universidad Autónoma De Campeche.
Facultad De Ciencias Quimico-Biologicas.
Unidad de Aprendizaje: Biología General.
Blog. Origen de la Vida.
Docente: Popoca Cuaya Marco A.
Integrantes:
Ac Poot Luneysi Arleth.
Pech koh Santiago Jesùs.
3-Semestre. Grupo: "A".
1.
LOS PRIMEROS ANTECEDENTES.
Para los primeros recolectores de
frutos, para los cazadores y los agricultores primitivos, era una experoiencoa
comun observar como los animales podian engendrar descendencia semejente a los
progenitores , o como de las semillas surgian nuevas plantas; pero tambien
observaron que la vida parecia surgir constantemente, en forma repentina, a
orillas de rios y lagos, en los restos
de plantas y animales. De estas observaciones surgio la idea de la generacion
espontanea.
1.
LA TEORÍA DE
LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA.
Esta teoría defiende que algunos seres vivos podrían
originarse a partir de materiales inertes, como el barro, el sudor, la carne en
corrupción, etc. Esta hipótesis fue aceptada en el mundo científico durante
siglos. Entre otros, fue sostenida por Aristóteles (384-322 a. C.). Se pensaba
que del barro se generaban las anguilas; de la lluvia, las ranas; de la carne
en putrefacción, los gusanos y las moscas; etc. Incluso se llegaron a proponer
fórmulas para obtener seres vivos. Así, J.
B. Helmont (1577-1644) afirmó que para conseguir ratones bastaba con
envolver granos de trigo en una camisa sucia y sudada y esperar unos 21 días.
A. Leeuwenhoek (1632-1723), el
inventor del microscopio, comunicó que había observado organismos microscópicos
vivos en el agua de lluvia que había recogido en su tejado.
Esto llevó a que algunos científicos admitieran la
posibilidad de que los microorganismos se originasen por generación espontánea.
Redi Francesco. Médico, naturalista, fisiólogo, y literato italiano. Franchesco Redi
demostró que los insectos no nacen por generación espontánea. Realizó estudios
sobre el veneno de las víboras, y escribió "Observaciones en torno a las
víboras". En el siglo XVII, realizó un experimento en el que
puso carne en unos recipientes. Unos se sellaban y los otros no, con lo que
resultaban que en los recipientes sellados no "aparecían" moscas de
la carne y en los abiertos sí. Su experimento de 1668 mostrando la ausencia de
gusanos en un frasco cerrado donde se había dejado carne pudriéndose asestó un
duro golpe a la teoría de la generación espontánea. En sus investigaciones usó
ampliamente la disección y la observación con el microscopio.
En 1745, J. T.
Needham (1713-1781) introdujo tejidos vegetales y animales en frascos
herméticos y los calentó. Varios días después observó la aparición de
microorganismos, lo que le llevó a defender la hipótesis de la generación
espontánea de los microbios.
Años después, en 1769, L. Spallanzani (1729-1799) repitió el experimento y demostró que,
si se impedía la entrada de aire en los frascos calentados, no aparecían
microbios. El argumento en contra era que, debido a la falta de aire, no
aparecían los microbios. Por tanto, la controversia entre defensores y
detractores de la generación espontánea seguía abierta.
Otra posible
solución fue sugerida por Arrhenius en 1908, quien propuso lo que él llamó la
teoría de la panspermia.
La teoría de la panspermia es la hipótesis que afirma
que las semillas de la vida aparecida en la Tierra no surgió aquí, sino en
otros lugares del Universo, y que llego a nuestro planeta utilizando los
meteoritos y los asteroides como forma de desplazarse de un planeta a otro.
Estas ideas tienen su origen en algunas de las consideraciones del filósofo
griego Anaxágoras, pero el término fue acuñado por el biólogo alemán Hermann Ritcher en 1865, usando el
griego pan: todo y spermia: semillas. Panspermia se refiere a que la tierra
estaría llena de semillas de todo tipo, esperando las condiciones necesarias
para germinar. Fue en 1908 cuando el químico sueco Svante August Arrhenius usó la palabra panspermia para explicar el
comienzo de la vida en la Tierra.
De
acuerdo con ello, la vida habría surgido en la Tierra a partir de una espora o
una bacteria que llegó del espacio exterior, y que a su vez se habría
desprendido de un planeta en el que hubiese vida. A la teoría de la panspermia,
sin embargo, era fácil oponer dos argumentos: por una parte, las condiciones
del medio interestelar son poco favorables para la supervivencia de cualquier
forma de vida, incluyendo las esporas y, por otro lado, Arrhenius no
solucionaba el problema del origen de la vida ya que no explicaba cómo se
podría haber originado en ese otro planeta hipotético del cual se habría
desprendido la espora o la bacteria.
En la actualidad, la teoría de panspermia
tiene tres variantes a saber:
·
Panspermia Planetaria: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó en otro cuerpo del sistema solar, como
Marte, y llego a nuestro planeta en el interior de un meteorito.
·
Panspermia Estelar: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó más allá del sistema solar, en las
nebulosas o en otros sistemas planetarios y llego a nuestro planeta en el
interior de cometas procedentes de esos distantes lugares del Universo.
·
Panspermia Dirigida: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó a causa de microorganismos enviados
deliberadamente en el interior de cápsulas espaciales por civilizaciones
extraterrestres con el objetivo de sembrar la vida por el Universo.
3.2 Darwin, Engels y el Evolucionismo.
A
partir de la segunda mitad del siglo XIX, el pensamiento científico había
sufrido una transformación revolucionaria con la aparición de la obra de Charles Darwin, el origen de las especies.
Si bien es cierto que muchos autores anteriores a Darwin se habían preocupado
por el problema de la evolución de
las especies, él fue el primero en proponer que las especies no son
invariables, sino que, basado en su teoría de la selección natural,
postulaba que cambiaban constantemente.
Ciertamente,
aquí están plasmadas las ideas de Darwin acerca del origen de la vida; pero ni
las hizo públicas, ni tampoco el desarrollo de
la ciencia en
sus días, en especial el de la química orgánica,
había alcanzado un nivel que permitiese la comprobación experimental de esta
posibilidad.
Federico Engels, por su parte, preparando su
obra Dialéctica de la naturaleza, se preocupó también por el origen de la vida.
Engels
señaló claramente que la vida en la Tierra no era el resultado de la
intervención divina ni un accidente de la materia, sino que representaba un paso
más en los procesos de
evolución de la naturaleza, dentro de los cuales la materia puede alcanzar
niveles de complejidad creciente, yendo de lo inorgánico a lo orgánico y de lo
orgánico a lo biológico.
3.3 La Teoría
de Oparin-Haldane.
La idea de Oparin y Haldane se basaba en que la
atmósfera primitiva era muy diferente de la actual; entre otras cosas, la
energía abundaba en el joven planeta. Propusieron entonces que la aparición de
la vida fue precedida por un largo período de lo que denominaron
"evolución química". Oparin experimentó sus hipótesis utilizando un
modelo al que llamó "coacervados".
Los coacervados son
sistemas coloidales constituidos por macromoléculas diversas que se habrían
formado en ciertas condiciones en medio acuoso y habrían ido evolucionando
hasta dar lugar a células con verdaderas membranas y otras características de
los organismos vivos. Según Oparin, los seres vivos habrían modificado la
atmósfera primitiva y esto es lo que habría impedido, a su vez, la posterior
formación de nueva vida a partir de sustancias inorgánicas. Como expresara
Oparin: "Así, por paradójico que ello pueda parecer, debemos admitir que
la causa principal de la imposibilidad de la aparición de la vida en las
condiciones naturales actuales reside en el hecho de que ya existe".
De
acuerdo con esta teoría, en la Tierra primitiva existieron determinadas
condiciones de temperatura, así como radiaciones del Sol que afectaron las
sustancias que existían entonces en los mares primitivos. Dichas sustancias se
combinaron dé tal manera que dieron origen a los seres vivos. La atmósfera
primitiva carecía de oxígeno libre, pero había sustancias como el hidrógeno,
metano y amoniaco.
Condiciones
que permitieron la vida
La
atmósfera primitiva contenía vapor de agua (H2O), metano (CH4), amoniaco (NH3),
ácido cianhídrico (HCN) y otros compuestos, los cuales estaban sometidos al
calor desprendido de los volcanes y a la radiación ultravioleta proveniente del
Sol. Otra característica de esta atmósfera es que carecía de oxigeno libre
necesario para la respiración.
Como en ese tiempo tampoco existía la capa formada por ozono, que se encuentra
en las partes superiores de la atmósfera y que sirven para filtrar el paso de
las radiaciones ultravioletas del Sol, estas podían llegar en forma directa a
la superficie de la Tierra.
Los
elementos que se encontraban en la atmósfera y los mares primitivos se
combinaron para formar compuestos, como carbohidratos, proteínas y
aminoácidos. Conforme se iban formando estas sustancias, se fueron acumulando
en los mares, y al unirse constituyeron sistemas microscópicos esferoides
delimitados por una membrana, que en su interior tenían agua y sustancias
disueltas.
Oparin demostró, que en el interior
de un coacervado ocurren reacciones químicas que dan lugar a la formación de
sistemas y que cada vez adquieren mayor complejidad. Las propiedades y
características de los coacervados hacen suponer que los primeros sistemas pre
celulares se les parecían mucho.
Los
sistemas pre celulares similares a los coacervados sostienen un intercambio de
materia y energía en el medio que los rodea. Este tipo de funciones también las
realizan las células actuales a través de las membranas celulares.
Esos
sistemas o macromoléculas, a los que Oparin llamo PROTOBIONTES, estaban expuestos a las condiciones a veces adversas
del medio, por lo que no todos permanecieron en la Tierra primitiva, pues las
diferencias existentes entre cada sistema permitían que solo los más
resistentes subsistieran, mientras aquellos que no lo lograban se disolvían en
el mar primitivo, el cual ha sido también llamado SOPA PRIMITIVA.
Después, cuando los protobiontes evolucionaron, dieron lugar a lo que
Oparin llamo EUBIONTES, que ya eran
células y, por lo tanto, tenían vida. Según la teoría de Oparin – Haldane, así
surgieron los primeros seres vivos.
1. LA EVOLUCIÓN QUÍMICA DEL UNIVERSO.
4.1 El Origen de los Elementos Químicos.
La teoría más aceptada, hoy en día, para explicar el
origen del Universo es la del "Big Bang" o la Gran Explosión.
Ésta postula que hace
diez mil o veinte mil millones de años, toda la materia y energía presente,
incluyendo el espacio que ellas llenan, se concentró en un volumen muy pequeño
y por tanto de una densidad e inestabilidad muy grande. Al ocurrir la inmensa
explosión, todo comenzó a expandirse en un proceso que aún no ha cesado.
En el universo
primitivo se formó hidrogeno y helio, a partir de las partículas elementales
que existían o se formaban como producto de la explosión primigenia.
Se dice que el 95 % de
la matrería viviente está constituida por hidrogeno, carbón, nitrógeno y oxígeno.
De todos ellos, el hidrogeno es el más abundante, cabe señalar que cuando surgió
la estructura del universo, únicamente existían cantidades pequeñas de deuterio
de helio y litio, de manera que el resto de la materia era hidrógeno.
Sin embargo, el resto
de los elementos no podían conformarse en tales condiciones, pues sus núcleos
atómicos se disociarían a altas energías. A medida que ocurría la expansión del
universo, las temperaturas fueron disminuyendo y con el tiempo, las estrellas
se convirtieron en las fábricas naturales de los elementos.
Las supernovas y la Síntesis de Elementos Pesados.
¿Cómo
se forman los elementos más pesados?
Los elementos más pesados se forman por captura de
neutrones. En el interior de las estrellas muy evolucionadas se dan las
condiciones físicas para que ocurran estas capturas. Los neutrones han sido
producidos en muchas de las reacciones nucleares que han tenido lugar en la
estrella y ahora pueden interaccionar con el hierro y con otros núcleos. Como
los neutrones no tienen carga no encuentran ninguna barrera repulsiva para
combinarse con núcleos cargados positivamente. Añadiendo neutrones a un núcleo
el elemento no cambia, se forma un isótopo más masivo, eventualmente este
isótopo se hace inestable y decae radiactivamente para formar un núcleo estable
de otro elemento.
En la explosión de supernova, durante los primeros
15 minutos, el número de neutrones libres aumenta drásticamente, al romperse
núcleos pesados por la violencia de la explosión. El flujo de neutrones es tan
grande, durante la supernova, que los núcleos inestables pueden capturar muchos
neutrones antes de poder desintegrarse. Así los procesos r son
los responsables de la creación de los elementos más pesados conocidos. Como el
tiempo necesario para sintetizar estos núcleos tan pesados es muy breve, nunca
serán muy abundantes. Los elementos más pesados que el hierro son mil millones
de veces menos abundantes que el hidrógeno y el helio.
Según otro punto de vista, en
cambio, las moléculas orgánicas complejas, en lugar de ser el resultado de
uniones a partir de moléculas más simples, serían la materia bioquímica
producida por microorganismos vivos en las nubes interestelares.
Las Moléculas
Interestelares.
En los años 1930 los
astrofísicos descubrieron que las nubes de gas y polvo interestelares están
pobladas no sólo por átomos de elementos simples, sino también por moléculas. A
partir de los años 1960, observaciones tanto ópticas como radioastronómicas
permitieron la localización de moléculas interestelares complejas, tanto
inorgánicas como orgánicas: agua amoniaco, formaldehidos, alcohol etílico.
Las especies moleculares
diferentes determinadas hasta ahora son más de cincuenta se encuentran
concentradas en algunas nubes que rodean estrellas en formación, como la famosa
nebulosa de Orión. Su presencia indica una química interestelar relativamente
compleja, de la cual hasta hace algunos decenios no se sospechaba su
existencia.
Parece que los
granos de polvo interestelar de apenas unas décimas de micra ofrecen a los
átomos la posibilidad de unirse para dar vida a las moléculas complejas y, al
mismo tiempo, constituyen una especie de escudo protector contra las
radiaciones de todo tipo que, de lo contrario, romperían las cadenas
moleculares recién formadas.
El Origen del Sistema Solar.
El
Sol es una estrella que comenzó a formarse hace aproximadamente cuatro mil
millones y medio de años como consecuencia del
colapso de una nube molecular gigante constituida en su mayor parte por
hidrógeno y helio. Las nubes moleculares están compuestas de gases, polvo y
otros materiales, pero las gigantes tienen una altísima concentración de gas.
Son frías y muy densas, y si alguna llega a ser tan masiva que la presión del
gas es insuficiente para soportarlo, se produce un colapso gravitatorio, es
decir, la caída hacia adentro del cuerpo por efecto de la gravedad. El gas y el
polvo se vuelven más calientes, lo que puede dar lugar a una estrella.
La
materia prima para formar nuestro sistema solar fue: el gas principalmente
hidrógeno y helio y polvo, integrado por todos los demás elementos que hoy
conocemos. A la mezcla de gas y polvo que dio origen a nuestro Sistema Solar
Planetario se le conoce como nebulosa
solar la que podemos considerar globalmente como una zona del
espacio interestelar con mayor cantidad de materia que sus alrededores.
Seguramente las primeras etapas de formación del Sistema Solar fueron inducidas
al presentar ésta alguna zona de mayor concentración de materia en comparación
con el resto de la nebulosa. Esto generó una fuerza de gravedad mayor en la
región, lo que originó una atracción acrecentada de materia de sus alrededores
cercanos.
Este
proceso continuó en el tiempo, lo cual condujo a la formación de un núcleo de
materia cada vez con más masa que llamaremos protosol (con el paso del tiempo daría origen a nuestro
Sol).
De
hecho, el resultado más frecuente es que se formen dos, tres o más núcleos,
originando varios protosoles unidos gravitacionalmente que dan lugar a los
llamados sistemas dobles, triples o, en general, múltiples que, eventualmente,
llegarán a ser sistemas con dos o más soles (o estrellas) unidos
gravitacionalmente. Así, se sabe que el 80% de todas las estrellas en nuestra
galaxia son sistemas de estrellas dobles y múltiples.
Así, el protosol fue capturando casi la totalidad de la materia de la
nebulosa solar inicial (aproximadamente el 99.86% de su masa), y la materia
residual (tan poco como el 0.14% de la masa de la nebulosa) se acomodó a su
alrededor constituyendo un disco plano de materia dispersa que por su velocidad
de giro ya no podía caer hacia el protosol y quedó, simplemente, en órbita en
torno a él, de la misma manera como la Luna está en órbita alrededor de la
Tierra o la Tierra está en órbita alrededor del Sol. A este disco de materia
dispersa que giraba en un plano en torno al protosol se le llama disco
protoplanetario, porque a partir de él se formaron, más tarde, todos los
planetas y cuerpos menores que acompañan al Sol
Tal como ocurrió con los otros nueve planetas del Sistema
Solar, la Tierra se formó a partir de porciones de gases y polvo que quedaron
atrapadas alrededor del Sol. A medida que la materia se enfriaba, la Tierra
adoptó su forma con el paso de millones de años. Los materiales más pesados se
unieron formando un núcleo denso, la corteza y la atmosfera primitiva.
Las erupciones volcánicas derramaban lava
incrementando el grosor de la corteza terrestre, el vapor de los volcanes se
condensaba y caía en forma de lluvia. Con el enfriamiento de la tierra, se condensó
tal cantidad de agua que se formaron los océanos.
Características de la Tierra Primitiva.
La Tierra luego de su formación, era una gran masa de roca fundida que
registraba altas temperaturas y era bombardeada por meteoritos que
aportaban más calor y creaban cráteres. Los metales pesados como níquel o
hierro se depositaron en el núcleo, mientras que elementos livianos como
aluminio, silicio y magnesio pasaron a formar parte de la superficie.
La atmosfera en esta etapa era hostil, formada por
ácidos y gases nocivos. Los continentes en formación registraban una elevada
actividad volcánica. En su origen no
existían los océanos, pues las elevadas temperaturas evaporaban el agua.
Fue con el enfriamiento de la Tierra que fue posible su formación.
Las lluvias acidas y las
tormentas eléctricas eran muy comunes, mismas que, como veremos a continuación,
contribuyeron a la formación de la vida.
La temperatura de la tierra primitiva rondaba los 1500
°C y la presión atmosférica era la mitad de la actual.
Es en la Tierra primitiva
donde se dio origen a la vida. Hace algunos años se creía que la vida surgía
por generación espontánea a partir de elementos no vivos.
5.1 El
Experimento de Miller-Urey.
En los años 50, los bioquímicos Stanley
Miller y Harold Urey llevaron a cabo un experimento que mostraba que varios
componentes orgánicos se podían formar de forma espontánea si se simulaban las
condiciones de la atmósfera temprana de la Tierra.
Diseñaron un tubo que
contenía la mayoría de los gases, similares a los existentes en la atmósfera
temprana de la Tierra, y una piscina de agua que imitaba al océano temprano.
Los electrodos descargaron una corriente eléctrica dentro de la cámara llena de
gas, simulando a un rayo. Dejaron que el experimento se sucediera durante una
semana entera, y luego analizaron los contenidos en la piscina líquida. Se
dieron cuenta de que varios aminoácidos orgánicos se habían formado de manera
espontánea a partir de estos materiales inorgánicos simples. Estas moléculas se
unieron en la piscina de agua y formaron coacervados.
Este experimento,
junto a una considerable evidencia geológica, biológica y química, ayuda a sustentar
la teoría de que la primera forma
de vida se formó de manera espontánea mediante
reacciones químicas. Sin embargo, todavía hay muchos científicos que no están
convencidos. El astrofísico británico Fred
Hoyle, compara la supuesta posibilidad de que la vida apareció sobre la
Tierra como resultante de reacciones químicas con el "equivalente de que
un tornado que pasa por un cementerio de autos logre construir a un Boeing 747
a partir de los materiales recopilados allí".
¿En qué consistió?
Para el año 1952, Stanley
Miller y Harold Urey diseñaron un protocolo experimental para simular un
ambiente primitivo en un ingenioso sistema de tubos de vidrio y electrodos
construido por ellos mismos. El sistema estaba formado de un matraz con agua,
análogo al océano primitivo. Conectado a ese matraz había otro con los
componentes del supuesto ambiente prebiótico.
Miller y Urey usaron las
siguientes proporciones para recrearlo: 200 mmHg de metano (CH4),
100 mmHg de hidrógeno (H2), 200 mmHg de amoníaco (NH3) y
200 ml de agua (H2O).
El sistema también contaba
con un condensador, cuya labor era enfriar los gases como normalmente lo haría
la lluvia. Igualmente, integraron dos electrodos capaces de producir altos
voltajes, con el objetivo de crear moléculas altamente reactivas que
propiciaran la formación de moléculas complejas.
Estas chispas buscaban
simular los posibles rayos y relámpagos del ambiente prebiótico. El aparato
terminaba en una parte en forma de “U” que evitaba que el vapor viajara en
sentido inverso.
El experimento recibió
descargas eléctricas por una semana, al mismo tiempo que el agua se calentaba.
El proceso de calentamiento simulaba la energía solar.
Resultados
Los primeros días la mezcla
del experimento era totalmente limpia. Con el transcurso de los días, la mezcla
empezó a tomar un color rojizo. Al finalizar la experiencia este líquido tomó
un color rojo intenso casi marrón y su viscosidad aumentó notablemente.
El experimento consiguió su
objetivo principal y se generaron moléculas orgánicas complejas a partir de los
componentes hipotéticos de la atmósfera primitiva (metano, amoníaco, hidrógeno
y vapor de agua).
Los investigadores lograron
identificar trazas de aminoácidos, como glicina, alanina, ácido aspártico y
ácido amino-n-butírico, los cuales son los componentes principales de las
proteínas.
El éxito de este experimento
contribuyó a que otros investigadores siguieran explorando el origen de las
moléculas orgánicas. Añadiendo modificaciones al protocolo de Miller y Urey, se
lograron recrear los veinte aminoácidos conocidos.
De
igual manera se dice que es paralelamente a la formación abiótica de los
polímeros que ocurría en las arcillas y los de los charcos situados en las
orillas de los mares primitivos, se daba un proceso de gran importancia
cualitativa: formación de pequeños sistemas constituidos por gotitas de agua de
tamaño microscópico en las que se encontraban disueltas grandes cantidades de
estos mismos polímeros y de muchas sustancias orgánicas.
A
partir de los cuales pudieron surgir los primeros sistemas vivos a través de
millones de años. Estos sistemas se pueden estudiar con base modelos
desarrollados en el laboratorio, tales como los coacervados, las microesférulas
proteicas y los sulfitos.
También se
pudieron generar nucleótidos, que son los bloques fundamentales del material
genético: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico).
5.2 Las
Reacciones de Condensación.
Una reacción de condensación, es aquella en la
que dos moléculas, o una si tiene lugar la reacción de forma intermolecular,
se combinan para dar un único producto acompañado de la formación de una
molécula de agua (en general una molécula pequeña). Las reacciones de
condensación siguen un mecanismo de adición-eliminación Es una reacción orgánica en la que dos moléculas se combinan para dar un único producto acompañado
de la formación de una molécula de agua H2O.
1. LOS SISTEMAS PRECELULARES.
6.1
La Formación de Sistemas Polimoleculares.
6.2 Los Coacervados.
Los coacervados son
grupos organizados de proteínas, carbohidratos y otros materiales en una
solución. El termino coacervado proviene del latín coacervare y
significa “racimo”. Estas agrupaciones moleculares poseen algunas propiedades
propias de las células; por esto, el científico ruso Aleksander Oparin sugirió que los coacervados dieron origen a
estas.
Oparin propuso
que en los mares primitivos probablemente existieron las condiciones apropiadas
para la formación de estas estructuras, a partir de la agrupación de moléculas
orgánicas sueltas. Es decir, básicamente los coacervados son considerados un
modelo pre celular.
Estos coacervados
tendrían la capacidad de absorber otras moléculas, crecer y desarrollar
estructuras interiores más complejas, similares a las células. Posteriormente,
el experimento de los científicos Miller y Urey permitió recrear las
condiciones de la Tierra primitiva y la formación de los coacervados.
Características.
·
Se
generan por agrupación de distintas moléculas (enjambre molecular).
·
Son
sistemas macromoleculares organizados.
·
Tienen
la capacidad de auto-separarse de la solución donde se encuentran, formando así
gotas aisladas.
·
Pueden
absorber compuestos orgánicos en su interior.
·
Pueden
aumentar su peso y su volumen.
·
Son
capaces de incrementar su complejidad interna.
·
Poseen
una capa aislante y pueden auto-conservarse.
El trabajo de los coacervados
de Oparin confirmó que las enzimas, esenciales para las reacciones bioquímicas
del metabolismo, funcionaban más cuando estaban contenidas dentro de las
esferas unidas a la membrana que cuando estaban libres en soluciones acuosas.
Haldane, que no estaba familiarizado
con los coacervados de Oparin, creía que las moléculas orgánicas simples se
formaban primero y que, en presencia de luz ultravioleta, se volvían cada vez
más complejas, dando lugar a las primeras células.
Las ideas de Haldane y Oparin formaron la base de
gran parte de la investigación sobre la abiogénesis, el origen de la vida a
partir de sustancias carentes de vida, que tuvo lugar en las últimas décadas.
Teoría de los coacervados.
La teoría de los coacervados
es una teoría expresada por bioquímico Aleksander
Oparin y que sugiere que el origen de la vida estuvo precedido por la
formación de unidades coloidales mixtas llamadas coacervados.
Los coacervados se forman
cuando se agregan varias combinaciones de proteínas y carbohidratos al agua.
Las proteínas forman una capa límite de agua a su alrededor que está claramente
separada del agua en la que están suspendidas.
Estos coacervados fueron
estudiados por Oparin, quien descubrió que, bajo ciertas condiciones, los
coacervados pueden estabilizarse en agua durante semanas si se les administra
un metabolismo, o un sistema para producir energía.
Enzimas
y glucosa
Para lograr esto, Oparin
agregó enzimas y glucosa (azúcar) al agua. El coacervado absorbió las enzimas y
la glucosa, luego las enzimas hicieron que el coacervado combinara la glucosa
con otros carbohidratos en el coacervado.
Esto causó que el coacervado
aumentara de tamaño. Los productos de desecho de la reacción de la glucosa
fueron expulsados del coacervado.
Una vez que el coacervado se
hizo lo suficientemente grande, comenzó a romperse espontáneamente en
coacervados más pequeños. Si las estructuras derivadas del coacervado
recibieran las enzimas o fuesen capaces de crear sus propias enzimas, podrían
continuar creciendo y desarrollándose.
Posteriormente, el trabajo
subsecuente de los bioquímicos estadounidenses Stanley Miller y Harold Urey
demostró que tales materiales orgánicos se pueden formar a partir de sustancias
inorgánicas bajo condiciones que simulaban de la Tierra primitiva.
Con su importante
experimento lograron demostrar la síntesis de aminoácidos (los elementos
fundamentales de las proteínas), pasando una chispa a través de una mezcla de
gases simples en un sistema cerrado.
Las
Microesférulas Proteicas.
Sindey W. Fox,
desde el principio mostro interés por los experimentos de Miller, pero este en
cambio, se centró en el comportamiento de aminoácidos ante situaciones que
podrían considerarse calientes.
Por lo que él ha llamado
microesférulas proteicas, son pequeñas gotitas que se forman en soluciones
concentradas de proteinoides, y cuyas dimensiones son comparables a las de una célula
típica.
Estas pequeñas esferas, que suelen
ser muy resistentes, se formal fácilmente a partir de aminoácidos que se polimerizan
por acción del calor. Estas presentan gran similitud morfológica y aun dinámica
con las células; frecuentemente se pueden unir en largas cadenas semejantes a
las que forman algunas bacterias
Al absorber selectivamente
proteinoides disueltos en un medio acuoso, pueden aumentar de tamaño y formar
yemas, semejantes a las que se observan en las levaduras, que se separan y
forman unidades aliadas.
Sus membranas pueden estar
formadas por una sola capa, aunque al aumentar el PH del medio externo suele
formar una capa doble.
Así mismo pueden acelerar
reacciones químicas cuando se forman a partir de proteinoides que poseen
actividad catalítica, ya las que se forman a partir de proteinoides con zinc en
una solución que contenga ATP.
Presentan fenómenos osmóticos:
disminuyen su tamaño en soluciones hipertónicas y se hinchan en soluciones
hipotónicas. Poseen una membrana semipermeable.
Sulfobios y Colpoides.
A principios de la
década que se inició en 1930, un científico mexicano, don Alfonso L. Herrera,
preocupado también por el problema del origen de la vida, empezó a experimentar
con una serie de estructuras minúsculas, con apariencia de microorganismos, que
formaba a partir de la mezcla de diferentes proporciones de sustancias tales
como aceite, gasolina y diversas resinas. De esta forma, logró obtener una gran
variedad de estructuras, algunas de las cuales, enviadas a diferentes
microbiólogos, fueron identificadas como diversas especies de microorganismos.
Herrera, un materialista convencido para quien el origen de la vida era una
cuestión que podían resolver los científicos, estructuró 10que él llamó la
teoría de la plasmogenia, con la cual pretendía explicar la aparición de los
primeros organismos.
A pesar de que los
experimentos de Herrera no lograron la reproducción de los sulfobios ni
proporcionaban criterios en torno al origen de las enzimas y el metabolismo,
estas cuestiones estaban aún tan poco definidas en su tiempo, que difícilmente
hubiera podido ni siquiera planteadas. Por otra parte, aun cuando es poco
probable que los sulfobios y los colpoides, otros modelos pre celulares
sugeridos por Herrera, representen efectivamente estructuras que hayan
antecedido a las primeras células, ciertamente son un ejemplo de un nivel de
organización de la materia a partir de grados más sencillos, y en este sentido
son de interés histórico. Así, las contribuciones de Herrera adquieren
importancia filosófica y metodológica, al atacar el problema del origen de la
vida desde un punto de vista estrictamente materialista y también por haber
sido el primer investigador contemporáneo que utilizó sustancias que no eran de
origen biológico y cuya importancia pre biológica no ha sido comprendida sino
hasta muy recientemente.
La teoría de la Plasmogenia.
La
Plasmogenia es una teoría para explicar el origen de la vida propuesta por Alfonso L. Herrera. Esta palabra se
compone de dos voces griegas: plasma, forma modelada o protoplasma, y genea,
generación.
De
acuerdo con el ilustre científico mexicano la Plasmogenia es una ciencia
experimental que tiene por objeto estudiar el origen del protoplasma, así como
la Cosmogonía, por ejemplo, investiga el origen del Universo, y la Patogenia,
el origen de las enfermedades.
Y
continúa explicando: “En realidad, todo vive, la Naturaleza es única; todo se
mueve, exterior o interiormente, a partir de una sustancia o plasma primitivo.
El
espacio está lleno de una especie de niebla eléctrica que se había llamado
éter, y como la Plasmogenia todo lo considera en sus meditaciones y pruebas,
podemos generalizar la definición anterior diciendo que la Plasmogenia es la
ciencia del protoplasma universal y su origen.”
Herrera
realizó diversos modelos para su teoría, como los sulfobios a partir de
tiocianato de amonio y formaldehído; o los colpoides con aceite de oliva,
gasolina, hidróxido de sodio y hematoxilina.
El Origen de
las Membranas.
Uno de los principales eventos en el
origen de las células fue el desarrollo de una
envuelta que aislara un medio interno y otro externo. Esto tiene muchas
ventajas:
a)
Permite tener todos los componentes necesarios próximos para las reacciones
metabólicas y se hace más eficiente el
proceso de replicación.
b)
Se evita que variantes ventajosas de
moléculas orgánicas sean aprovechadas por grupos competidores, es decir,
egoísmo evolutivo.
c)
Se gana una cierta independencia respecto a las alteraciones del medio externo
favoreciendo la homeostasis interna.
Las
membranas lipídicas se producen fácilmente de forma espontánea a partir de
ácidos grasos anfipáticos, es decir, moléculas que tienen una parte cargada
eléctricamente y otra que es hidrófoba.
Los
lípidos iniciales es probable que no fueran similares a los actuales, puesto
que los actuales se sintetizan por un proceso metabólico complejo. Cualquiera
que fueran los primeros lípidos, estas moléculas se organizaron en las
soluciones acuosas formando películas finas similares a las membranas actuales.
Las
dos cadenas de ácidos grados que tienen los lípidos de membrana actuales, y que
probablemente tendrían aquellos que formaron las primeras membranas, permiten
que se auto ensamblen en capas cuando están a una concentración de micro molar.
Si tuvieran una sola cadena tendrían que estar en rangos de mili molar para
formar membranas. Una longitud de cadena entre 14 y 10 carbonos en el ácido
graso es la idónea para una mayor estabilidad. Adaptar la fluidez a una
temperatura actual lo facilita los dobles enlaces y la presencia de colesterol.
Los
tipos de lípidos y condiciones en los que se organizaron para formar las
primeras membranas se desconocen, pero las membranas de los todos organismos
vivos poseen los lípidos anfipáticas: glicerofosfolípidos y esfingolípidos.
Hay dos posibilidades para a la asociación entre
moléculas como nucleótidos y aminoácidos y las membranas.
a) Podemos especular que estas membranas iniciales
formaron pequeñas bolsas o vesículas que englobaron poblaciones de
moléculas. En otro momento, debido al crecimiento de su contenido interno,
estas bolsas debieron adquirir la capacidad de estrangularse y dar dos unidades
hijas con características semejantes a la parental.
Las poblaciones de moléculas que englobaban deberían
tener la capacidad incrementar su número. Este incremento se produciría por
reacciones moleculares internas gracias a que las membranas serían permeables a
moléculas pequeñas, pero no a los polímeros, creados internamente, a los cuales
no les sería fácil escapar.
b) Otra posibilidad es que hubo una asociación
inicial de moléculas orgánicas simples con membranas de lípidos. Se ha
comprobado que Las membranas favorecen la concentración y la producción de
reacciones entre las moléculas que se asocian a ellas. Además, las reacciones
químicas en 2D son más eficientes que en solución o 3D. Este sistema de
polímeros (oligopéptidos y oligonucleótidos) y membranas fue ganando en
complejidad y dependencia hasta que algunos polímeros atravesaron la propia
membrana y quedaron en su interior.
El proceso de crecimiento y estrangulamiento de las
vesículas con los polímeros sucedería de forma controlada posteriormente. Si
esto fue así, cambiaría el orden de los acontecimientos puesto que las
membranas serían los verdaderos protagonistas para la formación de las primeras
proto células.
La posibilidad de que las membranas pudieran ser en
realidad el elemento que disparara la atracción de moléculas y la reacción
entre ellas para formar estructuras moleculares más complejos abre
posibilidades sorprendentes. Los lípidos son más fáciles de sintetizar y son
más estables que otras moléculas por lo que pudieron estar presentes desde el
principio. Curiosamente, las membranas son mucho más estables en aguas dulces
que en aguas saladas, por lo que surge la posibilidad de que, en estos
supuestos, de que las primeras células aparecieran en aguas dulces, en vez
de en el mar.
1.
LOS PRIMEROS ANTECEDENTES.
Para los primeros recolectores de
frutos, para los cazadores y los agricultores primitivos, era una experoiencoa
comun observar como los animales podian engendrar descendencia semejente a los
progenitores , o como de las semillas surgian nuevas plantas; pero tambien
observaron que la vida parecia surgir constantemente, en forma repentina, a
orillas de rios y lagos, en los restos
de plantas y animales. De estas observaciones surgio la idea de la generacion
espontanea.
Esta teoría defiende que algunos seres vivos podrían
originarse a partir de materiales inertes, como el barro, el sudor, la carne en
corrupción, etc. Esta hipótesis fue aceptada en el mundo científico durante
siglos. Entre otros, fue sostenida por Aristóteles (384-322 a. C.). Se pensaba
que del barro se generaban las anguilas; de la lluvia, las ranas; de la carne
en putrefacción, los gusanos y las moscas; etc. Incluso se llegaron a proponer
fórmulas para obtener seres vivos. Así, J.
B. Helmont (1577-1644) afirmó que para conseguir ratones bastaba con
envolver granos de trigo en una camisa sucia y sudada y esperar unos 21 días.
1.
LA TEORÍA DE
LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA.
Esta teoría defiende que algunos seres vivos podrían
originarse a partir de materiales inertes, como el barro, el sudor, la carne en
corrupción, etc. Esta hipótesis fue aceptada en el mundo científico durante
siglos. Entre otros, fue sostenida por Aristóteles (384-322 a. C.). Se pensaba
que del barro se generaban las anguilas; de la lluvia, las ranas; de la carne
en putrefacción, los gusanos y las moscas; etc. Incluso se llegaron a proponer
fórmulas para obtener seres vivos. Así, J.
B. Helmont (1577-1644) afirmó que para conseguir ratones bastaba con
envolver granos de trigo en una camisa sucia y sudada y esperar unos 21 días.
A. Leeuwenhoek (1632-1723), el
inventor del microscopio, comunicó que había observado organismos microscópicos
vivos en el agua de lluvia que había recogido en su tejado.
Esto llevó a que algunos científicos admitieran la
posibilidad de que los microorganismos se originasen por generación espontánea.
Redi Francesco. Médico, naturalista, fisiólogo, y literato italiano. Franchesco Redi
demostró que los insectos no nacen por generación espontánea. Realizó estudios
sobre el veneno de las víboras, y escribió "Observaciones en torno a las
víboras". En el siglo XVII, realizó un experimento en el que
puso carne en unos recipientes. Unos se sellaban y los otros no, con lo que
resultaban que en los recipientes sellados no "aparecían" moscas de
la carne y en los abiertos sí. Su experimento de 1668 mostrando la ausencia de
gusanos en un frasco cerrado donde se había dejado carne pudriéndose asestó un
duro golpe a la teoría de la generación espontánea. En sus investigaciones usó
ampliamente la disección y la observación con el microscopio.
En 1745, J. T.
Needham (1713-1781) introdujo tejidos vegetales y animales en frascos
herméticos y los calentó. Varios días después observó la aparición de
microorganismos, lo que le llevó a defender la hipótesis de la generación
espontánea de los microbios.
Años después, en 1769, L. Spallanzani (1729-1799) repitió el experimento y demostró que,
si se impedía la entrada de aire en los frascos calentados, no aparecían
microbios. El argumento en contra era que, debido a la falta de aire, no
aparecían los microbios. Por tanto, la controversia entre defensores y
detractores de la generación espontánea seguía abierta.
La teoría de la panspermia es la hipótesis que afirma
que las semillas de la vida aparecida en la Tierra no surgió aquí, sino en
otros lugares del Universo, y que llego a nuestro planeta utilizando los
meteoritos y los asteroides como forma de desplazarse de un planeta a otro.
Estas ideas tienen su origen en algunas de las consideraciones del filósofo griego Anaxágoras, pero el término fue acuñado por el biólogo alemán Hermann Ritcher en 1865, usando el griego pan: todo y spermia: semillas. Panspermia se refiere a que la tierra estaría llena de semillas de todo tipo, esperando las condiciones necesarias para germinar. Fue en 1908 cuando el químico sueco Svante August Arrhenius usó la palabra panspermia para explicar el comienzo de la vida en la Tierra.
Estas ideas tienen su origen en algunas de las consideraciones del filósofo griego Anaxágoras, pero el término fue acuñado por el biólogo alemán Hermann Ritcher en 1865, usando el griego pan: todo y spermia: semillas. Panspermia se refiere a que la tierra estaría llena de semillas de todo tipo, esperando las condiciones necesarias para germinar. Fue en 1908 cuando el químico sueco Svante August Arrhenius usó la palabra panspermia para explicar el comienzo de la vida en la Tierra.
De
acuerdo con ello, la vida habría surgido en la Tierra a partir de una espora o
una bacteria que llegó del espacio exterior, y que a su vez se habría
desprendido de un planeta en el que hubiese vida. A la teoría de la panspermia,
sin embargo, era fácil oponer dos argumentos: por una parte, las condiciones
del medio interestelar son poco favorables para la supervivencia de cualquier
forma de vida, incluyendo las esporas y, por otro lado, Arrhenius no
solucionaba el problema del origen de la vida ya que no explicaba cómo se
podría haber originado en ese otro planeta hipotético del cual se habría
desprendido la espora o la bacteria.
En la actualidad, la teoría de panspermia
tiene tres variantes a saber:
·
Panspermia Planetaria: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó en otro cuerpo del sistema solar, como
Marte, y llego a nuestro planeta en el interior de un meteorito.
·
Panspermia Estelar: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó más allá del sistema solar, en las
nebulosas o en otros sistemas planetarios y llego a nuestro planeta en el
interior de cometas procedentes de esos distantes lugares del Universo.
·
Panspermia Dirigida: Teoría que sugiere
que la vida en la Tierra se originó a causa de microorganismos enviados
deliberadamente en el interior de cápsulas espaciales por civilizaciones
extraterrestres con el objetivo de sembrar la vida por el Universo.
3.2 Darwin, Engels y el Evolucionismo.
A
partir de la segunda mitad del siglo XIX, el pensamiento científico había
sufrido una transformación revolucionaria con la aparición de la obra de Charles Darwin, el origen de las especies.
Si bien es cierto que muchos autores anteriores a Darwin se habían preocupado
por el problema de la evolución de
las especies, él fue el primero en proponer que las especies no son
invariables, sino que, basado en su teoría de la selección natural,
postulaba que cambiaban constantemente.
Ciertamente,
aquí están plasmadas las ideas de Darwin acerca del origen de la vida; pero ni
las hizo públicas, ni tampoco el desarrollo de
la ciencia en
sus días, en especial el de la química orgánica,
había alcanzado un nivel que permitiese la comprobación experimental de esta
posibilidad.
Federico Engels, por su parte, preparando su
obra Dialéctica de la naturaleza, se preocupó también por el origen de la vida.
Engels
señaló claramente que la vida en la Tierra no era el resultado de la
intervención divina ni un accidente de la materia, sino que representaba un paso
más en los procesos de
evolución de la naturaleza, dentro de los cuales la materia puede alcanzar
niveles de complejidad creciente, yendo de lo inorgánico a lo orgánico y de lo
orgánico a lo biológico.
3.3 La Teoría
de Oparin-Haldane.
La idea de Oparin y Haldane se basaba en que la
atmósfera primitiva era muy diferente de la actual; entre otras cosas, la
energía abundaba en el joven planeta. Propusieron entonces que la aparición de
la vida fue precedida por un largo período de lo que denominaron
"evolución química". Oparin experimentó sus hipótesis utilizando un
modelo al que llamó "coacervados".
Los coacervados son
sistemas coloidales constituidos por macromoléculas diversas que se habrían
formado en ciertas condiciones en medio acuoso y habrían ido evolucionando
hasta dar lugar a células con verdaderas membranas y otras características de
los organismos vivos. Según Oparin, los seres vivos habrían modificado la
atmósfera primitiva y esto es lo que habría impedido, a su vez, la posterior
formación de nueva vida a partir de sustancias inorgánicas. Como expresara
Oparin: "Así, por paradójico que ello pueda parecer, debemos admitir que
la causa principal de la imposibilidad de la aparición de la vida en las
condiciones naturales actuales reside en el hecho de que ya existe".
De
acuerdo con esta teoría, en la Tierra primitiva existieron determinadas
condiciones de temperatura, así como radiaciones del Sol que afectaron las
sustancias que existían entonces en los mares primitivos. Dichas sustancias se
combinaron dé tal manera que dieron origen a los seres vivos. La atmósfera
primitiva carecía de oxígeno libre, pero había sustancias como el hidrógeno,
metano y amoniaco.
Condiciones
que permitieron la vida
La
atmósfera primitiva contenía vapor de agua (H2O), metano (CH4), amoniaco (NH3),
ácido cianhídrico (HCN) y otros compuestos, los cuales estaban sometidos al
calor desprendido de los volcanes y a la radiación ultravioleta proveniente del
Sol. Otra característica de esta atmósfera es que carecía de oxigeno libre
necesario para la respiración.
Como en ese tiempo tampoco existía la capa formada por ozono, que se encuentra en las partes superiores de la atmósfera y que sirven para filtrar el paso de las radiaciones ultravioletas del Sol, estas podían llegar en forma directa a la superficie de la Tierra.
Como en ese tiempo tampoco existía la capa formada por ozono, que se encuentra en las partes superiores de la atmósfera y que sirven para filtrar el paso de las radiaciones ultravioletas del Sol, estas podían llegar en forma directa a la superficie de la Tierra.
Los
elementos que se encontraban en la atmósfera y los mares primitivos se
combinaron para formar compuestos, como carbohidratos, proteínas y
aminoácidos. Conforme se iban formando estas sustancias, se fueron acumulando
en los mares, y al unirse constituyeron sistemas microscópicos esferoides
delimitados por una membrana, que en su interior tenían agua y sustancias
disueltas.
Oparin demostró, que en el interior
de un coacervado ocurren reacciones químicas que dan lugar a la formación de
sistemas y que cada vez adquieren mayor complejidad. Las propiedades y
características de los coacervados hacen suponer que los primeros sistemas pre
celulares se les parecían mucho.
Los
sistemas pre celulares similares a los coacervados sostienen un intercambio de
materia y energía en el medio que los rodea. Este tipo de funciones también las
realizan las células actuales a través de las membranas celulares.
La teoría más aceptada, hoy en día, para explicar el
origen del Universo es la del "Big Bang" o la Gran Explosión.
Esos
sistemas o macromoléculas, a los que Oparin llamo PROTOBIONTES, estaban expuestos a las condiciones a veces adversas
del medio, por lo que no todos permanecieron en la Tierra primitiva, pues las
diferencias existentes entre cada sistema permitían que solo los más
resistentes subsistieran, mientras aquellos que no lo lograban se disolvían en
el mar primitivo, el cual ha sido también llamado SOPA PRIMITIVA.
Después, cuando los protobiontes evolucionaron, dieron lugar a lo que Oparin llamo EUBIONTES, que ya eran células y, por lo tanto, tenían vida. Según la teoría de Oparin – Haldane, así surgieron los primeros seres vivos.
Después, cuando los protobiontes evolucionaron, dieron lugar a lo que Oparin llamo EUBIONTES, que ya eran células y, por lo tanto, tenían vida. Según la teoría de Oparin – Haldane, así surgieron los primeros seres vivos.
1. LA EVOLUCIÓN QUÍMICA DEL UNIVERSO.
4.1 El Origen de los Elementos Químicos.
Ésta postula que hace
diez mil o veinte mil millones de años, toda la materia y energía presente,
incluyendo el espacio que ellas llenan, se concentró en un volumen muy pequeño
y por tanto de una densidad e inestabilidad muy grande. Al ocurrir la inmensa
explosión, todo comenzó a expandirse en un proceso que aún no ha cesado.
En el universo
primitivo se formó hidrogeno y helio, a partir de las partículas elementales
que existían o se formaban como producto de la explosión primigenia.
Se dice que el 95 % de
la matrería viviente está constituida por hidrogeno, carbón, nitrógeno y oxígeno.
De todos ellos, el hidrogeno es el más abundante, cabe señalar que cuando surgió
la estructura del universo, únicamente existían cantidades pequeñas de deuterio
de helio y litio, de manera que el resto de la materia era hidrógeno.
Sin embargo, el resto
de los elementos no podían conformarse en tales condiciones, pues sus núcleos
atómicos se disociarían a altas energías. A medida que ocurría la expansión del
universo, las temperaturas fueron disminuyendo y con el tiempo, las estrellas
se convirtieron en las fábricas naturales de los elementos.
Las supernovas y la Síntesis de Elementos Pesados.
¿Cómo
se forman los elementos más pesados?
Los elementos más pesados se forman por captura de
neutrones. En el interior de las estrellas muy evolucionadas se dan las
condiciones físicas para que ocurran estas capturas. Los neutrones han sido
producidos en muchas de las reacciones nucleares que han tenido lugar en la
estrella y ahora pueden interaccionar con el hierro y con otros núcleos. Como
los neutrones no tienen carga no encuentran ninguna barrera repulsiva para
combinarse con núcleos cargados positivamente. Añadiendo neutrones a un núcleo
el elemento no cambia, se forma un isótopo más masivo, eventualmente este
isótopo se hace inestable y decae radiactivamente para formar un núcleo estable
de otro elemento.
En la explosión de supernova, durante los primeros
15 minutos, el número de neutrones libres aumenta drásticamente, al romperse
núcleos pesados por la violencia de la explosión. El flujo de neutrones es tan
grande, durante la supernova, que los núcleos inestables pueden capturar muchos
neutrones antes de poder desintegrarse. Así los procesos r son
los responsables de la creación de los elementos más pesados conocidos. Como el
tiempo necesario para sintetizar estos núcleos tan pesados es muy breve, nunca
serán muy abundantes. Los elementos más pesados que el hierro son mil millones
de veces menos abundantes que el hidrógeno y el helio.
Según otro punto de vista, en
cambio, las moléculas orgánicas complejas, en lugar de ser el resultado de
uniones a partir de moléculas más simples, serían la materia bioquímica
producida por microorganismos vivos en las nubes interestelares.
Las Moléculas
Interestelares.
En los años 1930 los
astrofísicos descubrieron que las nubes de gas y polvo interestelares están
pobladas no sólo por átomos de elementos simples, sino también por moléculas. A
partir de los años 1960, observaciones tanto ópticas como radioastronómicas
permitieron la localización de moléculas interestelares complejas, tanto
inorgánicas como orgánicas: agua amoniaco, formaldehidos, alcohol etílico.
Las especies moleculares
diferentes determinadas hasta ahora son más de cincuenta se encuentran
concentradas en algunas nubes que rodean estrellas en formación, como la famosa
nebulosa de Orión. Su presencia indica una química interestelar relativamente
compleja, de la cual hasta hace algunos decenios no se sospechaba su
existencia.
Parece que los
granos de polvo interestelar de apenas unas décimas de micra ofrecen a los
átomos la posibilidad de unirse para dar vida a las moléculas complejas y, al
mismo tiempo, constituyen una especie de escudo protector contra las
radiaciones de todo tipo que, de lo contrario, romperían las cadenas
moleculares recién formadas.
El Origen del Sistema Solar.
El
Sol es una estrella que comenzó a formarse hace aproximadamente cuatro mil
millones y medio de años como consecuencia del
colapso de una nube molecular gigante constituida en su mayor parte por
hidrógeno y helio. Las nubes moleculares están compuestas de gases, polvo y
otros materiales, pero las gigantes tienen una altísima concentración de gas.
Son frías y muy densas, y si alguna llega a ser tan masiva que la presión del
gas es insuficiente para soportarlo, se produce un colapso gravitatorio, es
decir, la caída hacia adentro del cuerpo por efecto de la gravedad. El gas y el
polvo se vuelven más calientes, lo que puede dar lugar a una estrella.
La
materia prima para formar nuestro sistema solar fue: el gas principalmente
hidrógeno y helio y polvo, integrado por todos los demás elementos que hoy
conocemos. A la mezcla de gas y polvo que dio origen a nuestro Sistema Solar
Planetario se le conoce como nebulosa
solar la que podemos considerar globalmente como una zona del
espacio interestelar con mayor cantidad de materia que sus alrededores.
Seguramente las primeras etapas de formación del Sistema Solar fueron inducidas
al presentar ésta alguna zona de mayor concentración de materia en comparación
con el resto de la nebulosa. Esto generó una fuerza de gravedad mayor en la
región, lo que originó una atracción acrecentada de materia de sus alrededores
cercanos.
Este
proceso continuó en el tiempo, lo cual condujo a la formación de un núcleo de
materia cada vez con más masa que llamaremos protosol (con el paso del tiempo daría origen a nuestro
Sol).
De
hecho, el resultado más frecuente es que se formen dos, tres o más núcleos,
originando varios protosoles unidos gravitacionalmente que dan lugar a los
llamados sistemas dobles, triples o, en general, múltiples que, eventualmente,
llegarán a ser sistemas con dos o más soles (o estrellas) unidos
gravitacionalmente. Así, se sabe que el 80% de todas las estrellas en nuestra
galaxia son sistemas de estrellas dobles y múltiples.
Así, el protosol fue capturando casi la totalidad de la materia de la
nebulosa solar inicial (aproximadamente el 99.86% de su masa), y la materia
residual (tan poco como el 0.14% de la masa de la nebulosa) se acomodó a su
alrededor constituyendo un disco plano de materia dispersa que por su velocidad
de giro ya no podía caer hacia el protosol y quedó, simplemente, en órbita en
torno a él, de la misma manera como la Luna está en órbita alrededor de la
Tierra o la Tierra está en órbita alrededor del Sol. A este disco de materia
dispersa que giraba en un plano en torno al protosol se le llama disco
protoplanetario, porque a partir de él se formaron, más tarde, todos los
planetas y cuerpos menores que acompañan al Sol
Tal como ocurrió con los otros nueve planetas del Sistema
Solar, la Tierra se formó a partir de porciones de gases y polvo que quedaron
atrapadas alrededor del Sol. A medida que la materia se enfriaba, la Tierra
adoptó su forma con el paso de millones de años. Los materiales más pesados se
unieron formando un núcleo denso, la corteza y la atmosfera primitiva.
Las erupciones volcánicas derramaban lava
incrementando el grosor de la corteza terrestre, el vapor de los volcanes se
condensaba y caía en forma de lluvia. Con el enfriamiento de la tierra, se condensó
tal cantidad de agua que se formaron los océanos.
Características de la Tierra Primitiva.
La Tierra luego de su formación, era una gran masa de roca fundida que
registraba altas temperaturas y era bombardeada por meteoritos que
aportaban más calor y creaban cráteres. Los metales pesados como níquel o
hierro se depositaron en el núcleo, mientras que elementos livianos como
aluminio, silicio y magnesio pasaron a formar parte de la superficie.
La atmosfera en esta etapa era hostil, formada por
ácidos y gases nocivos. Los continentes en formación registraban una elevada
actividad volcánica. En su origen no
existían los océanos, pues las elevadas temperaturas evaporaban el agua.
Fue con el enfriamiento de la Tierra que fue posible su formación.
Las lluvias acidas y las
tormentas eléctricas eran muy comunes, mismas que, como veremos a continuación,
contribuyeron a la formación de la vida.
La temperatura de la tierra primitiva rondaba los 1500
°C y la presión atmosférica era la mitad de la actual.
5.1 El
Experimento de Miller-Urey.
En los años 50, los bioquímicos Stanley
Miller y Harold Urey llevaron a cabo un experimento que mostraba que varios
componentes orgánicos se podían formar de forma espontánea si se simulaban las
condiciones de la atmósfera temprana de la Tierra.
Diseñaron un tubo que
contenía la mayoría de los gases, similares a los existentes en la atmósfera
temprana de la Tierra, y una piscina de agua que imitaba al océano temprano.
Los electrodos descargaron una corriente eléctrica dentro de la cámara llena de
gas, simulando a un rayo. Dejaron que el experimento se sucediera durante una
semana entera, y luego analizaron los contenidos en la piscina líquida. Se
dieron cuenta de que varios aminoácidos orgánicos se habían formado de manera
espontánea a partir de estos materiales inorgánicos simples. Estas moléculas se
unieron en la piscina de agua y formaron coacervados.
Este experimento,
junto a una considerable evidencia geológica, biológica y química, ayuda a sustentar
la teoría de que la primera forma
de vida se formó de manera espontánea mediante
reacciones químicas. Sin embargo, todavía hay muchos científicos que no están
convencidos. El astrofísico británico Fred
Hoyle, compara la supuesta posibilidad de que la vida apareció sobre la
Tierra como resultante de reacciones químicas con el "equivalente de que
un tornado que pasa por un cementerio de autos logre construir a un Boeing 747
a partir de los materiales recopilados allí".
¿En qué consistió?
Para el año 1952, Stanley
Miller y Harold Urey diseñaron un protocolo experimental para simular un
ambiente primitivo en un ingenioso sistema de tubos de vidrio y electrodos
construido por ellos mismos. El sistema estaba formado de un matraz con agua,
análogo al océano primitivo. Conectado a ese matraz había otro con los
componentes del supuesto ambiente prebiótico.
Miller y Urey usaron las
siguientes proporciones para recrearlo: 200 mmHg de metano (CH4),
100 mmHg de hidrógeno (H2), 200 mmHg de amoníaco (NH3) y
200 ml de agua (H2O).
El sistema también contaba
con un condensador, cuya labor era enfriar los gases como normalmente lo haría
la lluvia. Igualmente, integraron dos electrodos capaces de producir altos
voltajes, con el objetivo de crear moléculas altamente reactivas que
propiciaran la formación de moléculas complejas.
Estas chispas buscaban
simular los posibles rayos y relámpagos del ambiente prebiótico. El aparato
terminaba en una parte en forma de “U” que evitaba que el vapor viajara en
sentido inverso.
El experimento recibió
descargas eléctricas por una semana, al mismo tiempo que el agua se calentaba.
El proceso de calentamiento simulaba la energía solar.
Resultados
Los primeros días la mezcla
del experimento era totalmente limpia. Con el transcurso de los días, la mezcla
empezó a tomar un color rojizo. Al finalizar la experiencia este líquido tomó
un color rojo intenso casi marrón y su viscosidad aumentó notablemente.
El experimento consiguió su
objetivo principal y se generaron moléculas orgánicas complejas a partir de los
componentes hipotéticos de la atmósfera primitiva (metano, amoníaco, hidrógeno
y vapor de agua).
Los investigadores lograron
identificar trazas de aminoácidos, como glicina, alanina, ácido aspártico y
ácido amino-n-butírico, los cuales son los componentes principales de las
proteínas.
El éxito de este experimento
contribuyó a que otros investigadores siguieran explorando el origen de las
moléculas orgánicas. Añadiendo modificaciones al protocolo de Miller y Urey, se
lograron recrear los veinte aminoácidos conocidos.
A
partir de los cuales pudieron surgir los primeros sistemas vivos a través de
millones de años. Estos sistemas se pueden estudiar con base modelos
desarrollados en el laboratorio, tales como los coacervados, las microesférulas
proteicas y los sulfitos.
También se
pudieron generar nucleótidos, que son los bloques fundamentales del material
genético: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico).
5.2 Las
Reacciones de Condensación.
Una reacción de condensación, es aquella en la
que dos moléculas, o una si tiene lugar la reacción de forma intermolecular,
se combinan para dar un único producto acompañado de la formación de una
molécula de agua (en general una molécula pequeña). Las reacciones de
condensación siguen un mecanismo de adición-eliminación Es una reacción orgánica en la que dos moléculas se combinan para dar un único producto acompañado
de la formación de una molécula de agua H2O.
1. LOS SISTEMAS PRECELULARES.
6.2 Los Coacervados.
Los coacervados son
grupos organizados de proteínas, carbohidratos y otros materiales en una
solución. El termino coacervado proviene del latín coacervare y
significa “racimo”. Estas agrupaciones moleculares poseen algunas propiedades
propias de las células; por esto, el científico ruso Aleksander Oparin sugirió que los coacervados dieron origen a
estas.
Oparin propuso
que en los mares primitivos probablemente existieron las condiciones apropiadas
para la formación de estas estructuras, a partir de la agrupación de moléculas
orgánicas sueltas. Es decir, básicamente los coacervados son considerados un
modelo pre celular.
Estos coacervados
tendrían la capacidad de absorber otras moléculas, crecer y desarrollar
estructuras interiores más complejas, similares a las células. Posteriormente,
el experimento de los científicos Miller y Urey permitió recrear las
condiciones de la Tierra primitiva y la formación de los coacervados.
Características.
·
Se
generan por agrupación de distintas moléculas (enjambre molecular).
·
Son
sistemas macromoleculares organizados.
·
Tienen
la capacidad de auto-separarse de la solución donde se encuentran, formando así
gotas aisladas.
·
Pueden
absorber compuestos orgánicos en su interior.
·
Pueden
aumentar su peso y su volumen.
·
Son
capaces de incrementar su complejidad interna.
·
Poseen
una capa aislante y pueden auto-conservarse.
El trabajo de los coacervados
de Oparin confirmó que las enzimas, esenciales para las reacciones bioquímicas
del metabolismo, funcionaban más cuando estaban contenidas dentro de las
esferas unidas a la membrana que cuando estaban libres en soluciones acuosas.
Haldane, que no estaba familiarizado
con los coacervados de Oparin, creía que las moléculas orgánicas simples se
formaban primero y que, en presencia de luz ultravioleta, se volvían cada vez
más complejas, dando lugar a las primeras células.
Las ideas de Haldane y Oparin formaron la base de
gran parte de la investigación sobre la abiogénesis, el origen de la vida a
partir de sustancias carentes de vida, que tuvo lugar en las últimas décadas.
Teoría de los coacervados.
La teoría de los coacervados
es una teoría expresada por bioquímico Aleksander
Oparin y que sugiere que el origen de la vida estuvo precedido por la
formación de unidades coloidales mixtas llamadas coacervados.
Los coacervados se forman
cuando se agregan varias combinaciones de proteínas y carbohidratos al agua.
Las proteínas forman una capa límite de agua a su alrededor que está claramente
separada del agua en la que están suspendidas.
Estos coacervados fueron
estudiados por Oparin, quien descubrió que, bajo ciertas condiciones, los
coacervados pueden estabilizarse en agua durante semanas si se les administra
un metabolismo, o un sistema para producir energía.
Enzimas
y glucosa
Para lograr esto, Oparin
agregó enzimas y glucosa (azúcar) al agua. El coacervado absorbió las enzimas y
la glucosa, luego las enzimas hicieron que el coacervado combinara la glucosa
con otros carbohidratos en el coacervado.
Esto causó que el coacervado
aumentara de tamaño. Los productos de desecho de la reacción de la glucosa
fueron expulsados del coacervado.
Una vez que el coacervado se
hizo lo suficientemente grande, comenzó a romperse espontáneamente en
coacervados más pequeños. Si las estructuras derivadas del coacervado
recibieran las enzimas o fuesen capaces de crear sus propias enzimas, podrían
continuar creciendo y desarrollándose.
Posteriormente, el trabajo
subsecuente de los bioquímicos estadounidenses Stanley Miller y Harold Urey
demostró que tales materiales orgánicos se pueden formar a partir de sustancias
inorgánicas bajo condiciones que simulaban de la Tierra primitiva.
Las
Microesférulas Proteicas.
Sindey W. Fox,
desde el principio mostro interés por los experimentos de Miller, pero este en
cambio, se centró en el comportamiento de aminoácidos ante situaciones que
podrían considerarse calientes.
Por lo que él ha llamado
microesférulas proteicas, son pequeñas gotitas que se forman en soluciones
concentradas de proteinoides, y cuyas dimensiones son comparables a las de una célula
típica.
Estas pequeñas esferas, que suelen
ser muy resistentes, se formal fácilmente a partir de aminoácidos que se polimerizan
por acción del calor. Estas presentan gran similitud morfológica y aun dinámica
con las células; frecuentemente se pueden unir en largas cadenas semejantes a
las que forman algunas bacterias
Al absorber selectivamente
proteinoides disueltos en un medio acuoso, pueden aumentar de tamaño y formar
yemas, semejantes a las que se observan en las levaduras, que se separan y
forman unidades aliadas.
Sus membranas pueden estar
formadas por una sola capa, aunque al aumentar el PH del medio externo suele
formar una capa doble.
Así mismo pueden acelerar
reacciones químicas cuando se forman a partir de proteinoides que poseen
actividad catalítica, ya las que se forman a partir de proteinoides con zinc en
una solución que contenga ATP.
Sulfobios y Colpoides.
A principios de la
década que se inició en 1930, un científico mexicano, don Alfonso L. Herrera,
preocupado también por el problema del origen de la vida, empezó a experimentar
con una serie de estructuras minúsculas, con apariencia de microorganismos, que
formaba a partir de la mezcla de diferentes proporciones de sustancias tales
como aceite, gasolina y diversas resinas. De esta forma, logró obtener una gran
variedad de estructuras, algunas de las cuales, enviadas a diferentes
microbiólogos, fueron identificadas como diversas especies de microorganismos.
Herrera, un materialista convencido para quien el origen de la vida era una
cuestión que podían resolver los científicos, estructuró 10que él llamó la
teoría de la plasmogenia, con la cual pretendía explicar la aparición de los
primeros organismos.
A pesar de que los
experimentos de Herrera no lograron la reproducción de los sulfobios ni
proporcionaban criterios en torno al origen de las enzimas y el metabolismo,
estas cuestiones estaban aún tan poco definidas en su tiempo, que difícilmente
hubiera podido ni siquiera planteadas. Por otra parte, aun cuando es poco
probable que los sulfobios y los colpoides, otros modelos pre celulares
sugeridos por Herrera, representen efectivamente estructuras que hayan
antecedido a las primeras células, ciertamente son un ejemplo de un nivel de
organización de la materia a partir de grados más sencillos, y en este sentido
son de interés histórico. Así, las contribuciones de Herrera adquieren
importancia filosófica y metodológica, al atacar el problema del origen de la
vida desde un punto de vista estrictamente materialista y también por haber
sido el primer investigador contemporáneo que utilizó sustancias que no eran de
origen biológico y cuya importancia pre biológica no ha sido comprendida sino
hasta muy recientemente.
La teoría de la Plasmogenia.
La
Plasmogenia es una teoría para explicar el origen de la vida propuesta por Alfonso L. Herrera. Esta palabra se
compone de dos voces griegas: plasma, forma modelada o protoplasma, y genea,
generación.
De
acuerdo con el ilustre científico mexicano la Plasmogenia es una ciencia
experimental que tiene por objeto estudiar el origen del protoplasma, así como
la Cosmogonía, por ejemplo, investiga el origen del Universo, y la Patogenia,
el origen de las enfermedades.
Y
continúa explicando: “En realidad, todo vive, la Naturaleza es única; todo se
mueve, exterior o interiormente, a partir de una sustancia o plasma primitivo.
El
espacio está lleno de una especie de niebla eléctrica que se había llamado
éter, y como la Plasmogenia todo lo considera en sus meditaciones y pruebas,
podemos generalizar la definición anterior diciendo que la Plasmogenia es la
ciencia del protoplasma universal y su origen.”
Herrera
realizó diversos modelos para su teoría, como los sulfobios a partir de
tiocianato de amonio y formaldehído; o los colpoides con aceite de oliva,
gasolina, hidróxido de sodio y hematoxilina.
El Origen de
las Membranas.
Uno de los principales eventos en el
origen de las células fue el desarrollo de una
envuelta que aislara un medio interno y otro externo. Esto tiene muchas
ventajas:
a)
Permite tener todos los componentes necesarios próximos para las reacciones
metabólicas y se hace más eficiente el
proceso de replicación.
b)
Se evita que variantes ventajosas de
moléculas orgánicas sean aprovechadas por grupos competidores, es decir,
egoísmo evolutivo.
c)
Se gana una cierta independencia respecto a las alteraciones del medio externo
favoreciendo la homeostasis interna.
Las
membranas lipídicas se producen fácilmente de forma espontánea a partir de
ácidos grasos anfipáticos, es decir, moléculas que tienen una parte cargada
eléctricamente y otra que es hidrófoba.
Los
lípidos iniciales es probable que no fueran similares a los actuales, puesto
que los actuales se sintetizan por un proceso metabólico complejo. Cualquiera
que fueran los primeros lípidos, estas moléculas se organizaron en las
soluciones acuosas formando películas finas similares a las membranas actuales.
Las
dos cadenas de ácidos grados que tienen los lípidos de membrana actuales, y que
probablemente tendrían aquellos que formaron las primeras membranas, permiten
que se auto ensamblen en capas cuando están a una concentración de micro molar.
Si tuvieran una sola cadena tendrían que estar en rangos de mili molar para
formar membranas. Una longitud de cadena entre 14 y 10 carbonos en el ácido
graso es la idónea para una mayor estabilidad. Adaptar la fluidez a una
temperatura actual lo facilita los dobles enlaces y la presencia de colesterol.
Los
tipos de lípidos y condiciones en los que se organizaron para formar las
primeras membranas se desconocen, pero las membranas de los todos organismos
vivos poseen los lípidos anfipáticas: glicerofosfolípidos y esfingolípidos.
Hay dos posibilidades para a la asociación entre
moléculas como nucleótidos y aminoácidos y las membranas.
a) Podemos especular que estas membranas iniciales
formaron pequeñas bolsas o vesículas que englobaron poblaciones de
moléculas. En otro momento, debido al crecimiento de su contenido interno,
estas bolsas debieron adquirir la capacidad de estrangularse y dar dos unidades
hijas con características semejantes a la parental.
Las poblaciones de moléculas que englobaban deberían
tener la capacidad incrementar su número. Este incremento se produciría por
reacciones moleculares internas gracias a que las membranas serían permeables a
moléculas pequeñas, pero no a los polímeros, creados internamente, a los cuales
no les sería fácil escapar.
b) Otra posibilidad es que hubo una asociación
inicial de moléculas orgánicas simples con membranas de lípidos. Se ha
comprobado que Las membranas favorecen la concentración y la producción de
reacciones entre las moléculas que se asocian a ellas. Además, las reacciones
químicas en 2D son más eficientes que en solución o 3D. Este sistema de
polímeros (oligopéptidos y oligonucleótidos) y membranas fue ganando en
complejidad y dependencia hasta que algunos polímeros atravesaron la propia
membrana y quedaron en su interior.
El proceso de crecimiento y estrangulamiento de las
vesículas con los polímeros sucedería de forma controlada posteriormente. Si
esto fue así, cambiaría el orden de los acontecimientos puesto que las
membranas serían los verdaderos protagonistas para la formación de las primeras
proto células.
La posibilidad de que las membranas pudieran ser en
realidad el elemento que disparara la atracción de moléculas y la reacción
entre ellas para formar estructuras moleculares más complejos abre
posibilidades sorprendentes. Los lípidos son más fáciles de sintetizar y son
más estables que otras moléculas por lo que pudieron estar presentes desde el
principio. Curiosamente, las membranas son mucho más estables en aguas dulces
que en aguas saladas, por lo que surge la posibilidad de que, en estos
supuestos, de que las primeras células aparecieran en aguas dulces, en vez
de en el mar.
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