1. INTRODUCCIÓN
A primera vista el universo biológico aparece sorprendentemente diverso, desde las altas palmeras hasta los pequeños helechos, desde las bacterias y los protozoos unicelulares, solo identificables bajo el microscopio, hasta formas visibles a simple vista. Pero toda esta variedad descansa sobre una marcada uniformidad: todos los sistemas biológicos se componen del mismo tipo de moléculas y emplean principios similares en el nivel celular. Esta diversidad es consecuencia de la evolución, y nos basamos en la existencia de fósiles del pasado para demostrar estas hipótesis.
2. EL ORIGEN DE LA VIDA Y SU INTERPRETACIÓN HISTÓRICA
Aristóteles fue uno de los primeros científicos que caviló sobre el origen de la vida, pensando que los organismos provenían por generación espontánea, proponiendo que los organismos como peces e insectos provenían de sustancias como el sudor o el rocío, como consecuencia de la interacción de sustancias no vivas con otras sustancias capaces de dar vida. Esta teoría fue tan aceptada que se conservó hasta la Edad Media, donde la mala interpretación de las teorías de Aristóteles hizo que se planteará muchas dudas.
No fue hasta el siglo XVII cuando Francesco Redi aportó pruebas contra la generación espontánea. Para ello utilizó tres frascos con carne, uno de ellos tapado completamente, otro con una tela y el otro al descubierto. El primero de ellos no contenía organismos, pero la carne estaba en descomposición, el segundo de ellos tenía larvas de moscas en la tela que no habían podido traspasar y el último de ellos estaba lleno de larvas.
El avance del conocimiento científico y el propio avance de la tecnología a mano de Leeuwenhoek iban a ser los que pusiesen en duda la generación espontánea. Leeuwenhoek con la invención del microscopio aportó las pruebas visuales para desbaratar la teoría de la generación espontánea. Buffon propuso su propia teoría diciendo que los seres vivos estábamos compuestos de sustancias y que cuando moríamos éstas tenían la capacidad de volver a formar seres vivos.
Aún así Needhan era un fiel defensor de la generación espontánea porque en sus frascos cerrados herméticamente aparecían microorganismos, idea rebatida por Spallanzani por su opinión de falta de esterilización.
El fin de la generación espontánea se debe a Pasteur, que consiguió una esterilización perfecta, por medio del hervido y colocación de filtros o matraces de cuello de cisne que impedían el paso del aire, con lo cual concluyó que los organismos eran transportados por el aire.
Una vez descubierto de donde procede la vida, surge la pregunta de cómo se originaron los seres vivos. Surgieron varias teorías entre las que se encuentran como más importantes las teorías evolucionistas y la teoría de la panspermia, y otras que no dejan de ser curiosas como la de Stanislaw Lem que opina en su libro “El diario de las estrellas” que la vida procede de la basura que tiró algún día un extraterrestre que pasaba cerca de nuestro planeta.
La teoría de la panspermia, propuesta por Arrhenius, afirma que la vida se había propagado de un sistema solar a otro mediante esporas de microorganismos. Esta teoría lo que básicamente dice es que las “semillas” o la esencia de la vida prevalecen diseminadas por todo el universo y que la vida comenzó en la Tierra gracias a la llegada de tales semillas a nuestro planeta. Orgel y Crick emitieron la teoría de la Panspermia dirigida y podría explicar ciertos fenómenos.
Hoy en día y con el avance de las técnicas de datación han permitido fechar sucesos y demostrar que compuestos que forman a los seres vivos pueden formarse espontáneamente a partir de compuestos que existían en la Tierra hace miles de millones de años, y también que las formas de vida actuales poseen un antepasado común.
Por el estudio de la Tierra se han encontrado fósiles de 3200-3400 m.a., esto quiere decir que si suponemos que la edad de la tierra tiene 4600 m.a. apareció la vida solo en 1000 m.a. La aparición de seres más complejos data de 2000 m.a. más tarde.
3. EVOLUCIÓN PRECELULAR
La gran actividad volcánica que existió en la tierra los primeros 1000 m.a. ha borrado todo rastro existente de vida, con lo cual nos hemos de suponer los procesos de formación de los seres vivos, y para ello se supone que provienen de una síntesis abiótica de compuestos orgánicos.
3.1. La atmósfera primitiva
Hace aproximadamente 5 000 millones de años se formó la Tierra, junto con el resto del sistema solar. Los materiales de polvo y gas cósmico que rodeaban al Sol fueron fusionándose y solidificándose para formar todos los planetas.
Cuando la Tierra se condensó, después de haberse diferenciado en varias capas por la diferencia de densidad de sus materiales, su superficie estaba expuesta a los rayos solares, al choque de meteoritos y a la radiación ultravioleta por la falta de la capa de ozono.
Estos procesos provocaron que la temperatura fuera muy elevada.
La atmósfera primitiva contenía vapor de agua, metano, amoníaco, ácido cianhídrico y otros compuestos, los cuales estaban sometidos al calor desprendido de los volcanes y a la radiación ultravioleta proveniente del sol, que hacía que con su baja gravedad, escapasen a la atracción de la Tierra los elementos menos pesados como el H. el vapor de agua se dice que apareció de los minerales hidratados de la litosfera y las capas profundas de la Tierra.
Otra característica de esta atmósfera es que carecía de oxigeno libre necesario para la respiración, se dice que era una atmósfera reductora.
También había gran cantidad de rayos cósmicos provenientes del espacio exterior, así como actividad eléctrica y radiactiva, que eran grandes fuentes de energía. Con el enfriamiento paulatino de la Tierra, el vapor de agua se condensó y se precipitó sobre el planeta en forma de lluvias torrenciales, que al acumularse dieron origen al océano primitivo.
Lo que quedaba por tanto en la atmósfera eran una cantidad de compuestos castigados por grandes fenómenos energéticos. Estos compuestos fueron agregados a los antiguos océanos formados por poca cantidad de agua y allí reaccionaron entre sí dando lugar a las biomoléculas. Este proceso es muy lento y ha ocupado casi toda la historia de nuestro planeta, solo hace 800 m.a. aparecieron mecanismos más eficientes como la fotosíntesis y quimiosíntesis.
3.2. Síntesis prebiótica
Oparín sugirió que los compuestos químicos de la atmósfera reaccionaron entre sí, empleando para ello la energía de las radiaciones y dando lugar a compuestos orgánicos simples. Todo ello facilitado por el carácter reductor de la atmósfera.
Uno de los experimentos que apoyó esta teoría fue el de Miller. Colocó mezcla de gases de atmósfera primitiva y vapor de agua en un recipiente al que aplicó corriente eléctrica simulando los rayos de la atmósfera. Sometió los compuestos a estos rayos durante una semana. Los productos una vez formados se condensaban y los analizaba y vio que se habían formado compuestos orgánicos.
Esta teoría fue avalada por otras tantas realizadas por Ander y Calvin.
Estos productos sencillos se unieron para formar otras biomoléculas más complejas.
Oparín mezcló proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos y comprobó que esas moléculas se asociaban en pequeñas esferas que denominó coacervados. Los aminoácidos sometidos a un calentamiento y enfriamiento lento, se unen para formar polipéptidos. Estas cadenas al ponerlas en contacto con agua caliente y luego fría formaban unas microesferas que tendían a acumular sustancias en su interior. Si se añadían lípidos se formaba algo parecido a la membrana celular. Ni los coacervados ni las microesferas eran seres vivos, pero pudieron ser el comienzo de la formación de las células.
3.3. Síntesis de biopolímeros
Todos los biopolímeros complejos están formados por unidades elementales que se unen entre sí perdiendo una molécula de agua. Ocurre en lípidos, en proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos.
Una vez sintetizados los biopolímeros estos adquieren conformaciones espaciales, constituyendo la estructura secundaria, permitiendo una mayor estabilidad. Aquí es donde actúa la selección natural, eliminando aquellos biopolímeros que son más inestables y seleccionando aquellos con las estructuras más viables.
Así, si hablamos de glúcidos han permanecido aquellos que son dextrógiros y en el caso de los aminoácidos han permanecido los levógiros, esto ha ocurrido así para que las enzimas que catalizan los procesos sean más específicas y puedan llevar a cabo su trabajo con el mayor rendimiento.
Otra característica es la capacidad de autorregulación. Imaginemos un compuesto que puede seguir dos rutas para sintetizar dos productos diferentes. Si uno de ellos facilita su propia síntesis induciendo al compuesto inicial es lógico que esa ruta se vea favorecida en la síntesis, desapareciendo totalmente la formación del otro producto restante. Estas sustancias favorecerían su propia selección.
La estructura terciaria es otra fase superior de organización, e incluso existe una cuaternaria, constituyendo una estructura de gran estabilidad.
El problema fundamental a la hora de explicar la formación de polímeros radica en la comprensión de reacciones que precisaban un aporte energético y eliminación de agua. La explicación se puede encontrar si las moléculas que iban a reaccionar se hubiesen unido previamente a un ion fosfato.
Los fosfatos pueden competir con el agua por los enlaces energéticos, por eso se piensa que pudieron ser la fuente primaria de energía utilizada por los seres vivos o sus precursores inmediatos.
3.4. Evolución del progenote
Los sistemas biológicos precursores de las primeras células debían poseer al menos dos características:
– La replicación, para formar dos células idénticas
– La evolución que resalta la imperfección del proceso anterior, de forma que la aparición de una variación en una de las copias puede otorgar a ésta la capacidad de adaptarse mejor al medio.
A partir de los estudios de laboratorio y de las leyes de la termodinámica se pueden establecer las etapas necesarias para la aparición de la primera célula:
– Formación de polímeros de ARN capaces de replicarse mediante el apareamiento de bases complementarias.
– Incorporación de los mecanismos necesarios para que las moléculas de ARN puedan regir la síntesis de moléculas proteicas.
– Formación de una membrana de lípidos que determine el aislamiento mezcla de ARN y nuevas proteínas.
– Sustitución como material que codifica la información para la síntesis de proteínas, del ARN por el ADN, ya que éste último es más estable.
4. LA TEORÍA CELULAR Y LA ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS
Una vez dadas las condiciones necesarias para la formación de los seres vivos fueron proliferando dando lugar a una gran variedad de especies en la Tierra.
4.1. Evolución celular
En el precámbrico, la Tierra estuvo habitada por seres microscópicos, parecidos a las bacterias actuales. Sabemos de su existencia por el estudio de los estromatolitos, que son composiciones de algas unidas a organismos.
Las condiciones de vida eran completamente diferentes a las actuales pero los mecanismos de selección evolutivos serían los mismos. Así de esta manera algunas mutaciones en esas células primitivas harían por una casualidad que se adaptasen mejor al medio y tuviesen ventajas sobre otras células que no hubiesen sufrido esa mutación. Estas células se desarrollarían más y serían las elegidas por la selección natural para tener más éxito evolutivo.
Un primer hecho importante fue la aparición de la capacidad para realizar la fotosíntesis, así de esta manera, estos organismos transformarían la atmósfera reductora reinante en ese momento por una oxidativa, al ser su principal proceso utilizar el CO2 y excretar el O2.
A partir de este momento los organismos del medio se adaptaron al oxígeno consiguiendo metabolismos más eficientes.
En el Cámbrico las formas pluricelulares se desarrollaron y diversificaron rápidamente, estaban formadas por células nucleadas. Anterior al cámbrico estuvo el precámbrico, ocupando las 7/8 partes de la historia de la Tierra. Hasta hace poco no se conocían fósiles del precámbrico hasta que se han descubierto 45 microfósiles en estromatolitos.
Cámbrico y ordovícico edad de los invertebrados, silúrico y devónico edad de los peces, carbonífero y pérmico edad de los anfibios y en el mesozoico edad de los reptiles.
Se han observado una evolución de organismos en fuentes termales, yendo de organismo termófilos poco evolucionados en aguas muy calientes, a organismos más evolucionados en aguas más frías.
4.2. Diferencias entre procariotas y eucariotas
– La mayor división entre organismos se debe al núcleo, es lo que diferencia fundamentalmente a las células eucariotas y procariotas. En las células eucariotas se encuentra el ADN envuelto por una membrana, constituyendo así el núcleo, organizado en cromosomas. En el caso de las procariotas se puede encontrar una molécula de ADN circular, libre en el citoplasma.
– Las eucariotas se dividen por mitosis y sexualmente por medio de la meiosis, en el caso de las procariotas se dividen por escisión binaria.
– Casi todas las procariotas son unicelulares y casi todas las eucariotas son pluricelulares.
– Las eucariotas tienen en su interior orgánulos celulares rodeados por una membrana, siendo los más importante cloroplastos y mitocondrias. La teoría más aceptada para explicar la aparición de estos orgánulos es la teoría endosimbiótica, según la cual algunas de las partes de dichas células se habrían formado mediante asociaciones permanentes entre organismos. Así mitocondrias y cloroplastos serían bacterias de vida libre que mediante simbiosis, pasaron a formar parte de otras bacterias diferentes. Otra teoría, autógena establece que las eucariotas aparecieron por un desarrollo continuado de las células procariotas.
– En las procariotas las exigencias de oxígeno son muy variadas, existiendo desde anaerobios a aerobios facultativos o estrictos. En eucariotas son casi exclusivamente aerobias. Sugiere que la evolución de eucariotas fue en lugares con cantidades altas de oxígeno y las procariotas pobres en oxígeno.
– Respecto al metabolismo, la fermentación y glicólisis no necesitan oxígeno, pero en las eucariotas el ciclo de Krebs es dependiente de oxígeno, siendo un proceso mucho más energético que los dos anteriores. El metabolismo de oxígeno se estableció alrededor de 1500 m.a. actualmente la fotosíntesis es llevada a cabo por plantas verdes o bacterias anaerobias y algunos protistas. Se considera que en el precámbrico estas bacterias habitarían en aguas poco profundas y cálidas, y así aumento el oxígeno en la atmósfera, sustituyéndose las anaerobias por las aerobias en un último momento.
– Las pruebas del registro fósil, las pruebas bioquímicas y la geología permiten hacer un bosquejo de la evolución celular del precámbrico. Las formas más primitivas pudieron ser Chlostridium obteniendo la energía de fermentaciones.
– Hace 3000 m.a. aparecieron los primeros organismos fotosintéticos, siendo procariotas anaerobios. El oxígeno sería la causa de muchas extinciones y el arrinconamiento de muchas en lugares pobres en oxígeno. Los fijadores de N fueron desplazados también a esos lugares o desarrollaron células heterocísticas. Hace 1800 m.a. la atmósfera ya era irreversiblemente oxidativa. Hace 1400-1500 m.a. aparecen las células eucariotas siendo aerobias en un principio. En los próximo 400 m.a. aparecieron la mayoría de los organismos pluricelulares.
4.3. Características de los primeros seres vivos
Por estudios de las estructuras moleculares y del ARN ribosómico podemos dilucidar que los organismos proceden de un solo origen o progenote. Se formaron las eubacterias y las arqueobacterias.
Las arqueobacterias son diversas, encontrándose bacterias metanógenas sintetizando metano, las halófilas que viven en medio ricos en sales y las termoacidófilas, que habitan en ambientes calientes.
Las bacterias obtienen su energía de las reacciones de oxidoreducción de sustratos orgánicos o inorgánicos (heterótrofas y autótrofas respectivamente) o bien de las radiaciones pudiendo ser fotolitotrofas (inorgánicas) o fotorganotrofas (orgánicas)
4.4. Organismos termófilos. Posibles seres primigenios
Termófilos son aquellos organismos que pueden vivir en condiciones de tª extrema. Ciertas procariotas fotosintéticas no sobreviven por encima de los 73ºC, por encima de los 350ºC ninguna unión covalente puede resistir.
Para que las membranas de estos seres termófilos resistan a altas temperaturas, su membrana ha de haber sido modificada con respecto al esquema general, ya que su membrana está formada por una capa de lípidos, con cabezas hidrófilas unidas entre sí por enlaces covalentes, con lo cual es casi imposible la separación, le confiere rigidez y estabilidad.
Lo mismo sucede con las proteínas, contienen modificaciones globales, con formación de enlaces débiles e interacciones electrostáticas. Consumen poca energía y la ganancia de estabilidad se traduce en un pérdida de actividad a tª baja.
Loa ácidos nucleicos forman enlaces débiles adicionales entre las dos cadenas de ADN. La presencia de sales metálicas de iones como Ca y Mg permite una estabilización mayor. También existe la producción de bases orgánicas denominadas poliaminas. Las mismas adaptaciones posee el ARN de transferencia.
La explicación de la conversión de mesófilos a termófilos es más fácil que explicar lo contrario, puesto que muchos genes de los mesófilos deberían ser modificados para aguantar tan altas temperaturas. Deberían de haberse producido gran cantidad de mutaciones.
4.5. Teoría celular
Hooke describe una laminilla de corcho estudiada al microscopio a la que llamo cell. Brown descubrió el núcleo de la célula, Purkinje introdujo el concepto de protoplasma, Schleiden y Schwann establecen la teoría celular.
Virchow con su frase “omni cellula est cellula” fue el que la completó, así quedó:
– Todo ser vivo está formado por una o más células
– Toda célula posee la maquinaria necesaria para poder mantener su propia existencia
– Toda célula procede de otra preexistente
Teoría aceptada por todos los científicos, no la cumplía el tejido nervioso hasta que Ramón y Cajal demostró la individualidad de la neurona.
4.6. Organización de los seres vivos
Las unidades se organizan de más simples a más complejas.
Las unidades más pequeñas son partículas subatómicas (protones, electrones, neutrones). Estas partículas subatómicas forman los átomos. La unión de átomos forma compuestos químicos que se unen entre sí para formar complejos de compuestos.
El nivel de vida no se alcanza hasta que se llega al nivel estructural de la célula. Una célula tiene todos los mecanismos necesarios para realizar el metabolismo y para multiplicarse. Un ser vivo puede por tanto existir con una sola célula. Cabe destacar que hay que diferencia entre nivel celular y nivel orgánico. El nivel orgánico estudia las asociaciones de células de los organismos pluricelulares, mientras que el nivel celular es referido a una sola única célula.
En los organismos pluricelulares existen diferentes niveles de organización. Colonia cuando varios individuos unicelulares se unen. Si hay dos o más grupos distintos de células, cada grupo constituye un tejido. Si se reúnen en una o más unidades, órganos. Por último el conjunto de todos los órganos, forman un aparato.
Por encima de estos niveles existen otros como el poblacional o el de ecosistema.
5. BIBLIOGRAFÍA
Alberts y otros. Biología molecular de la célula, Omega, 1986.
Oparín. El origen de la vida, Dover, 1952
Paniagua Gómez-Álvarez. Biologái celular. Mc Graw-Hill interamericana de España S.A. 1999