PROGRAMA DE BIOLOGÍA II
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Contenido
- 1 PRIMERA UNIDAD: ¿CÓMO SE EXPLICA EL ORIGEN, EVOLUCIÓN Y DIVERSIDAD DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
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).
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.
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).
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.
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.
•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).
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.
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.
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.
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).
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).
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).
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).
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.
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).
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).
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.
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).
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).
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)
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).
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.
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).
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).
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).
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.
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.