representar las altas temperaturas). Durante una semana el agua contenida en el matraz se mantuvo en ebullición y las descargas eléctricas continuaron aplicándose durante el mismo tiempo. Al analizar la solución, encontró que se habían sintetizado aminoácidos como la glicina, la alanina y otros compuestos orgánicos. Con este trabajo se demostró que algunas de las sustancias características de los seres vivos, también se pueden formar sin la intervención de estos (síntesis abiótica). Ya en 1828 F. Wohler había logrado la síntesis de la urea, sustancia que también se pensaba era posible obtenerla únicamente a partir de los seres vivos. Sin embargo, con el trabajo de Miller se pudo demostrar que la formación de moléculas biológicas esenciales, no sólo era posible, sino también probable que la formación de estos compuestos tuvieran lugar mediante la síntesis abiótica, como lo había propuesto Oparin.

Figura 1.8 Oparin y Haldane

Melvin Calvin en 1961, empleando un ciclotrón (acelerador de partículas) sobre la mezcla de los gases primitivos logró sintetizar aminoácidos, azúcares, urea, ácidos grasos y otros compuestos orgánicos. El ciclotrón pretendió representar la energía que se producía por las desintegraciones radiactivas en la tierra primitiva.

Figura 1.9 Melvin Calvin

En 1960, Juan Oró mezclando ácido cianhídrico con amoniaco en agua, obtuvo una base nitrogenada, la adenina (Oró, 1961). Este compuesto interviene en la constitución de moléculas biológicas de gran importancia, entre otras, de los ácidos nucleicos. En 1963, C. Ponnamperuma, mediante la irradiación electrónica (ciclotrón) sobre una mezcla de amoníaco, metano y agua logró también sintetizar adenina (Ponnamperuna, 1963) y él mismo descubrió en 1965 que al irradiar formaldehido con luz ultravioleta (en virtud que se suponía que en la atmósfera primitiva no había oxígeno, por lo tanto no se formaba ozono para evitar la filtración de la luz ultravioleta procedente de la radiación solar) se obtienen entre otros: azúcares, ribosa y desoxiribosa.

Figura 1.10 Ponnamperuma

Modelos premoleculares

En 1969, Sidney W. Fox calentando mezclas de aminoácidos a temperaturas que fluctúan en un rango de 160° a 190° C, obtuvo una sustancia de características afines a las proteínas, a la que llamo proteinoide (proteína no biológica) (fig. 1.9). La propiedad más importante de esta sustancia es que bajo determinadas condiciones pueden constituir pequeñas gotas (esferas) cuyo tamaño puede ser comparable al de una célula típica. Según Fox, estas microesférulas proteicas pueden representar un antecesor de las primeras células. Algunas de las características que poseen son comunes a las de las células de animales y vegetales: se les puede colorear con los colorantes bacteriológicos usuales; vistas al microscopio electrónico, se observa que poseen una envoltura, una especie de doble pared celular y presentan fenómenos osmóticos; si se les somete a una ligera presión externa, forman largas cadenas semejantes a las que forman algunas bacterias o algunas algas; pueden aumentar de tamaño y formar gémulas, como en las levaduras o formar tabiques de división, que semejan los procesos de bipartición (Broschke, 1972).

Figura 1.11 Microesferulas

También A. I. Oparin propuso la formación de gotas de materia en solución como posibles precursores de seres vivos, Oparin centro sus estudios, durante muchos años, en la tendencia de las soluciones acuosas de polímeros a separarse espontáneamente formando coacervados:: unas gotitas ricas en polímeros, suspendidas en un medio esencialmente acuoso (fig. 1.10). Los coacervados fueron inicialmente sugeridos como un modelo de citoplasma por el químico holandés B. de Jong, quién demostró que mezclando dos soluciones diluidas de compuestos de alto peso molecular, se podían obtener gotitas microscópicas donde las moléculas tendían a agregarse como resultado de cargas eléctricas opuestas (citado en Lazcano, 1984).

Figura 1.12 Coacervados

Existen varias combinaciones de polímeros biológicos que pueden dar lugar a coacervados: proteína + carbohidrato (histona y goma arábiga), proteína + proteína (histona y albúmina), proteína + ácido nucleico (histona o cupleína y ADN o ARN). El diámetro de las gotitas de los coacervados puede ir desde un hasta 500 micrómetros. Una propiedad importante de los coacervados es que en su interior pueden ocurrir reacciones que den lugar a la formación d polímeros. Por ejemplo, si a un coacervado que contenga histonas y goma arábiga, se añade la enzima fosforilasa, entonces esta se queda concentrada en el interior de los coacervados, al difundirse en el interior de las gotitas, la enzima fosforilasa, polimeriza a la glucosa y se forma almidón que al sumarse a la goma arábiga (otro polímero glucosídico) hace que aumente el tamaño de la gotita, hasta llegar a romperse y formar gotitas hijas. En otro de los varios experimentos que realizó Oparin, incorporó clorofila en el interior de las gotitas y en el medio circundante añadió rojo de metilo y ácido ascórbico. Al exponerse a la luz, la clorofila y el ácido ascórbico reducen el rojo de metilo, en un proceso análogo al de la fotosíntesis de las plantas verdes (Dickerson, 1978). En la fotosíntesis, las moléculas de agua asistidas por la energía luminosa reducen el NADP+ a NADPH.

Corresponde a un mexicano, Don Alfonso L. Herrera , contribuir con sus investigaciones a tratar de resolver el problema sobre el origen de la vida. Mezclando ácido sulfocianhídrico y formaldehido, propone la teoría del origen del citoplasma (sulfobios). Produce también estructuras llamadas colpoides, mezclando aceite de oliva, gasolina y añadiendo gota a gota una solución concentrada de hidróxido de sodio teñido con hematoxilina. En esencia los trabajos de Alfonso L. Herrera estuvieron encaminados a tratar de demostrar la posibilidad que la vida se pudo haber generado en la tierra mediante una serie de transformaciones químicas; con sus trabajos y estudios fundó una disciplina que el denomino Plasmogenia, es decir, la ciencia que estudia la generación del citoplasma (Herrera, 1924). Resulta difícil imaginar cómo se le ocurrió a Don Alfonso emplea el ácido sulfocianhidrico y el formaldehido, ya que se sabría hasta las décadas de los 70 y 80 que estas sustancias constituyen los precursores comunes a partir de los cuales se pueden formar una gran parte de los componentes característicos de los seres vivos (Aguilera, 1993). Los compuestos empleados por Herrera en 1941 para producir sulfobios, serían los mismos que se comprobaron en 1968, constituyen las materias primas orgánicas presentes en nuestra galaxia (Río, 1983).

Figura 1.13 Alfonso L. Herrera

Una versión diferente que se propone para la concentración prebiótica de moléculas es la formulada por A. G. Cairns Smith (fig. 1.11). Para él, las primeras formaciones moleculares fueron de cristales de arcilla. En ellas la absorción sobre superficies de minerales comunes, como las micas y las arcillas, formadas por hojas paralelas de silicatos, unidas por iones positivos, con capas moleculares de agua entre las hojas, que permiten la difusión de otras moléculas (Cairns Smith, 1985).

Figura 1.14 cristales de arcilla

En esencia, este autor propone una vía común para explicar al mismo tiempo: el origen del metabolismo intermedio, la síntesis de macromoléculas y la aparición de su replicación. Para él, tuvo que existir una “vida inorgánica”. Basa su hipótesis en las semejanzas que hay entre las arcillas y las macromoléculas biológicas:

- Ambas con capaces de construir series moleculares de gran variedad y tamaño.

- Los dos tipos de compuestos se forman en el agua y exponen una superficie considerable a este disolvente donde pueden absorber otras moléculas.

- Los cristales de arcilla (de salicilato de aluminio), y también otros compuestos microcristalinos como los óxidos o los sulfuros metálicos, son susceptibles de absorber numerosas sustancias orgánicas o inorgánicas; también son capaces de metabolizar muy selectivamente algunas reacciones que, por otra parte, utilizan los químicos. Estas propiedades permitirían construir en las superficies de las laminillas de arcilla, pequeñas moléculas orgánicas por medio de reacciones catalíticas específicas y explicar así el establecimiento de una clase de ancestro del metabolismo intermedio.

Amplía su fundamentación argumentando que no requieren de una atmósfera especial ni caldos de cultivo donde desarrollarse y que ellas bien pudieran haber servido de substrato para sintetizar ácidos nucleicos o proteínas, empleando para ello, solamente energía solar y dióxido de carbono.

En su trabajo titulado: Genetic Takeover (Relevo Genético), se discute la posibilidad de remplazo de estos “genes cristalinos”, de naturaleza inorgánica, por la de los genes de los ácidos nucleicos, de naturaleza orgánica. Si bien la propuesta de Cairn Smith puede explicar los supuestos teóricos en que se basa esta hipótesis, no cuenta con suficiente apoyo experimental, en todo caso, estas ideas se enmarcan dentro de la proposición de Haldane de 1924, de que el proceso evolutivo de los seres vivos se inició con moléculas capaces de duplicarse y mutar, es decir, genes desnudos, los cuales adquirieron capacidades de auto ensamble y debido a la estabilidad de las configuraciones estereoquímicas que adoptaron, por la complementariedad entre sus bases, los que presentaron mayor estabilidad y mejor capacidad de duplicación fueron seleccionados. Posteriormente se rodearon de un límite membranal y dieron origen a la primera entidad celular (León Cazáres, 1987).

Otras alternativas sobre el origen de la vida.

La atmósfera oxidante

En la década de los setenta del siglo pasado empezó a cuestionarse fuertemente la existencia de una atmósfera prebiótica carente de oxígeno libre. A principios de los ochenta, la geoquímica y la observación por un grupo de astrofísicos de la NASA, mediante satélites, de la radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes, se demostró la posibilidad de que la Tierra, poco después de su formación, hubiera estado expuesta a una radiación ultravioleta muy intensa. Esta irradiación habría producido la liberación de una cantidad considerable de oxígeno en la atmósfera terrestre, por fotodisociación de moléculas de gas carbónico y de vapor de agua (Danon y Poupeau, 1982). A su vez, la irradiación ultravioleta habría disociado las moléculas de amoniaco y metano, de manera que el hidrógeno contenido en ellas, una vez libre, escaparía al espacio. Sobre estas bases, muy pronto se fue produciendo un cambio sobre las ideas que se tenían acerca de las condiciones que debieron existir en la Tierra primitiva.

Figura 1.15 Tierra

Meteoritos y nubes interestelares

Cuando se hicieron experimentos en los que se excluyó la presencia de metano, no se pudieron obtener aminoácidos complejos, lo que condujo a F. Crick y Fred Hoyle (Francis H. C. Crick, J. D. Watson y M. Wilkins, propusieron en 1953 el modelo sobre la estructura del ADN) a proponer un origen extraterrestre para la vida. Juan Oró, también sugirió que las primeras moléculas orgánicas se formaron fuera de la Tierra, en meteoritos o en estrellas lejanas, y no en los océanos primitivos como habían propuesto Oparin y Haldane. Christopher Chyba y Carl Sagan han recopilado muchos datos que les conducen a sugerir que moléculas orgánicas provenientes del espacio exterior pudieron constituir parte de la materia prima indispensable para la formación de las primeras moléculas que iniciaron los procesos de donde surgiría la vida (Chyba, 1992). El primer antecedente proporcionado por un meteorito, es el que cayó en Orgueil, Francia, en 1864. Al tomarle unas muestras y ser examinadas se encontró en ellos la presencia de aminoácidos, clasificando a la mitad de ellos como dextrógiros y a la otra mitad como levógiros. En virtud de que los aminoácidos fabricados por los seres vivos siempre son levógiros, en consecuencia, parte de los aminoácidos del meteorito de Orgueil son de naturaleza abiótica (Ponnamperuma, 1981) (fig. 1.16).

Figura 1.16 Isómeros ópticos de alanina.

Las formas levórigeras (izquierda) son las más utilizadas por la naturaleza.

En otro meteorito que cayó cerca de Murchinson, Australia (1969), se hallaron 17 de los 20 aminoácidos que componen a las proteínas. Por otra parte, recientemente se ha calculado que cada año caen a la Tierra 100 toneladas de meteoritos, lo que permite establecer que desde la formación de la Tierra primitiva, la aportación de materia orgánica pudo haber sido del orden de 20g/cm2 (Robert, 1990). También se ha estimado que cada año caen sobre la Tierra, en forma de microscópicas partículas de polvo, 300 toneladas de materia orgánica rica en moléculas de la familia del carbono, que proceden de la evaporación de cometas y de la superficie de asteroides (son cuerpos celestes sólidos y relativamente pequeños que se mueven en órbitas situadas entre las de Marte y Júpiter. Es posible que sean los restos de un planeta que no llegó a formarse). Los meteoritos a los que se les han encontrado presencia de aminoácidos pertenecen al tipo de las condritas carbonáceas y representan al 5% de los meteoritos que se han impactado en la Tierra (Horgan, 1991). Las observaciones que se hicieron sobre el cometa Halley, el cual pasó cerca de la Tierra, sugieren que los cometas pudieran aun ser más ricos en compuestos orgánicos que las condritas carbonáceas. En todo caso, estas condritas también contienen hidrocarburos, alcoholes y otros químicos con los que se pudieran haber formado las membranas que protegían las células primitivas. Las condritas (o condritos) son un tipo de aerolitos (lititos), caracterizados por tener esférulos de silicatos de tamaño milimétrico, condritos o cóndrulos, y poseer un contenido de fierro que oscila entre el 19-35% en peso; este hierro se encuentra como hierro niquelífero libre, en forma de troilita o en silicatos, Los del tipo carbonáceo son de particular interés por la presencia de componentes orgánicos.

Actualmente, se han encontrado casi 90 moléculas diferentes predominando las del tipo orgánico hasta con 13 átomos (HC11N), con abundancia de moléculas de agua, en las nubes interestelares de nuestra galaxia y seguramente muchas más faltan por ser descubiertas (Pendleton, 1994). Las fuentes de moléculas interestelares más estudiadas están asociadas a ciertas regiones de Orión A (fig. 1.17) y Sagitario B. Se trata de nubes muy densas ionizadas que rodean a las estrellas calientes cubiertas por el polvo interestelar. Las moléculas más complejas han sido detectadas únicamente en Sagitario B, que es la nube molecular más rica de la Galaxia y forma parte de un gran complejo de nubes interestelares, localizado en la región del centro galáctico (Oró, 1973). Las moléculas relacionadas más directamente con el origen de la vida son principalmente hidrocarburos y nitrilos (compuestos de carbono y nitrógeno). Algunos nitrilos pueden reaccionar con el agua para proporcionar aminoácidos y bloques de estructuras complejas que están presentes en las proteínas y en los ácidos nucleicos (Pendleton, 1994).

Figura 1.17 Orión A

Christopher Chyba ha calculado que la liberación de calor que se produciría como producto del impacto de un meteorito contra la superficie terrestre, es tal, que incineraría la mayor parte del material. Se ha calculado que un asteroide de 1.5 km. De diámetro, al caer sobre la Tierra, causaría una explosión con la fuerza de 100, 000 MEGATONES de TNT diez veces la fuerza del arsenal nuclear acumulado en el mundo o cinco millones de veces la fuerza que destruyó Hiroshima. El asteroide dejaría un cráter aproximadamente 15 km. De diámetro. Si bien nadie puede asegurar el efecto que causaría en todo el planeta un impacto de este tipo, es presumible que se levantaría una nube de polvo que podría bloquear por tiempo suficiente la luz solar hasta que sobreviniera un invierno nuclear (Champan, 1991). En estas condiciones sería improbable la presentación de la fotosíntesis. Sin embargo, si la atmosfera primitiva de la Tierra era mucho más densa que la actual podría potencialmente disminuir la velocidad del cometa y permitir que sus moléculas orgánicas alcanzasen intactas nuestro planeta.

Chimeneas submarinas

De haberse producido el número tan grande que se ha calculado de colisiones con cometas y meteoritos (como se supone por las impresiones dejadas en la luna al analizar sus cráteres) los cambios que habrían provocado en la atmosfera hacen difícil suponer que en estas condiciones pudieran haber aparecido los organismos primitivos. Esto permitió suponer que la vida pudiera haber sido incubada en las profundidades oceánicas, en lugar de pozas de agua que se forman sobre la superficie terrestre. Entre los que se apoya más fuertemente a esta suposición está John B. Corliss (del Goddard Space Flight Center de la NASA), quien fue uno de los miembros del equipo que descubrió, cerca de las Islas Galápagos, una de las primeras chimeneas submarinas, conocidas también como fumarolas negras o fuentes hidrotermales.

Figura 1.18 Chimeneas submarinas

En tales sitios el agua brota a temperaturas que pueden rebasar los 90°C y a una presión de 250 atmosferas. En esas condiciones hay óxido y dióxido de carbono, nitrógeno, hidrogeno, metano, azufre y abundante energía indispensable para crear y mantener la vida. Según Corliss, en el interior de las chimeneas submarinas los primeros organismos habrían quedado resguardados de los efectos provocados por el impacto, en nuestro planeta, de los meteoritos u otros cuerpos extraterrestres (Brock, 1988). En apoyo a ésta hipótesis Carl R. Woese, de la Universidad de Illinois, al hacer una comparación genética de bacterias (a las que llamó archibacterias) que obtuvo en este sitio, encontró que pueden ser las formas vivas más antiguas de todas las especies actúales (Woese, 1981).

Stanley Miller opina que no está de acuerdo en la hipótesis de las fuentes hidrotermales, pues parece que estas tienen una vida media que sólo dura unas cuantas décadas antes de que se extingan. Además, Jeffrey L. Bada de la Universidad de California en San Diego, ha realizado experimentos que sugieren que en el interior de las fuentes, la temperatura algunas veces puede exceder los 300°C (572°F), la cual más que crear, destruiría a los compuestos orgánicos. Miller considera que si la superficie de la Tierra se le considera como una sartén que se está friendo, entonces las fuentes hidrotermales serían el fuego que la está calentando (Horgan, 1991).

Figura 1.19 Stanley Miller

Un ARN catalítico

En todo caso, este conjunto de observaciones han demostrado que, a diferencia de lo que se supone con frecuencia no es difícil producir moléculas orgánicas a partir de átomos fundamentales: carbono, hidrogeno, oxigeno y nitrógeno muy abundantes en el universo. Lo que es difícil, en cambio, es producir las que pertenecen a unos tipos suficientemente poco variados y próximos de las moléculas hoy conocidas en los organismos vivientes (Danchin, 1988). Existe otro problema: no obstante que se ha demostrado que es factible conseguir que los “bloques de construcción” (aminoácidos, azucares, etc.) de los seres vivos se formen en condiciones abióticas, otra cosa es conseguir el ensamblaje funcional de los componentes. La mayor parte de las funciones de los seres vivos están reguladas por enzimas (proteínas con actividad catalítica). Estas se sintetizan de acuerdo a la información contenida en los ácidos nucleicos. A su vez, para la duplicación de los ácidos nucleicos, se implica que ya existan previamente enzimas (Aguilera, 1993).

Figura 1.20 Acído Ribonucleico.

Ante este panorama, cabe preguntarse: ¿Cuáles fueron las primeras moléculas que aparecieron en los orígenes de la vida? ¿Las proteínas o los ácidos nucleicos? Descubrimientos realizados a principios de la década 1980-1990, señalan que los ácidos nucleicos como los candidatos más probables. Estas investigaciones empiezan a configurar una nueva imagen que viene a enriquecer y orientar las investigaciones en torno a los orígenes de la vida.

Hasta antes de la década de los ochenta, se sabía que entre las sustancias que constituyen los seres vivos existían dos radicalmente diferentes: proteínas y ácidos nucleicos. Los conocimientos generados a partir del descubrimiento del modelo de la molécula del ADN, establecieron que las proteínas se forman de acuerdo a la información contenidas en el ADN y que éste para actuar e incluso para formas más ADN, requiere la presencia imprescindible de proteínas con actividad catalítica: las enzimas. A tal situación se le comparaba von el antiguo problema clásico sobre el origen de la vida del huevo y la gallina: ¿qué fue primero, el ADN o las proteínas? (Horgan, 1991)

Figura 1.21 Acído desoxiribonucleico.

En el año de 1981, Thomas Cech, en Boulder, Colorado, encontró que en el protozoario Tetrahymena piriformis, un ARN ribosómico era copiado del ADN en forma de un precursor que contenía un largo fragmento “inútil” (intrones). Al madurar, este se escindía, seguido de un plegamiento de las extremidades adyacentes de este fragmento. Todo sin la participación de enzimas (Danchin, 1988) (fig.1.14). En 1986, Cech y sus colaboradores, demostraron que el fragmento producido durante la reacción de la unión extrema y reducida a 19 nucleótidos, se comportaba como un verdadero catalizador. Este fragmento a la vez es capaz de retirar uno a uno los nucleótidos del extremo de algunos ARN o por el contrario, de alargarlos, todo ello sin que la molécula inicial quede alterada: así, un ARN puede comportarse como una autentica enzima. Por ello, a este acido nucleico que se comporta a la vez como enzima, se le denomino ribozima (de ribosa, un azúcar que entra en la constitución del ARN y enzima). Otros intrones con capacidad de autoescición serían luego localizados en diferentes organismos: hongos, plantas, protozoos y bacterias. Pueden encontrarse también en los ARN de los ribosomas nuclearas, así como en otros organelos celulares: las mitocondrias y los cloroplastos (Silveria, 1990) El intron de Tetrahymena se ha convertido en el prototipo del grupo mejor caracterizado, los intrones del tipo (o grupo) 1. Tales intrones también actúan como elementos móviles, de ahí que se este considerando la importancia del papel que tendrían los ARN catalíticos en la aparición de intrones en los organismos superiores (Saldanha, 1993).

Figura 1.22 Tetrahymena piriformis.

En 1983, el grupo de Sidney Altman, de la Universidad de Yale, en Connecticut, observó en ciertas condiciones, “in vitro”, que el fragmento de ARN de la ribonucleasa P (Es responsable de la maduración de una clase particular de ARN, los ARN de transferencia. Capaz de reconocer el conjunto de los ARN de transferencia y cortarlos en el lugar específico, a pesar que todos poseen secuencias de nucleótidos) podía realizar sólo las reacciones, con la presencia del resto de la molécula que era una proteína. Estos trabajos demostraron que la parte catalítica de la ribonucleasa P era la molécula del ARN. La proteína tiene un papel adicional: aumenta la velocidad de reacción, estabiliza la estructura del ARN y modifica la especificidad de la enzima (Gerlach, 1992).

Los trabajos anteriores (realizados en forma independiente) hicieron merecedores a Cech y Altman del premio Nobel de química en 1989, por su contribución al descubrimiento de los ARN catalíticos (Danchin, 1990).

A los intrones autocatalíticos y la ribonucleasa P, se habría de sumar una tercera categoría de ARN catalíticos: los ARN satélites. Estas son moléculas de ARN que se albergan en el ARN genómico de los virus de algunas plantas, que aparentemente utilizan los mecanismo de multiplicación y diseminación del virus en su propio provecho.

Figura 1.23 Dogma Central de la Biología

Estos descubrimientos vinieron en apoyo a una hipótesis propuesta hace más de veinte años por C, Woese, y luego por L. Orgel, según la cual, los ARN serían las primeras moléculas biológicas que aparecieron en los orígenes de la vida. Al evolucionar, podrían haber aprendido a autocopiarse. Por otra parte, el ARN fabricaría las primeras proteínas que le ayudaría, a su vez, a sintetizarse. Eventualmente, gracias a las proteínas, el ARN evolucionaría hacia ADN, que finalmente guardaría y actuaría como la memoria genética (Horgan, 1991).

El profundo interés y las investigaciones que provocaron el descubrimiento de estos ARN, fueron denominados por W. Gilbert como “el mundo de los ARN”. Investigadores, como Jack Szostak y Jennifer Doudna, sobre esta base, han logrado fabricar moléculas de ARN con capacidad enzimática que se comportan como autenticas ARN polimerasas, un enzima proteico capaz de alargar una molécula de ARN; Szostak, busca también en el laboratorio la posibilidad que uno de estos ARN pudiera ser encapsulado en una membrana (Fredman, 1992) (Sérafini, 1990).

Figura 1.23 El mundo de los ARN

Entre los avances más recientes deben citarse los trabajos del grupo de Noller (Noller, 1993) en los que se demuestran las profundas interacciones que existen entre las moléculas de ARNr y ARNt en el contexto de la actividad de la peptidil transferasa, así como el descubrimiento por este grupo, que el ARNr, virtualmente desprovisto de proteína es capaz, por si mismo, de llevar a cabo enlaces peptídicos, por lo que se considera que el ARMr posee actividad catalítica. Este resultado concuerda con las primeras sugerencias (sustentadas sobre fundamentos teóricos) que planteaban que los primeros ribosomas deberían haber estado constituidos exclusivamente por ARN (Orgel, 1993).

En todo caso, la investigación básica en esta área está derivando hacia importantes aplicaciones potenciales: hoy se enuncia la elaboración de nuevas enzimas de ARN, o ribozimas, como instrumentos de elección para la ingeniería genética, ya que permiten cortar el ARN en fragmentos precisos (como las endonucleasas de restricción) en la lucha antivírica. Se piensa que los oncogenes responsables de la aparición del cáncer pudieran ser activados mediante la introducción de una ribozima. Las plantas cultivadas pudieran llegar a hacerse resistentes a los virus que llevan ARN. Ya en 1990, un equipo del National Institute of Health, de Estados Unidos, obtuvo la expresión estable, en células humanas, de una ribozima destinado a destruir el ARN que dirige la síntesis de una proteína responsable del virus del sida, la proteína gag. Cuando estas células son infectadas por el virus se observa una disminución del ARN vírico desde el momento de su penetración (Gerlach, 1992).

Figura 1.24 Virus

Además, no hay que perder de vista, señalan algunos científicos (Radetzki, 1992), que si bien es cierto que el “mundo de los ARN” es una aproximación muy cercana a la explicación de los orígenes de la vida, y que estos son mucho más simples que una célula bacteriana es, aún así, una pieza cuya maquinaria molecular contiene más de treinta átomos enlazados y dispuestos en forma muy especial. Probablemente algunas formas moleculares de compuestos orgánicos, más simples, debieron haberles precedido.

En ese sentido, Julius Rebek, Jr, un químico del Instituto Tecnológico Massachusetts, a principios de 1990, publicó un trabajo en el que anuncia que había creado una molécula orgánica sintética con capacidad para poder replicarse a sí misma (Horgan, 1991 y que por tanto, Rebek consideraba una forma primitiva de vida. Esta molécula, a la que Rebek bautizó AATE (iniciales en inglés de “éster tríacido de la amina adenosina”) adopta la forma de una J mayúscula, en la que participan dos sustancias: una amina (es decir un compuesto orgánico que contienen nitrógeno) y un éster (un compuesto formado por un acido y un alcohol). Si se colocan en una solución rica en aminas y ésteres, el éster del AATE se unirá a una amina libre, y la amina del AATE se unirá a un éster. En cuanto la doble unión se haya producido, esta se romperá, formándose en su lugar dos nuevas moléculas de AATE, con la misma forma y composición química que poseía la molécula original. La mezcla tiene lugar en una solución de cloroformo. Si la solución contiene las concentraciones optimas de nutrientes, las moléculas de AATE pueden reproducirse por millones de veces por segundo (Bohoslarsky, 1991). Sobre este experimento, Leslie E. Orgel, del Instituto Salk, hizo notar que para que algo se considere vivo no es suficiente con que tenga capacidad de auto replicación. Deben ocurrir, ocasionalmente, errores y que estos sean susceptibles a ser heredados, o mutaciones, que conduzcan a la obtención de replicadores más eficientes. Sólo entonces se pueden presentar la evolución y la selección natural autenticas características de la vida-(Horgan, 1992).

Figura 1.25 AATE

En respuesta los señalamientos anteriores, Rebek y su equipo de colaboradores (Jong-In Hong, Qing Feng y Vincent Rotelo), a principios de 1992, informaron, en Science, haber obtenido un sistema de moléculas con capacidad para evolucionar. La nueva mezcla contiene tres aminas, cada una de las cuales se une a un éster para formar una amida con capacidad autoreplicativa. Estas tres amidas son ligeramente diferentes entre sí y se replican casi con la misma rapidez, sin embargo cuando son irradiadas con luz ultravioleta, una de ellas muta hacia una variante que se reproduce mucho más rápido que las otras. Al poco tiempo de concluir este experimento, hicieron una nueva mezcla que contenía ahora dos ésteres y dos aminas con las que obtuvieron a cuatro amidas diferentes, incluyendo entre ellas a las dos que habían creado con los primeros experimentos. Una de las amidas hibridas es un replicador altamente eficiente, mejor aun que los mutantes obtenidos mediante irradiación con luz ultravioleta. La otra molécula híbrida, carece absolutamente de capacidad replicativa; de ella, dice Rebek, está condenada a sufrir la misma suerte que la mula(son estériles) (Bohoslarsky, 1991).

Los trabajos de Rebek y sus colaboradores no han alcanzado una aceptación universal ente la comunidad científica, ya que tales ecosistemas desarrollados en tubos de ensayo, son tan sólo pálidas imitaciones del modelo darwiniano de la evolución.

Figura 1.26 Rebek

Esto significa que aún cuando se consiguiera obtener en el laboratorio a una molécula que exhibiera características afines a la de los seres vivos, tendríamos que preguntarnos: ¿así fue realmente la primera molécula? Al contestarla no deberíamos dejar de tomar en cuenta los profundos cambios que ha sufrido nuestro planeta: vulcanismo, erosión y movimiento de las palcas tectónicas, son algunos de los elementos que han transfigurando una imagen de la Tierra primitiva en contraste con la actual. Después de todo, no debe dejar de tomarse en cuenta que a la naturaleza le ha tomado más de 4 000 millones de años para producir las moléculas que actualmente conocemos.

•LUCA (Last Universal Common Ancestor)

Uno de los resultados más importantes de la biología moderna ha sido la demostración de la unidad de la vida. Darwin ya había hablado de la posibilidad de que todos los seres vivos tuvieran un origen común y la diversidad actual sería resultado de millones de años de evolución.

De hecho, todos los seres vivos del planeta descienden de un solo ancestro en común, conocido normalmente bajo las siglas en inglés de LUCA (el último ancestro común universal). El descubrimiento fue hecho por el Carl Woese, hace aproximadamente 30 años atrás. El organizo la vida actual del planeta en tres dominios: dos con una naturaleza procariota: Archea y Bacteria y una eucariota (Eucarya) . Dando así nacimiento a un nuevo campo de investigación científica dedicado a descubrir la naturaleza de LUCA.

Hoy en día, gracias a la acumulación de información genómica, podemos viajar al pasado genético e inferir las características de LUCA comparando que tienen en común los organismos del presente. Por ejemplo, queda claro que Luca era un organismo celular provisto de una membrana citoplasmica. Otros estudios, sugieren que LUCA emergió hace 3.8 millones de años y no toleraba el calor extremo. Sin embargo, inferir la intervención de otros personajes de Luca de la genómica comparativa es menos sencillo: por ejemplo, unos mecanismos moleculares esenciales para la replicación del ADN no son homólogas en los tres dominios y su distribución es a menudo desconcertante. Esta evidencia ha sido adoptada por los defensores de la hipótesis de que Luca albergaba un genoma de ARN y que su reemplazo por el ADN y la aparición de los sistemas moleculares correspondientes se habría producido de forma independiente en los tres dominios de la vida después de su divergencia.

•Teoría de endosimbiósis.

Desde los primeros intentos de clasificación de los sistemas vivos, el hombre los dividió en animales y vegetales debido, principalmente, a que a simple vista resaltan las diferencias entre estos dos grupos; es decir, para cualquiera era obvio que las plantas están inmóviles y su nutrición depende de la energía solar y ciertos componentes no vivos del ambiente (agua y sales minerales), mientras que la mayoría de los animales son móviles y se alimentan de otros organismos (animales o vegetales).

No obstante, una revisión más minuciosa de las formas vivientes deja en claro que los organismos pluricelulares no son los ejemplos más típicos de organismos, puesto que existe una diversidad mucho mayor entre las formas microscópicas. Ya desde la década de 1920, Edouard Chatton notó que existen dos formas fundamentales de células a las que él nombró procariotas y eucariotas debido a la ausencia o presencia de núcleo, respectivamente.

Esta división de las formas de vida es aceptada desde hace unos 30 años y en la actualidad se tienen muy claras las diferencias entre ellas. Quizá la diferencia más importante sea que las células procariontes carecen completamente de un sistema membranoso interno, mientras que las células eucariontes poseen toda una red de membranas internas que las hace más complejas.

Además de la gran diferencia de tamaño (pues las procariontes miden de un micrón a diez micra, mientras que las eucariontes van desde 10 a más de 100 micra), existe todo un cúmulo de características en las que difieren, las más importantes se presentan en la tabla 1.4.

Tabla 1.4 Diferencias más importantes entre procariontes y eucariontes

Archivo:Procariontes - Eucariontes.jpg

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•Teoría de endosimbiosis serial de Lynn Margulis y Teoría Autógena

Teoría autógena. La compleja organización de las células eucariontes sugiere, evidentemente, que aparecieron posteriormente a las procariontes. ¿Pero cómo se realizó el paso entre las dos categorías fundamentales de los seres vivos? Hay dos teorías. Una es la llamada autógena; esta sostenida especialmente por investigadores canadienses, como F.J.A Taylor o E.D Dodson, y la otra la de endosimbiosis sostenida por Lynn Margulis. La primera estipula que la célula eucarionte apareció por la formación progresiva en el seno del citoplasma de compartimentos especializados-el núcleo que contiene el material genético-, las mitocondrias que contienen los enzimas necesarios para la respiración; los plastos que contienen los enzimas y los pigmentos necesarios para la fotosíntesis- y por el incremento progresivo del tamaño de las células. Hasta el presente no se ha demostrado que esa teoría sea falsa y quizá nunca podrá ser refutada totalmente. Sin embargo, si los orgánulos de las células eucariontes aparecieron realmente de esta manera en el curso de una evolución que duro millones de años ¿Por qué no se encuentra ninguna forma intermedia? Por esta razón, la otra teoría, la de las comunidades microbianas coevolucionadas, nos parece más aceptable y es la que ahora desarrollaremos.

Teoría endosimbiótica. Se basa en las siguientes observaciones: tanto mitocondrias como cloroplastos tienen, a grandes rasgos, dimensiones parecidas a las de las bacterias. Además, estos organelos contienen ADN, ARN mensajero, ribosomas y ARN de transferencia; pueden multiplicarse independientemente del núcleo celular mediante la replicación de su ADN y sintetizar algunas de sus proteínas bajo el control de sus propios genes. Ello sugiere que estos organelos fueron organismos unicelulares capaces de autorreproducirse y sintetizar la totalidad de sus proteínas. Aunque tienen mucho menos ADN que las bacterias actuales, da la impresión que estos organelos tuvieron como antecesores a bacterias que vivían independientemente; enseguida pasaron a ser huéspedes permanentes de bacterias más grandes y se estableció una simbiosis entre los distintos organismos, lo cual acabó por originar los primeros seres unicelulares eucariontes, manteniéndose hasta nuestros días gracias a la capacidad hereditaria de tal asociación. Un argumento adicional a esta teoría es que tanto cloroplastos como mitocondrias son capaces de vivir de manera casi indefinida in vitro; es decir, en condiciones de laboratorio fuera de la célula eucarionte.

Los estudios más recientes, revelan que tanto en cloroplastos como en mitocondrias, los ribosomas y su respectivo ARNr están más relacionados, evolutivamente con los de las bacterias que con los de los eucariotas. Por otra parte, los estudios de ADN revelan que la mitocondria ciertamente fue una bacteria de vida libre del tipo fotosintético púrpura, mientras que el cloroplasto proviene de una cianobacteria.

Aún en la actualidad somos testigos de procesos de simbiosis entre microorganismos, como es el caso del protozoo Personympha, con el cuál ciertas bacterias de tipo espiroquetas establecen una relación en la que se pegan en la membrana limitante y actúan a manera de cilios, ayudando en la locomoción y permitiendo que el protozoo tenga un control sobre dirección, velocidad y momento en que deben detenerse o avanzar. Las espiroquetas obtienen a cambio alimento y protección (ver figura 1.16).

Archivo:Personynpha.jpg

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Vale la pena mencionar que las tendencias evolutivas de las células procariontes incluye los filamentos, zoogleas y las propias células eucariontes. Los filamentos (quizá el mejor ejemplo lo constituye la llamada lama, que son algas procariontes que viven en ríos y arroyos y que se caracterizan por ser muy resbaladizas), se constituyen cuando al dividirse una célula, las células hijas no se separan, continúan con esta tendencia en un solo plano, formando una especie de hilo constituido de células. Las zoogleas (los llamados “búlgaros”, que fermentan la leche, y la nata o madre del vinagre, son ejemplos típicos), se constituyen cuando las células se rodean de una sustancia gelatinosa y, al reproducirse, las células hijas quedan incluidas en la misma masa gelatinosa.

Por su parte, las células eucariontes tendieron a formar filamentos, consorcios, colonias, tejidos, órganos, aparatos y sistemas. Los tres primeros niveles pueden constituir organismos independientes, pero a partir de los tejidos estamos hablando de partes o constituyentes de organismos pluricelulares. Los filamentos son semejantes a los de procariontes, aunque en este caso se llega a estructuras más complejas, como las hifas que constituyen a los hongos. Los consorcios se forman cuando a partir de una célula madre se constituyen masas celulares organizadas como Pandorina, aunque las células constituyentes pueden separarse y tener vida independiente (ver figura 1.17). En las colonias, las células se agrupan y empiezan a tener división del trabajo, como en Volvox, en donde unas células se especializan en natación y otras en reproducción. Es difícil de que se realice la vida independiente de las células de Volvox. En organismos pluricelulares como la estrella de mar o el hombre, podemos encontrar diversos tipos de tejidos que constituyen órganos (cada tejido está constituido por células iguales especializadas en cierta función, mientras que los órganos son la unión de diversos tejidos para constituir una estructura con función definida); los órganos pueden formar sistemas o aparatos dependiendo si predomina o no, respectivamente, un tipo de tejido (ejemplo de sistema: óseo, donde predomina este tipo de tejido; ejemplo de aparato: digestivo, donde podemos encontrar diversidad de tejidos en la boca, dientes, estómago, glándulas anexas entre otros).

Figura 1.17 Algunas algas verdes flageladas que ilustran los niveles de organización unicelular, consorcio y colonial. Las pequeñas células de Pleodorina y Volvox son incapaces de reproducirse aisladas.

SEGUNDA UNIDAD: ¿CÓMO INTERACTÚAN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS CON SU AMBIENTE Y SU RELACIÓN CON LA CONSERVACIÓN DE LA BIODIVERSIDAD

Introducción.

Un ecosistema es la unidad funcional en la cual la energía y los nutrimentos fluyen entre el medio físico (abiótico) y una comunidad de organismos (medio biótico). Los componentes abiótico y biótico interactúan entre si produciendo una interdependencia compleja que mantiene al ecosistema en un “equilibrio natural”. Una alteración pequeña en uno de los factores puede romper este equilibrio y causar una perturbación en todo el ecosistema.

Es fácil darnos cuenta como los factores abiótico pueden influir en la comunidad biótica; frecuentemente las bajas o altas temperaturas matan a muchos organismos, también lo causa un incendio en el bosque, o un ciclón que destruye los árboles en una selva. Pero en realidad la relación es en ambos sentidos y, los organismos pueden producir cambios en el medio abiótico, así como también el medio abiótico los afecta a ellos. Por ejemplo, la atmósfera terrestre originalmente no tenía oxígeno libre, pero cuando aparecieron los primeros organismos fotosintéticos empezaron a producir oxígeno que gradualmente fue suministrado a la atmósfera y, de esta manera, los organismos fotosintéticos alteraron las condiciones primitivas de la atmósfera en forma tan drástica que el oxígeno pasó de ser inexistente en forma libre en la atmósfera a una concentración actual de 21 por ciento.

Las plantas también contribuyen a modificar el ambiente mediante la formación y fertilidad del suelo; las selvas densas regulan la humedad ambiental, la temperatura y la cantidad de luz que puede alcanzar el suelo.

Con pocas excepciones los ecosistemas obtienen la energía del Sol. Las plantas y otros organismos fotosintéticos (autótrofos) capturan la energía solar y la utilizan para formar moléculas orgánicas a partir de materia inorgánica simple. Los autótrofos son los organismos que por medio de la fotosíntesis o quimiosíntesis fabrican alimento y energía para todo ecosistema, por lo cual se les conoce como productores. Todos los demás organismos en el ecosistema son heterótrofos (no elaboran su propio alimento), ya que obtienen la energía de los compuestos que fueron elaborados por los productores. Los organismos que se alimentan a partir de los tejidos de otros organismos se llaman consumidores. Los herbívoros (consumidores primarios) comen plantas, los carnívoros (consumidores secundarios) se alimentan de otros animales, los parásitos, vivan o no sobre el hospedero, obtienen su energía de él. Los desintegradores, principalmente hongos y bacterias, obtienen su energía rompiendo compuestos orgánicos producto del desecho de organismos muertos.

Los autótrofos (productores) utilizan agua y dióxido de carbono (como fuentes de carbono, oxígeno e hidrógeno) y sales minerales, incluyendo a nitrógeno y fósforo y, con ellos forman carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Después cuando los desintegradores utilizan la materia orgánica para su metabolismo, producen como desecho moléculas inorgánicas sencillas, que si no son arrastradas del suelo por las lluvias o el viento, pueden ser usadas nuevamente por los productores, y de esta manera reciclarlos en el ecosistema.

Tabla 1.1 Organización de la cadena alimentaria.

Los componentes abióticos incluyen energía, sustancias inorgánicas y el sustrato y/o medio en el cual viven. Los elementos químicos que forman las moléculas inorgánicas sencillas son los factores químicos del ecosistema, los factores físicos son la lluvia, energía calorífica, viento y cualquier otro tipo de energía.

Niveles de organización ecológica: población, comunidad, ecosistema, bioma y biosfera.

Es bien sabido que a partir del individuo existen dos estratos: el que incluye los niveles de organización inferiores o anatómicos como tejidos, órganos, aparatos y sistemas en los organismos pluricelulares; y el que incluye los niveles de organización superiores o ecológicos, como son la población, la comunidad y el ecosistema. El concepto de ecosistema aún es más amplio que el de comunidad porque un ecosistema incluye, además de la comunidad, el ambiente no vivo, con todas las características de clima, temperatura, sustancias químicas presentes, condiciones geológicas, etc. El ecosistema estudia las relaciones que mantienen entre sí los seres vivos que componen la comunidad, pero también las relaciones con los factores no vivos.

Tabla 1.2 Niveles de organización de los seres vivos. Archivo:Organización niveles.jpg

Archivo:Niveles de organización 1.jpg Archivo:Niveles de organización 2.jpg Figura 1.1 Niveles de organización en la naturaleza.

Acerca de las Propiedades Emergentes

El desarrollo del Método Científico aunado al diseño de aparatos y técnicas que nos permiten estudiar la materia hasta sus componentes más ínfimos (los átomos), desde finales del siglo XIX trajeron como consecuencia una supuesta dicotomía de la filosofía con que los científicos realizan el estudio de los seres vivos. En efecto, un grupo de científicos enfocó el estudio de los fenómenos vitales desmantelando los organismos hasta sus unidades más pequeñas y considerando que los datos así obtenidos permitirían explicar el proceso de la vida; dicho grupo, denominado “mecanicista” o “reduccionista”, entró en pugna con los llamados “vitalistas”, quienes mantienen que la vida, y solamente la vida, tiene un algo especial, que siempre está fuera del alcance de la física y la química. Como afirma Stephen Jay Gould en su libro La Sonrisa del Flamenco. Según estas visiones de la vida, uno es, de acuerdo con la opinión de sus adversarios, bien un mecanicista sin corazón o un vitalista místico.

La posición intermedia mantiene que la vida, como resultado de su complejidad estructural y funcional, no puede descomponerse en sus productos químicos y explicarse en su totalidad por medio de las leyes de la química y la física que operan a nivel molecular. Asimismo, el camino intermedio niega que este defecto del reduccionismo represente una propiedad mística de la vida, alguna especie de chispa especial inherente tan solo a la vida. Los biólogos actuales suponen que la vida adquiere sus propios principios de la estructura jerárquica de la naturaleza. Al ir aumentando los niveles de complejidad a lo largo de la jerarquía de átomo, molécula, célula, tejido, organismo, población comunidad, etc, aparecen nuevas propiedades como resultado de las interacciones e interconexiones que emergen en cada nuevo nivel. Un nivel superior que no puede explicarse por completo descomponiéndolo en sus elementos básicos y estudiando sus propiedades en ausencia de tales interacciones. Así pues, surgen principios nuevos o “emergentes”, capaces de abarcar la complejidad de la vida; estas propiedades emergentes son adicionales y consistentes respecto a la física y la química de la materia. Así, tenemos que por ejemplo, éstas tienen propiedades que no pueden ser estudiadas aisladamente a partir de sus elementos constitutivos (los individuos), sino únicamente al estudiarse la población como tal.

Dicho lo anterior, mencionaremos que en este texto seguimos este camino intermedio, también llamado “holístico” u “organizativo”.

Población

Puede definirse la población como un grupo de organismos de la misma especie que presenta interacciones tanto genéticas como ecológicas y que ocupan un área determinada en un mismo lapso. Posee características y funciones más bien del grupo en su totalidad que de cada uno de los individuos, como son: tamaño, densidad de población, frecuencia de nacimientos y defunciones, distribución por edades, estructura de edades, ritmo, de dispersión, potencial biótico y forma de crecimiento. Si bien los individuos nacen y mueren, los índices de natalidad y mortalidad no son característicos del individuo sino de la población global. El tamaño de la población se refiere al número de individuos que contribuyen a la poza génica de la población.

Una característica importante es la estructura de edades, que se refiere al número de individuos colocados dentro de tres categorías: prerreproductivos, reproductivos y posreproductivos. Como cada individuo se reproduce solo en una parte de su vida, la edad de los miembros de la población puede ser utilizada para predecir la tasa de natalidad. El número de individuos de cierta edad y sexo se utiliza para formar la estructura de edad-sexo. Cuando una porción de los individuos se encuentra en la etapa reproductiva o son muy jóvenes, la estructura tiende a formar una pirámide. La base ancha de la misma indica que la población tiende a un crecimiento rápido, pues un número importante de individuos de la edad prerreproductiva pasarán pronto a la edad reproductiva. (Figura 1.2)

Archivo:Edades estructura.jpg Figura 1.2 y Figura 1.3

Por otro lado, una pirámide invertida (figura 1.3) indica que la población declinará porque los individuos en la edad reproductiva pasarán a la edad posreproductiva y ya no producirán más crías. Los de la edad prerreproductiva, por ser muy pocos, aunque alcancen la madurez y lleguen a la edad reproductiva no son suficientes para producir un número elevado de descendientes. La gráfica en la que se inscribe el número de organismos en función del tiempo es llamada curva de crecimiento de población. Tales curvas son características de las poblaciones, no de especies aisladas, y sorprende su similitud entre las poblaciones de casi todos los organismos desde las bacterias hasta el hombre.

La tasa de nacimientos o natalidad, de una población es simplemente el número de nuevos individuos producidos por unidad de tiempo. La tasa de natalidad máxima es el mayor número de organismos que podrían ser producidos por unidad de tiempo en condiciones ideales, cuando no hay factores limitantes.

La mortalidad se refiere a los individuos que mueren por unidad de tiempo. Hay una mortalidad mínima teórica, la cual es el número de muertes que ocurrirían en condiciones ideales, consecutivas exclusivamente a las alteraciones fisiológicas que acompañan el envejecimiento. Disponiendo en gráfica el número de supervivientes de una población contra el tiempo se obtiene la curva de supervivencia. De esas curvas puede deducirse el momento en que una especie particular es más vulnerable. Como la mortalidad es más variable y más afectada por los factores ambientales que la natalidad, estos tienen una enorme influencia en la regularización del número de individuos de una población.

Los ecólogos emplean el término potencial biótico o potencial reproductor para expresar la facultad privativa de una población para aumentar en número, cuando sea estable la proporción de edades y óptimas las condiciones ambientales. Cuando el ambiente no llega a ser óptimo, el ritmo de crecimiento de la población es menor, y la diferencia entre la capacidad potencial de una población para crecer y lo que en realidad crece es una medida de la resistencia del ambiente.

La densidad es el número de individuos que habitan en una unidad de superficie o de volumen, por ejemplo el número de árboles por kilómetro cuadrado en un bosque o el número de peces de una determinada especie por metro cúbico en un lago. La densidad total se puede estimar realizando un muestreo que consiste en contar el número de individuos en un área pequeña, seleccionada al azar, y extrapolar para conocer el total; la distribución se refiere al patrón en el cual los individuos de una población se distribuyen a través de su hábitat. Algunos parámetros que influyen en la densidad poblacional son la natalidad, mortalidad, emigración e inmigración, siendo la primera y la última responsables de un aumento, y las otras dos, responsables de decremento poblacional como se muestra en el siguiente cuadro:

Figura 1.4 Representa los efectos positivos de la natalidad y la inmigración sobre la densidad de población, así como los efectos negativos de la emigración y mortalidad.

La densidad absoluta de una población es muy difícil de cuantificar en el campo, por lo que siempre se tienen únicamente estimaciones; no obstante, cualquiera que sea nuestra estimación de la densidad, este parámetro nos da una idea de la capacidad de colonización de un hábitat que tiene una especie, así como su éxito en ese hábitat en particular. Las poblaciones se incrementan a través de la natalidad, la cuál consideraremos como un concepto amplio que describe la producción de individuos nuevos por alumbramiento, eclosión, germinación o bipartición. Como un concepto más aplicable a la dinámica poblacional emplearemos el índice de natalidad.

El índice de natalidad puede expresarse como el número de organismos nacidos por hembra por unidad de tiempo. La medición de este índice depende ampliamente del tipo de organismo en estudio. Algunas especies se aparean una vez al año, otras lo hacen varias veces en el mismo período y otras se aparean continuamente. Algunas producen muchas semillas o huevos mientras que otras producen unos cuantos. Por ejemplo, una sola ostra puede producir de 55 a 114 millones de huevos. Los peces comúnmente depositan huevos por miles, las ranas por cientos. Las aves usualmente ponen entre 1 y 20 huevos, y los mamíferos raramente tienen camadas de mas de 10 crías y más usualmente tienen una o dos crías. La fecundidad es inversamente proporcional a la cantidad de cuidado que los padres dan a los jóvenes.

Mortalidad. Los biólogos se interesan no sólo en por qué un organismo muere, sino también en por qué murió a esa edad determinada. Existen dos tipos de longevidad: la longevidad fisiológica y la longevidad ecológica. La longevidad fisiológica puede ser definida como el promedio de la longevidad de los individuos en una población que vive en condiciones óptimas; en otras palabras, el organismo muere de vejez. Por otra parte, la longevidad ecológica, es la longevidad empírica promedio de los individuos de una población viviendo bajo ciertas condiciones. Aquí, la distinción se basa en el hecho de que en la naturaleza sólo unos pocos individuos llegan a la vejez. La mayoría de ellos son muertos por depredadores, enfermedades y otras eventualidades mucho antes de que envejezcan.

Proporción de sexos. La proporción de sexos es otra de las propiedades emergentes de la población; y esta se define como la proporción de machos en una población. La proporción de sexos puede distinguirse de 4 maneras: la proporción de sexos primaria es aquélla presente en el momento de la fecundación; la secundaria se calcula a partir del final del cuidado parental; la proporción de sexos terciaria se refiere a la de los individuos que han obtenido recientemente la independencia pero no se reproducen y la cuaternaria es la de los adultos fértiles.

La proporción de sexos cuaternaria es la más importantes para el futuro de la población, ya que si se trata de una especie monógama, cualquier desviación de la proporción 1:1 implicará que algunos individuos no se reproducirán, empobreciendo genéticamente a la siguiente generación. No obstante, si la especie es polígama, no resulta desfavorable si el número de machos es menor al de hembras, ya que un solo macho puede aparearse con varias hembras y se producirá una cantidad de crías semejante al caso de que la proporción de sexos fuese 1:1.

Comunidad

El tipo de lugar donde normalmente encontramos individuos de una especie en particular se conoce como hábitat. El hábitat de cualquier organismo se caracteriza por sus factores físicos y químicos, pero también por la presencia de otras especies que viven en el mismo lugar. Directa o indirectamente las poblaciones de cada una de las especies en un hábitat se asocian unas con otras formando comunidad, por tanto, ésta se define como un total de poblaciones de todas las especies que ocupan una misma área. Son cinco los factores que forman la estructura de la comunidad:

Primero, la interacción entre clima y topografía. El clima está caracterizado por la distribución de la temperatura a lo largo del año y el régimen de lluvias, y la topografía por la composición del suelo, altitud sobre el nivel del mar, desniveles y otras condiciones físicas que caracterizan el hábitat.

Segundo, el tipo y calidad de alimentos y otros recursos disponibles a través del año y que influyen directamente en el tipo de especies que viven en la comunidad.

Tercero, los individuos de cada especie tienen características adaptativas que les permiten sobrevivir en las condiciones ambientales del hábitat y explotar recursos específicos.

Cuarto, los ocupantes del hábitat interactúan entre sí en relaciones como competencia, depredación y mutualismo.

Quinto, la estructura de la comunidad se ve alterada por el cambio en el tamaño de las poblaciones, la introducción de una nueva especie en la comunidad, o por perturbaciones físicas en el hábitat.

¿Cómo es que estos factores determinan la estructura de la comunidad? Dichos factores determinan el número de especies a diferentes niveles tróficos, comienzan por los productores y pasan por los diferentes niveles de los consumidores hasta llegar a los desintegradores.

En suma, los factores determinan el número de especies en un ecosistema (en el trópico, la alta tasa de radiación solar, las altas temperaturas y la humedad, favorecen el crecimiento de especies de plantas que soportan gran variedad de especies animales, mientras que con las severas condiciones en el ártico y antártico es raquítica la variedad de especies) y determinan finalmente el tamaño de la población de cada especie.

Nicho Ecológico

En cualquier ecosistema cierta combinación de condiciones ambientales y recursos permite a los individuos de una especie emplear los recursos para sobrevivir y reproducirse. Cada organismo en un ecosistema ocupa un área específica que es la localización física en la cual el organismo vive (en el fondo de un lago, bajo una roca, dentro de otro organismo, etc.).

Todo organismo necesita espacio para vivir, reproducirse y obtener nutrimentos y energía. El proceso por el cual adquiere lo anterior determina el papel de la especie en el ecosistema. La especie puede ser productora, consumidora desintegradora; ya sea presa, depredador, parásito, etc.

El papel que juega en el ecosistema el hábitat y el intervalo de tolerancia a cada factor abiótico, forman el nicho ecológico de una especie. Para un depredador de peces, las condiciones pueden ser una cierta temperatura del agua, determinada salinidad y presas de tamaño y valor nutritivo adecuado.

En otras palabras un nicho ecológico incluye todos los aspectos de la existencia de una especie. Dónde vive, qué actividades realiza, cuáles son sus requerimientos y efectos sobre el medio y otras especies.

Los biomas o zonas de vida

El bioma es una zona de vida dentro del globo terrestre o más precisamente un tipo principal de hábitat en el que la vegetación dominante comprende algunos tipos característicos que reflejan las tolerancias del ambiente y a la que se vinculan determinadas comunidades animales.

Es lógico que encontremos biomas acuáticos y continentales. Los primeros podrán subdividirse a su vez en lacustres o palustres (correspondientes a las lagunas y lagos), fluviales (ríos) y marinos (mares y océanos). En tierra firme podemos reconocer biomas específicos: al bosque, la tundra, el desierto, la pradera, la estepa y la selva.

Biosfera

Todos los ecosistemas del mundo se combinan para formar un nivel de organización llamado biosfera, que es la suma total de todos los lugares físicos en los cuales viven los organismos. La biosfera es la capa de la tierra de alrededor de 22 kilómetros, que va desde los límites superiores de la atmósfera hasta las profundidades de las trincheras oceánicas. Si comparamos la tierra con una manzana, la biosfera sería el equivalente en grosor a la cáscara, y toda la vida se desarrolla en esa delgada capa.

La biosfera está formada por la hidrosfera, que a su vez está constituida por los océanos, mares interiores, lagos, pantanos, ríos, charcas y toda el agua congelada de los glaciares y casquetes polares. Los organismos acuáticos en su mayoría se encuentran en aguas someras, donde puede penetrar la luz solar, para proveer de energía a los organismos fotosintéticos. Igualmente, la mayoría de los organismos terrestres viven en la parte iluminada de la litosfera, que es la parte rocosa de la corteza terrestre constituida por placas rígidas que forman el hábitat terrestre.

En la atmósfera, que está formada por la capa gaseosa que envuelve a la Tierra, los organismos sólo se encuentran debajo de los 7 kilómetros. Sin embargo se ha colectado polen, bacterias y esporas de hongos a altitudes de 100 Km y en la hidrosfera la gravedad lleva organismos muertos o desechos orgánicos a los fondos oceánicos, proveyendo de alimento, de esta manera, a las zonas abisales carentes de luz.

Componentes del ecosistema: abiótico y bióticos Los ecosistemas están conformados por elementos no vivos o componentes abióticos (la abiota), y por componentes vivos o bióticos (la biota). Estos interactúan para proveer los materiales y la energía necesarios para que los organismos sobrevivan.