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Evolución
Opción D
1ª Parte: Origen de la vida en la Tierra
Tema 7 de Biología NS
Diploma BI
Curso 2013-2015
Tarea - 15‘ (Indagadores)

En parejas:
i. Busca una definición de vida (¿qué se conoce como vida?) y anota su
fuente o autor.
ii. Busca cuáles son las distintas teorías o hipótesis que explican el
origen de la vida en la Tierra, anotando su autor.
Dificultades estudiando el pasado (TdC)

En este tema vamos a estudiar algunas de la cuestiones fundamentales en la
historia de la humanidad:
- ¿De dónde venimos?
- ¿Cómo comenzó la vida en la Tierra?
- ¿Cómo eran nuestros ancestros hace millones de años?

Como en todas las cuestiones científicas, se han formulado distintas hipótesis
basadas en investigaciones y observaciones. Algunas de estas hipótesis han
madurado hasta convertirse en las teorías que hoy conocemos, sin embargo,
distan mucho de considerarse irrefutables.

¿Podemos considerar como verdaderamente científica alguna
investigación sobre la historia de la evolución de la vida en la Tierra?

Una de las hipótesis más ampliamente aceptadas sobre el origen de la vida
en la Tierra es que apareció a partir de moléculas “sin vida”, que se
combinaron bajo las condiciones adecuadas para formar moléculas con
capacidad de replicación, y con el tiempo, en las primeras células.

Pero la pregunta es, ¿qué es la vida?
¿Qué es la vida? (TdC)

“La vida es desequilibrio”. De Duve.

“La vida es una región donde se incrementa el orden en ciclos movidos por
un flujo de energía”. Carl Sagan.

“Una zona separada del medio, que incluye una fuente de energía, que se
adapta al medio y evoluciona, y que es capaz de reproducirse”. Shapiro.

“La vida es información y ADN replicable (mediante proteínas), al abrigo de
una membrana.” McKay

“La vida es un objeto complejo que contiene información, se reproduce y
evoluciona por selección natural”. Orgel.

“La existencia de la vida debe considerarse como un hecho elemental que no
puede ser explicado, sino que debe ser tomado como el punto de partida
para la Biología”. Niels Bohr.

“Por lo complicada que es, casi un milagro”. Crick.
Video1
Origen espontáneo de la vida

Hasta el siglo XIX se creía que la vida se originaba de forma espontánea
(propuesto por Aristóteles), cuando Louis Pasteur demostró que toda vida
procede de otra vida preexistente.
Web whfreeman.com

El problema es que la Tierra era estéril cuando se originó hace 4 600 Ma.,
pero de algún modo se originaron moléculas orgánicas. Para que ese planeta
rocoso sin vida se convirtiera en lo que hoy conocemos, algunas dificultades
debían ser superadas.
Origen espontáneo de la vida

Cuatro son los procesos necesarios para el origen espontáneo de la
vida en la Tierra:
1) La síntesis abiótica de moléculas orgánicas simples.
- La vida tal como la conocemos está basada en
moléculas orgánicas como los aminoácidos o glúcidos.
- Si la Tierra primitiva solo tenía materia inorgánica
(minerales, rocas, gases y agua), ¿de dónde vino la
primera molécula orgánica?
2) La combinación de estas moléculas para formar
polímeros.
- Los organismos vivos por definición son formas
organizadas.
- Los monómeros necesitan unirse entre si para
formar polímeros como los polipéptidos o los
polisacáridos, con objeto de construir compuestos
orgánicos más complejos como las proteínas o los
glúcidos.
Origen espontáneo de la vida
3) El origen de las moléculas autorreplicantes
que hicieron posible la herencia.
- Para que algo se considere “vivo”, debe
reproducirse,
por
lo
que
moléculas
autorreplicantes eran necesarias.
- El ADN es la molécula más usada para la
replicación de los organismos vivos.
- Pero el ADN es una molécula compleja que
requiere enzimas en su formación, por lo que
es muy improbable que el ADN se desarrollara
muy pronto.
- Además, se necesita el ARN para para
producir polipéptidos a partir del ADN.
4) El empaquetado de dichas moléculas dentro de membranas con un medio
químico interno diferente del existente en el entorno exterior.
- El último gran problema a solventar es el hecho de que el agua, aunque necesaria
para la vida, tiende a despolimerizar moléculas (hidrólisis).
- Muchos compuestos orgánicos se disuelven en agua, por lo que hace difícil que las
moléculas lleguen a organizarse en polímeros.
Experimento de Miller-Urey

Para responder a la primera de estas cuestiones, la síntesis abiótica de
moléculas orgánicas, en 1923 se presentó una hipótesis por el científico
ruso A. Oparin y el inglés Haldane.
- Cuando la Tierra se formó hace unos 4 500 millones
de años, era una inmensa bola incandescente donde
los elementos más ligeros salieron hacia el exterior
formando una capa gaseosa, la protoatmósfera.
- En una atmósfera oxidante como la actual no pudo
surgir la vida (el oxígeno capta al hidrógeno libre
imposibilitando la formación de moléculas orgánicas),
por lo que la atmósfera primitiva debía ser
reductora (rica en hidrógeno y donadores de
electrones como el metano y el amoniaco).
Experimento de Miller-Urey
- Estos gases estaban sometidos a
intensas radiaciones ultravioletas (UV)
provenientes del Sol y a fuertes
descargas
eléctricas,
formándose
moléculas cada vez más complejas que
llegaban a los mares primitivos que se
iban formando mediante la lluvia.
- Oparin llamó a estos mares cargados
de moléculas el CALDO o SOPA
PRIMORDIAL.
- Algunas de esas moléculas se unieron
constituyendo unas asociaciones con
forma de pequeñas esferas llamadas
COACERVADOS, que todavía no eran
células.
Experimento de Miller-Urey
Experimento de Miller-Urey

En 1953 Stanley Miller y Harold Urey reprodujeron en su laboratorio de la
Universidad de Chicago las condiciones que se pensaba tenía la atmósfera
prebiótica primitiva:
- Gases de metano, amoniaco e hidrógeno gaseoso.
- Radiación UV al carecer de capa de ozono protectora y tormentas eléctricas.
- Alta temperatura.
- Agua líquida calentada para evaporarla y enfriada para condensarla,
recreando el ciclo del agua.

Después de una semana de ciclos
continuados,
obtuvieron
un
“caldo
primordial” con compuestos orgánicos
como aminoácidos o urea.
Experimento de Miller-Urey y TdC

¿Es posible demostrar que esto sucedió
en algún momento del pasado o pudo
no suceder de ningún modo?
Web mcgraw-hill.com
Origen extraterrestre de la vida

La Panspermia es una hipótesis, propuesta en 1908 por el
químico sueco Arrhenius, que mantenía que la vida en la
Tierra se originó gracias a la contribución cósmica de seres
vivientes provenientes de algún punto del Universo.

Actualmente, esta teoría no habla acerca de microorganismos que vagan en
meteoritos avanzando a la Tierra para colonizarla, sino de sustancias químicas
complejas que se habían formado desde los orígenes del Universo, las cuales
alcanzaron la Tierra en un momento determinado.
Origen extraterrestre de la vida

Esta nueva hipótesis surgió cuando algunos investigadores encontraron
compuestos orgánicos (aminoácidos entre ellos) en meteoritos provenientes
del espacio profundo.
Meteorito marciano de 2 kg de peso descubierto en 1984 por una expedición a la Antártida.

Evidencias geológicas muestran que nuestro
planeta sufrió un intenso bombardeo de cometas
y asteroides hace unos 4 000 Ma., el cual pudo
haber traído compuestos orgánicos y agua a la
Tierra primitiva, siendo éste, el origen prebiótico
de las moléculas orgánicas.
Video2
¿Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos?

Por tanto, existen varias hipótesis acerca de dónde pudieron formarse los
compuestos orgánicos, es decir, lugares cuyas condiciones habrían permitido
su síntesis.
1) Emplazamiento extraterrestre
- Mediante análisis de líneas espectrales de
distintas nubes de partículas de polvo
cósmico, se ha revelado la presencia de
glicina, el aminoácido más simple.
Esto sugiere que las moléculas orgánicas
se pueden formar en el espacio y podría
explicar que los cometas podrían haberlos
traído a la Tierra (Cometa Wild 2).
- Además, experimentos de laboratorio,
donde se ha recreado el ambiente espacial
de baja presión y temperatura, han sido
capaces de sintetizar aminoácidos.
La baja temperatura reduce el movimiento
molecular favoreciendo la formación de
polímeros.
Revista Instituto Astrofísica de Andalucía
¿Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos?
2) Fumarolas hidrotermales
-
Se
encuentran
a
grandes
profundidades, donde las erupciones
volcánicas son continuadas por la alta
presión.
-
El magma solidificado calienta el
agua, que sube arrastrando gran
cantidad
de
minerales
(black
smokes).
-
Comunidades enteras viven en torno
a estas fumarolas, sustentadas por
arqueobacterias quimiosintéticas
que utilizan el H2S para la obtención
de energía.
- Esto demuestra que en profundidades
sin luz existe vida, y da credibilidad a
la posibilidad del origen de las formas
de vida más primitivas en torno a
estas fumarolas.
Video3
¿Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos?
3) Volcanes
- Aunque las erupciones volcánicas puedan ser destructivas, también disipan vapor
de agua, otros gases como el sulfuro de carbonilo (gas de efecto invernadero) y
minerales que podrían ser usados para la formación de materia orgánica.
- Esta rica fuente de materia prima
junto con el calor de la actividad
volcánica, podría haber provisto las
condiciones
favorables
para
la
formación de aminoácidos y azúcares.
- En 2004 Science describía cómo, en medios acuosos, la presencia de sulfuro de
carbonilo y hierro procedentes de erupciones volcánicas de los fondos marinos,
puede dar lugar a la unión de aminoácidos y la subsiguiente formación de péptidos.
Papel del ARN en el origen de la vida

Con objeto de trasmitir los rasgos hereditarios a la siguiente generación, la
mayoría de los organismos almacenan su material genética en forma de ADN.

El ADN necesita enzimas para su
replicación (duplicarse). Sin embargo,
en el mundo prebiótico no había
enzimas, por lo que es difícil que el
ADN fuera el medio en el que la
herencia tenía lugar.
Papel del ARN en el origen de la vida

El ARN puede almacenar información en una de
secuencia de 4 nucleótidos, de forma similar a
como lo hace el ADN.

Por otro lado, el ARN tiene dos propiedades que
le habrían permitido desempeñar un papel
importante en el origen de la vida:
Video4
- Capacidad de autorreplicación: Bajo ciertas
condiciones el ARN puede autorreplicarse sin
necesidad de enzimas. Esta propiedad lo hace
un candidato ideal como primer ácido nucleico
en el comienzo de la vida.
- Actividad catalítica: El ARN es una
ribozima, es decir, al igual que otras enzimas
tiene capacidad catalítica, ayudando a que
ciertas reacciones químicas tengan lugar. De
hecho, pequeñas secuencias de ARN son
capaces de copiar fielmente otros ARN.

Por estas razones, el ARN podría dominar la
Tierra primitiva, saliendo a flote en el caldo
primordial, haciendo copias de si mismo.
Las protocélulas o protobiontes: Microesferas

Antes de surgir la primera célula verdadera,
deben haber existido protocélulas o
protobiontes, caracterizadas por poseer
una membrana externa que les permitiera
poseer un ambiente químico interno
diferente del exterior que los rodeaba.

Ejemplos de protobioentes
microesferas y coacervados.

Distintos experimentos han demostrado que
cuando se exponen al calor seco, los
aminoácidos
polimerizan
abióticamente
para formar una cadena polipeptídica
denominada
proteinoides.
En
las
condiciones acuosas adecuadas, estas
cadenas
forman
unas
microesferas
(Sidney Fox) como pequeñas burbujas,
que permiten mantener un ambiente
químico interno diferente al exterior que lo
rodea y que poseen propiedades celulares.
son
las
Las protocélulas o protobiontes: Microesferas

Fox pensó que su formación pudo tener lugar en áreas volcánicas, o mejor
dicho, áreas con aguas subterráneas adyacentes a zonas volcánicas, donde la
subducción del calor en el suelo calienta el agua freática, de modo que esta
escapa en forma de géiseres y fumarolas formando diversas charcas.

Bajo estas circunstancias, las piscinas ardientes, fumarolas y géiseres de una
Tierra “primitiva” no solo podrían ser punto de síntesis de aminoácidos, sino
también de organización de estos en proteinoides.

Si una de estas charcas se
seca,
los
proteinoides
aumentarán
su
concentración y reducirán
su volatilidad. El regreso
del
agua,
a
baja
temperatura (por ejemplo,
debido
a
la
lluvia),
induciría la formación de
las microesferas.
Las protocélulas o protobiontes: Coacervados

Otro ejemplo de protobionte lo constituyen los
coacervados.

Bajo condiciones adecuadas, las mezclas de
macromoléculas en agua tienden a producir
unidades complejas denominadas coacervados,
con capacidad para absorber sustancias del
exterior, y con una bicapa lipídica (liposoma)
en el exterior formando una especie de
membrana.
Las protocélulas o protobiontes: Coacervados
Web exploringorigins.org
¿De dónde viene el oxígeno de la atmósfera?

Todavía no se sabe como, pero en un momento determinado, surge la primera
célula verdadera a partir de estos protobiontes.

Las células procariotas son las más
sencillas, por lo que debió ser una
bacteria esta primera célula en la
historia de la vida. Estas células
procariotas debían fabricar su
propia materia orgánica en el
ambiente anaerobio en el que se
encontraban.

Al igual que algunas bacterias
quimiosintéticas actuales, serían
capaces de obtener energía de
reacciones químicas a partir de
moléculas inorgánicas, utilizando el
H2S como fuente de hidrógeno. En
esta reacción, se produce azufre
como desecho, como puede verse
en forma de depósitos amarillos en
los géisers volcánicos.
¿De dónde viene el oxígeno de la atmósfera?

En determinado momento hace unos 3 500 Ma., el metabolismo de estas
bacterias se modificó, siendo capaces de usar el agua como fuente de hidrógeno
y la luz como fuente de energía (bacterias fotosintéticas). En esta reacción,
se produce oxígeno como desecho, que fue acumulándose en la atmósfera.

El cambio a una atmósfera
oxidante afecta progresivamente
a todo el planeta y modifica
sustancialmente las características
de la atmósfera y la hidrosfera.

El oxígeno era tóxico para las células anaerobias primitivas. Muchas
desaparecen, dejando el camino libre para el desarrollo sin competencia de
estas nuevas bacterias fotosintéticas o cianobacterias, aunque otras son
apartadas a lugares anaerobios y otras se hacen resistentes.
¿De dónde viene el oxígeno de la atmósfera?

Los estromatolitos son estructuras estratificadas formadas por la
actividad fotosintética de las cianobacterias (bacterias fotosintéticas) en
aguas someras. Los carbonatos resultantes de la fotosíntesis, al precipitar,
dan lugar a la formación de los estromatolitos.

Los estromatolitos fósiles más antiguos que se conocen, se encuentran
en Australia y tienen una antiguedad de unos 3 600 Ma.
Vídeo5
Aparición de la célula eucariota: Teoría endosimbiótica

Las bacterias (procariotas) fueron los únicos organismos sobre la Tierra desde
ese momento hasta hace unos 2 000 Ma., momento del que se tiene el primer
fósil de una célula con núcleo (eucariotas).

Una teoría ampliamente aceptada es la teoría endosimbiótica de Lynn
Margulis en 1967, que postula que los eucariotas han evolucionado a partir
de los procariotas.

Esta teoría mantiene que los
orgánulos que se encuentran en
el interior de las células
eucariotas, una vez fueron
procariotas
independientes,
pero que una célula heterótrofa
de mayor tamaño los endocitó.
Aparición de la célula eucariota:Teoría endosimbiótica
Citoplasma
Procariota
ancestral
ADN

Algunas
células
digirieron
estas
bacterias, alimentándose de ellas, pero
aquellas células que no tenían enzimas
capaces de digerir a estas procariotas
fotosintéticos, adquirieron una ventaja
por
selección
natural,
ya
que
adquirieron su metabolismo fotosintético
o aerobio.

Dichos procariotas permanecieron en su
interior, encontrando protección a cambio
de sus servicios: endosimbiosis.

Esto podría explicar como los orgánulos
membranosos como la mitocondria o
los cloroplastos llegaron a formar parte
de las células eucariotas evolucionando a
partir de procariotas independientes.

Por otro lado, el núcleo y el sistema
endomembranoso pudo haber surgido a
partir de invajinaciones de la membrana
plasmática.
Membrana
plasmática
Invajinación de la
membrana plasmática
Envoltura nuclear
Fagocitosis de
procariotas aeróbicos
heterotróficos
Retículo endoplásmico
Núcleo
Célula con núcleo y
sistema endomembranoso
Mitocondria
Mitocondria
Eucariota heterótrofo
ancestral
Fagocitosis de
procariotas fotosintéticos
por algunas células
Cloroplasto
Eucariota fotosintético
ancestral
Aparición de la célula eucariota:Teoría endosimbiótica

Esta teoría se apoya en que las características que comparten mitocondrias y
cloroplastos, y que las hacen más parecidos a un procariota independiente,
que a cualquier otro orgánulo celular:
- Tienen doble membrana.
- Tienen ADN desnudo circular propio.
- Pueden sintetizar proteínas usando
pequeños ribosomas.
- Sus ribosomas son de igual tamaño
que los procariotas (70S).
- Se dividen por fisión binaria.
- Mismo tamaño.

Al igual que otras teorías, también tiene sus objeciones:
-
No se puede demostrar, ya que predice algo que ocurrió en el pasado.
-
No explica el origen de los cromosomas lineales o la meiosis.
-
Existen débile sevidencias de que los cilios y los falegelos evolucionaron a partir
de la unión de bacterias espiroquetas.
Animación1
Teoría endosimbiótica y TdC

Al igual que sucede con otras teorías que
tratan de explicar la evolución de la vida
en la Tierra, podemos obtener pruebas
que apoyen esta teoría y evaluar la
solidez de dichas pruebas.

Sin embargo, ¿podemos estar seguros
alguna vez de que la teoría explica lo
que aconteció realmente en el
pasado?

Para
que
una
teoría
pueda
ser
considerada científica también debemos
ser capaces de probar si es falsa.
¿Podemos hacer esto cuando la
teoría se refiere a un acontecimiento
del pasado? ¿Es suficiente con que
nos permitan realizar predicciones?
Vídeo 6 y 7
Origen de la vida: Recursos

Regis, Ed. ¿Qué es la vida? Editorial Espasa Calpe, 2009.

Shapiro, Robert. Orígenes, lo que sabemos actualmente sobre el origen
de la vida. Biblioteca Científica Salvat. 1994.

VV.AA. La historia más bella del mundo: Los secretos de nuestros
orígenes. Editorial Anagrama, 2000.