Origen de la vida - Página principal

TEORÍAS MODERNAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA
(Monografía)
Unidad temática del programa de Biología II a la que corresponde este material: ¿Cuál es el origen
de los seres vivos?
Objetivos del programa a los que atiende:
9 Identificará los factores que permitieron el surgimiento de los primeros seres vivos.
9 Analizará los fundamentos y antecedentes de las investigaciones en las que sustentan las
explicaciones actuales sobre el origen de la vida.
9 Reafirmará las habilidades de observación, análisis y síntesis así como una actitud científica.
El conocimiento científico avanza constantemente. Los principios y teorías que ayer eran la última
noticia, hoy pueden ser sólo antecedentes si no es que han sido relevados por nuevos conocimientos
que contradicen a los anteriores.
El estudio acerca del origen de la vida es uno de los campos donde son más sensibles los cambios que
generan nuevos conocimientos. Todos los días se tienen nuevas evidencias. La necesidad de
actualizarse, de conocer los nuevos avances y las tendencias más aceptadas es imperiosa sobre todo
en este campo.
En este material podrás encontrar los avances más significativos acerca de cómo, los investigadores,
van planeando sus investigaciones, interpretando los resultados que obtienen y ajustando, con base
en ellos, las teorías y principios que explican el fenómeno.
A partir de una breve síntesis del avance científico logrado en la primera mitad del siglo XX (ya
analizado en el curso), en esta lectura encontrarás los diferentes hallazgos que se han logrado
tratando de encontrar las causas de la formación de los primeros seres vivos en la Tierra. De esta
forma, este material de apoyo sirve para actualizar los contenidos tratados en el libro de Biología
Dos que has tenido como punto de referencia en el estudio del segundo semestre del curso.
María Guadalupe Lomelí Radillo
Avances en el conocimiento acerca del origen de la vida
“El universo está lleno de química orgánica. Aunque la vida se originó en
la Tierra, esta materia ha estado lloviendo sobre nosotros desde tiempo
inmemorial”.
DALE CRUIKSHANK, Astrónomo del Centro AMES-NASA
Hemos podido conocer algunos de los planteamientos básicos que dieron sustento a
diferentes teorías con las que se trató de explicar el origen de la vida, hasta principios del
siglo XX.
Después de las ideas creacionistas, dos corrientes cobraron especial interés: la
propuesta por John B. S. Haldane y Alexander L. Oparin (más aceptada y trabajada) y la
propuesta inicialmente por Svante A. Arrhenius (más especulativa y polémica).
En nuestro recorrido anterior dentro de la teoría de la evolución química, pudimos llegar
hasta los albores de la investigación experimental que se inició para corroborar algunos de
sus planteamientos, toca el turno ahora a la revisión de estos trabajos experimentales
iniciados en la década de los cincuenta, tratando de acercarnos lo más posible a las
investigaciones actuales.
En esta sección: "La vida a escala experimental", partiremos de la revisión de los
trabajos realizados por Stanley L. Miller y veremos paso a paso cómo se han ido
adicionando nuevas evidencias experimentales para reconstruir un posible "árbol
geneaológico" de las moléculas que tienen mayor significado para la formación de los seres
vivos.
El análisis de las principales hipótesis que se han formulado para explicar tanto la
organización de ciertas estructuras celulares como el origen de ciertas funciones vitales,
será la otra parte que analizaremos en esta unidad temática.
Los avances en el estudio de las condiciones existentes fuera de las fronteras
terrestres en busca de los orígenes de ciertas moléculas biológicas, y el estudio de las
posibilidades de que la vida prospere en esas condiciones, serán los temas que
esbozaremos posteriormente en: La vida más allá de las fronteras terrestres, con la
intención de que el alumno pueda conocer algunos de los esfuerzos que se han desarrollado
en el campo de la exobiología, y los avances tecnológicos que los han hecho posibles.
De esta forma pretendemos que el alumno pueda encontrar elementos suficientes para
analizar las bases experimentales que han permitido corroborar algunos de los
planteamientos formulados dentro de la teoría de la evolución química, así como conocer
algunas de las principales hipótesis mediante las cuales se ha tratado de explicar el origen
de las principales estructuras celulares y de las funciones capitales de los primeros seres
vivos.
La vida a escala experimental
'Es imposible rechazar que en el curso de los millones de años de existencia
planetaria se hayan dado, en alguna parte, por ‘azar’ , las condiciones que conducirían
a la formación de la sustancia gelatinosa dentro de una solución coloidal. Con ciertas
reservas, podemos establecer la hipótesis de que en ese primerísimo flóculo fue el
primer organismo vivo de la Tierra.”
ALEXANDER OPARIN, (1894-1980)
Como se recordará, al inicio del siglo XX después de revisados los trabajos de Louis
Pasteur y de Charles Darwin, se hizo cada día más difícil concebir la organización de los
seres vivos sin pensar necesariamente en un proceso de evolución que los llevara hasta el
estado en que actualmente se conocen.
El concepto de evolución en sus inicios se atribuyó exclusivamente a las formas
animadas, ya fueran éstas muy sencillas o extremadamente complejas. Hablar de evolución
se refería siempre a los seres vivos.
Ya aceptado el concepto de evolución, en la primera mitad del siglo XX se propone por
primera vez la aplicación del término evolución a sistemas no vivientes para explicar la
organización de la materia orgánica.
Teilhard de Chardin, con un enfoque muy teórico y especulativo, y Alexander I. Oparin y
John B. S. Haldane, con bases más rigurosas, son los primeros que aceptan el desarrollo de
procesos evolutivos en sistemas no vivientes.
Para Teilhard de Chardin la materia estaba organizada en un
orden de complejidad creciente, que abarcaba desde las partículas
elementales: el átomo y las moléculas, hasta las células y los organismos.
Cada nivel era entendido como el antecedente o como la unidad a partir
de la cual se formaba un nivel más complejo. Las partículas elementales
formaban átomos, éstos al asociarse formaban moléculas, éstas podían
integrar células, y éstas últimas, organismos. Esta visión también
guardaba relación, no sólo con un orden creciente de complejidad, sino
con una secuencia cronológica que inducía la idea de que para conocer el
estado actual de la materia había que conocer sus antecedentes en el Teilhard de Chardin
tiempo.
Para Chardin, mencionar complejidad es hablar del número de elementos que conforman
el sistema. Mientras más elementos tenga y mientras éstos estén más interrelacionados y
sean recíprocamente interdependientes, el sistema será más complejo.
Oparin y Haldane trataron más a fondo las explicaciones buscando dilucidar qué es lo
que pudo haber pasado en la Tierra antes de que se formaran los primero seres
organizados.
Como el alumno recordará estos dos investigadores postularon de manera
independiente, una hipótesis que sostenía que los primeros seres vivos fueron fruto de la
organización de la materia no viviente, mediante un proceso de evolución química.
Son bases de su teoría el planteamiento de que la Tierra primitiva presentaba ciertas
características que permitieron la síntesis biológica. La presencia de metano (CH4),
amoniaco (NH3), vapor de agua (H2O) e hidrógeno (H2) en una atmósfera altamente
reductora y con el concurso de diferentes fuentes de energía ultravioleta (UV), calor,
radiactividad y descargas eléctricas, fueron las bases para la síntesis de los primeros
sistemas vivientes, según su teoría.
Con la teoría de la evolución química estos investigadores trataron de dar respuesta a
los principales cuestionamientos que se habían venido haciendo acerca de la formación de
los primeros sistemas vivientes. Entre estos cuestionamientos tenían especial relevancia:
• ¿Cómo aparecieron los principales compuestos orgánicos que participan de los
procesos vivos como son: las proteínas, los carbohidratos, los lípidos y los ácidos
nucleicos, cuando no existían seres vivos? Si la clorofila es sintetizada por los
organismos autótrofos y es la que permite la síntesis de compuestos a partir de
dióxido de carbono, sales minerales, agua y luz ¿Cómo se frenaron los primeros
seres que pudieron realizar fotosíntesis?
• Si la fuente de energía que utilizan los sistemas vivos está representada
fundamentalmente por las moléculas de ATP que ellos mismos sintetizan, ¿cómo pudo
formarse esta molécula sin presencia de sistemas vivos?
• Entre las enzimas y el ADN hay una interrelación muy estrecha, si las primeras
necesitan del segundo y viceversa ¿cómo se conjugaron unas y otro para poder
interactuar? o ¿cuál de los dos tipos de moléculas se formó primero?
• Para que se conformaran los primeros sistemas prebiológicos fue necesario que
conquistaran cierta autonomía, pero ¿cómo se aislaron y lograron independencia esos
primeros sistemas biológicos?
Oparin y Haldane ofrecieron ciertas explicaciones teóricas que más tarde han venido a
ser corroboradas o ensayadas experimentalmente, con lo cual la teoría de la evolución
química ha pasado a la verificación, aunque sea de manera parcial.
En esta unidad trataremos de conocer algunas de las bases experimentales que se han
encontrado a propósito de la teoría de la evolución química, así como de conocer algunos de
los elementos que han entrado en un nuevo cuestionamiento debido a que han brindado
ciertas evidencias que difieren de lo propuesto por Oparin y Haldane.
De esta forma, pretendemos que el alumno conozca algunas de las pruebas
experimentales que han permitido corroborar algunos de los argumentos que sostienen la
teoría de la evolución química. De igual modo, esperamos que comprenda las secuencias
hipotéticas que algunos investigadores han propuesto para explicar la evolución química de
los seres vivos, así como aquellas que explican el origen y evolución de algunas de las
funciones vitales que caracterizan hoy a los seres vivos.
En esta somera revisión, el alumno podrá encontrar además, algunos de los principales
obstáculos que han enfrentado los hombres de ciencia dentro del programa de
investigación sobre el origen de la vida en la Tierra.
El origen del universo y de la vida
Para comprender más a fondo los planteamientos de la teoría de la evolución química
será necesario que revisemos con un poco más de detalle el conocimiento que se tiene
acerca del origen del Universo y de nuestro planeta.
Hablar del Universo equivale a hablar de muchas cosas. El Universo es todo, desde los
átomos, las moléculas, la energía, las estrellas, las galaxias, el sistema planetario y la
misma Tierra con todo lo que en ella existe.
Por otra parte, hablar de la composición del Universo podría verse como un tema
monótono, ya que la base está dada primordialmente (cerca del 99%) por hidrógeno y helio,
y sólo el 1 % de otro tipo de elementos más pesados. Sin embargo, ¿cómo es posible que
con esa base tan sencilla se haya formado todo lo que podemos contemplar a nuestro
alrededor?
Los mecanismos de formación del Universo plantean actualmente que
éste sufre una continua expansión donde todas las galaxias y cuerpos
celestes se retiran de manera continua unos de otros. Esta expansión
fue originada (según Stephen Hawking y Roger Penrose) por la gran
explosión de una pequeña masa superdensa en la cual se encontraba
concentrada toda la materia que conforma el Universo.
El alumno podrá comprender con más facilidad la idea de que la expansión del Universo
hace que todos los cuerpos que en él se encuentran se están separando todos entre sí, si
imagina que las estrellas, galaxias y todos los cuerpos celestes están representados por
pequeños puntos de tinta sobre la superficie de un globo de hule. Si inflamos lentamente
ese globo podemos ver en su superficie cómo todos los puntos se van alejando entre sí.
Según muchos astrónomos este proceso de expansión será seguido dentro de miles de
millones de años, por un proceso de contracción que acercará nuevamente a la materia en
torno a un centro, en un proceso cíclico de expansión-contracción.
Con relación al origen de los compuestos que constituyen el Universo existen
actualmente dos teorías que se contraponen. Una de ellas sostiene que todos los
elementos químicos naturales conocidos se formaron al mismo tiempo dentro de la pequeña
masa inicial, antes de la Gran Explosión.
La otra teoría sostiene que el elemento primordial fue el hidrógeno, y que los elementos
más complejos y pesados se están formando continuamente en las estrellas a partir de él.
Origen del sistema solar
El sistema planetario donde nos encontramos se formó de uno de los brazos más
distantes de nuestra galaxia por la condensación de vastas nubes de gas y polvo cósmico
formados por la fragmentación interna de la galaxia.
Estas nubes de gas y polvo al girar dieron origen al Sol y a cada uno de los planetas del
sistema solar. Los gases livianos de hidrógeno y helio escaparon rápidamente de la mayor
parte del sistema cuando apenas éste se estaba formando, mientras que la parte sólida de
los planetas se formó básicamente a partir del polvo cósmico.
Los planetas primitivos fueron probablemente más pequeños en sus inicios, pero por la
acumulación de fragmentos que chocaban contra su superficie han alcanzado sus
dimensiones actuales.
La Tierra, por las colisiones de fragmentos contra su superficie y el aumento de su
masa, incremento su fuerza gravitatoria y su temperatura. Los elementos más pesados se
fueron hundiendo en su superficie y emergieron los más livianos y volátiles.
Los volcanes fueron el punto de enlace entre la superficie más fría y el centro de la
Tierra; mediante las erupciones ocurrieron una serie de complejas reacciones químicas que
empezaron a cambiar las condiciones de la superficie terrestre.
A partir de la formación del sistema solar, entre la Tierra, el Sol y los demás planetas
se estableció un sistema donde cada uno de sus componentes tiene una relación especial
con respecto a los demás.
El Sol ha sido la fuente principal de energía en ese sistema, los planetas pueden
considerarse como los reactores que capturan, transforman y utilizan esa energía
radiante. La radiación solar provee desde calor hasta rayos ultravioleta y luminosos. La
Tierra, debido a su tamaño, es capaz de atraer y capturar esa radiación y transformarla.
De una gran masa nebulosa (1) se fue concentrando un núcleo más denso (2) que dio origen al protosol y a cada uno de los
protoplanetas (3). Los planetas se formaron principalmente de polvo interestelar (4 ), mientras que el hidrógeno y el helio
escaparon o formaron delgadas capas en la atmósfera de algunos planetas (5 ). Los cuerpos más cercanos al Sol tienen
una consistencia más sólida, los más lejanos como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están conformados principalmente de
elementos livianos (helio, hidrógeno, metano y amoníaco).
La Tierra primitiva
Muchos investigadores proponen que -en sus inicios la Tierra tuvo condiciones y
características muy distintas a las que hoy le conocemos. La atmósfera primitiva debió
contener una serie de compuestos químicos que hoy no son frecuentes, y a su vez, carecer
de otros compuestos que hoy son muy comunes en ella.
Por su parte, el Sol tiene también una atmósfera que contiene ciertos compuestos y una
temperatura distinta a los que se encuentran en el centro de la estrella. Ello hace que del
Sol puedan escapar ciertos compuestos químicos que viajan hacia otros lugares del sistema
solar. Estos compuestos se alejan del Sol gracias a la agitación térmica o a la presión de
radiación.
En condiciones de baja temperatura y abundancia de hidrógeno, elementos como el
carbono, el nitrógeno y el oxígeno se encuentran siempre formando compuestos
hidrogenados, por lo que se piensa que la atmósfera primitiva de la Tierra debió
conformarse con dióxido y monóxido de carbono, metano (CH4), amoniaco (NH3) y agua
(H2O), que son moléculas muy estables.
Como sabemos, este tipo de compuestos han sido reportados en otros cuerpos celestes
por los radiotelescopios, a partir de 1969. Por otra parte, se considera que muchos de
estos compuestos se formaron a partir del centro del planeta primitivo, y que llegaron a la
superficie mediante las erupciones volcánicas.
Como el alumno recordará de sus cursos de química de la secundaria y, tal vez en los que
ha cursado en la preparatoria, para que un átomo reaccione con otro y forme compuestos,
es necesario que intervenga la energía necesaria para que puedan formarse puentes de
enlace entre diferentes átomos. Los investigadores proponen que parte de esa energía
fue tomada de la radiación solar, y que este proceso puede haber sido complementado con
la energía en forma de calor, proporcionada por las erupciones volcánicas y los manantiales
de agua hirviente, así como por la energía eléctrica proveniente de las descargas durante
las tormentas.
Estas bases: la síntesis química a partir del metano,
amoniaco y agua, y la utilización de fuentes de energía a
partir del Sol, de las tormentas eléctricas o del centro de
la Tierra, como sabemos, llevaron a Oparin y a Haldane a
postular su teoría sobre la Evolución Química.
Oparin
Haldane
Sus especulaciones tuvieron básicamente fundamentos de tipo teórico, pero sirvieron
de base para que muchos investigadores iniciaran una espectacular búsqueda: la síntesis de
formas de vida a partir de la reproducción de las condiciones primarias propuestas por
Oparin y Haldane.
Como hemos visto, los pioneros en esta expedición hacia la
síntesis prebiótica fueron Stanley L. Miller y Harold C. Urey.
En 1953 investigando el origen y comportamiento de la
atmósfera terrestre y con base en algunos de los elementos
postulados por Oparin, Miller y Urey decidieron "reproducir"
las condiciones de la atmósfera primitiva en el laboratorio,
utilizando un dispositivo con un gran matraz para simular la
Tierra y electrodos para producir descargas eléctricas que
Stanley Miller
imitaran los relámpagos de las tormentas primitivas.
En el matraz colocaron una mezcla a partir de los cuatro gases sugeridos por Oparin
(hidrógeno, metano, amoniaco y vapor de agua), a la que "bombardearon" con descargas
eléctricas de 60 mil voltios.
Después de varios días de observación Miller pudo advertir que la mezcla del matraz
que simulaba la Tierra había adquirido un intenso color anaranjado, muy distinto al color
inicial. Al analizar químicamente el contenido encontró que se habían sintetizado algunos
aminoácidos, que son las unidades de construcción de las proteínas.
Con sus experimentos Miller pudo probar que es posible sintetizar ciertos compuestos
bioquímicos (orgánicos) a partir de compuestos no orgánicos en condiciones prebiológicas.
El reporte de sus investigaciones apareció en 1953 en la revista Science, con el título
"Producción de aminoácidos en condiciones que hubieran sido las de la Tierra primitiva".
Con él abrió una nueva ruta para la investigación, demostrando que era probable la síntesis
de compuestos orgánicos a partir de inorgánicos en condiciones prebióticas; en otras
palabras, pudo probar que se podía sintetizar materia que constituye la vida a partir de
materia no viva, mediante procesos "espontáneos".
Una vez más, la idea de que la vida pudo haberse formado espontáneamente, entra de
nuevo en escena.
Sin embargo, en este nuevo planteamiento hay una diferencia
fundamental. Al proponer que la vida puede tener un origen no vivo a través de un proceso
espontáneo, no se está planteando que este proceso espontáneo puede producir vida en
cualquier momento, y menos aún, vida organizada como la que presenta una mosca o un
ratón.
Hablar ahora de “formación espontánea” de vida hace referencia a la síntesis de
sistemas vivos en condiciones prebióticas, en el ambiente de la Tierra primitiva. Este
planteamiento no supone que es posible crear vida de manera espontánea, ahora, en las
condiciones actuales de la Tierra, y tampoco propone que la vida se formó
espontáneamente en la forma de sistemas organizados sino como sistemas orgánicos
simples que fueron evolucionando.
A partir de los trabajos de Miller, son miles los investigadores que se han dedicado a
probar uno u otro aspecto de la teoría propuesta por Oparin.
Todos estos investigadores tienen un gran reto: reproducir y hacer que ocurran una
serie de cambios que pudieron haber tomado millones de años, en unos cuantos meses,
dentro de un laboratorio.
La búsqueda iniciada un tanto a ciegas al principio, cuenta hoy con un gran número de
datos y evidencias que dan idea de las condiciones que prevalecieron en la Tierra primitiva;
sin embargo, encontrar las secuencias o definir los eslabones entre unas moléculas y otras,
son retos todavía de grandes dimensiones para los investigadores.
La exploración del origen de la vida
A partir de los trabajos de Miller los científicos han tratado de probar algunos
aspectos utilizando diferentes fuentes de energía y diferentes compuestos básicos. Con
sus experimentos han podido aportar algunas bases, como:
ƒ La Tierra primitiva estaba completamente cubierta por agua o al menos presentaba un
ambiente húmedo que pasaba por periodos alternados de sequía y humedad.
ƒ
ƒ
ƒ
Las fuentes de energía además de la solar, estaban representadas por las tormentas
eléctricas, las erupciones volcánicas, la desintegración radiactiva y la geotermia.
La temperatura en promedio oscilaba alrededor de los 150 ºC.
El ambiente era preferentemente reductor, con presencia de altas concentraciones de
hidrógeno.
A partir de estas condiciones los científicos se dieron a la tarea de buscar respuesta a
diferentes incógnitas que tienen que ver básicamente con:
♦ ¿Cómo se formaron las primeras unidades sencillas?
♦ ¿Cómo se integraron esas unidades sencillas para formar sistemas moleculares más
complejos como los polímeros?
♦ ¿Cómo se organizaron los primeros sistemas autónomos que dieron lugar a las primeras
células?
UREA
ÁCIDO GRASO
En esa búsqueda, Melvin Calvin de la
Universidad de California utilizó por primera
vez el ciclotrón para “reproducir” la radiación
ionizante originada por la desintegración de
elementos radiactivos y probar si esta fuente
de energía podía inducir la formación de
ciertos compuestos bioquímicos. Más tarde
utilizó carbono marcado en la molécula de
metano, y al someter la mezcla a un flujo de
electrones impulsados a gran velocidad por el
ciclotrón, obtuvo la síntesis nuevamente de
aminoácidos –ya obtenidos antes por Millerademás de urea y ácidos grasos
Sidney W. Fox ha logrado sintetizar casi
todos los aminoácidos conocidos a partir de
metano, amoniaco y vapor de agua con
temperaturas sostenidas de alrededor de
1000 ºC. Por otra parte, la adenina fue
obtenida por J. Oró en la Universidad de
Houston, al hacer reaccionar el ácido
cianhídrico (HCN) con el amoniaco en agua,
y calentando a 90 ºC por 24 h. Como se
recordará,
este
compuesto
es
especialmente
importante,
ya
que
interviene en la composición de moléculas
vitales como el ATP y los ácidos nucleicos.
La adenina y ciertos azúcares pudieron
ser obtenidos utilizando el ciclotrón y
ciertos
compuestos
base:
el
ácido
cianhídrico, el amoniaco y agua, tal como lo
hicieron Cyril Ponnamperuma y Melvin Calvin
en los laboratorios de exobiología de la
NASA. Con este tipo de experiencias fue
posible determinar que el formaldehído y el
ácido cianhídrico son piezas claves para la
síntesis de los primeros compuestos.
ATP
ADENINA
CITOSINA
GUANINA
TIMINA
El ácido cianhídrico (CHN) es muy tóxico y se utiliza actualmente como asfixiante,
mientras que el formaldehído (CH2O), al mezclarlo con agua se utiliza como formol para la
conservación de órganos.
Sometiendo ácido cianhídrico a radiaciones ultravioleta durante una semana, C.
Ponnamperuma pudo obtener además de adenina, la guanina, que es otra de las moléculas
fundamentales de los sistemas vivientes. Posteriormente obtuvo también por el mismo
método, ribosa y desoxirribosa.
Hasta aquí los investigadores habían ensayado con éxito la síntesis de moléculas simples
(monómeros) que intervienen en la construcción de moléculas complejas.
Hacia 1980 Noam Lahan de la Universidad Hebrea de Rehovot (Israel) produjo cadenas
hasta de 30 aminoácidos (péptidos) a partir de glicina (aminoácido elemental) en presencia
de arcilla, sometida alternadamente a condiciones de humedad y sequía.
En el Salk Institute de San Diego (EUA) Leslie Orgel y R. Lohrman obtuvieron mediante
métodos semejantes, la síntesis de cadenas cortas de nucleótidos (oligonucleótidos)
capaces de intervenir en la síntesis de cadenas más largas.
Con estas experiencias se pudo establecer que las condiciones alternadas de humedad y
sequía, así como la presencia de arcillas pudieron ser condiciones fundamentales para la
formación de las primeras moléculas complejas.
La síntesis de moléculas complejas
Las preguntas que han surgido ahora tienen mucho más que ver con la forma en que esos
primeros sistemas biológicos simples pudieron organizarse para establecer sistemas más
complejos. Saber cómo pudieron crecer, aislarse, utilizar la energía solar y reproducirse
esas moléculas son los enigmas que ocupan al científico en la actualidad.
Como producto de la síntesis de moléculas sencillas en receptáculos y fisuras donde se
acumulaban arcillas, agua y compuestos químicos, se formaron los primeros sistemas
moleculares como parte de un gran proceso global sobre la Tierra. Estas sustancias
concentradas en medios acuáticos conformaron lo que Haldane llamó “caldo primitivo o
primigenio”, que constituyó un nuevo estado sobre la Tierra.
El agua, al actuar como solvente universal, ayudó a que se llevaran a cabo las reacciones
de síntesis, favoreciendo los encuentros entre las diferentes moléculas y, con ello, las
reacciones que podían ocurrir entre éstas. Los diferentes compuestos presentan en su
estructura química algunas zonas que actúan como grupos funcionales mediante los cuales
reaccionan para formar otro tipo de compuesto. Toda vez que las moléculas no pueden
reaccionar entre sí de manera desordenada sino que lo hacen de forma específica (sólo
ciertas moléculas se pueden unir específicamente a otras), los encuentros entre moléculas
afines debieron ser muy azarosos y escasos, por ello, pronto debieron haber aparecido
algunos sistemas moleculares que facilitaran esas reacciones.
La necesidad de que en los primeros momentos se formaran sistemas que catalizaran las
reacciones, se ve como una condición prioritaria para que la síntesis química pudiera
prosperar.
Según muchos investigadores, el desarrollo de sistemas químicos primitivos que
empezaran a cumplir una función parecida a la que en la actualidad se reconoce a las
enzimas, se considera una necesidad fundamental.
Esta tarea pudieron haberla
desempeñado algunos iones metálicos que permitieran orientar ciertas moléculas
presentes en el agua para formar moléculas más complejas.
Se considera que
determinados iones de magnesio, calcio o cobre presentes en el agua pueden desempeñar
esa función.
Las arcillas, arenas o lava pueden actuar como superficies activadoras para la
condensación de cadenas de aminoácidos, tal como ha podido ser demostrado
experimentalmente por algunos investigadores como Lahan y Katchalsky, en la década de
los años setenta.
Los aminoácidos como unidades estructurales de las proteínas tienen una gran capacidad
para formar largas y complejas cadenas. La unión simple de aminoácidos en condiciones
abióticas, ha llevado a la síntesis experimental de cadenas primitivas a las que S. Fox dio el
nombre de protenoides, las que obtuvo a partir del calentamiento de una mezcla de
aminoácidos.
Para Fox algunos tipos de protenoides tienen una débil función catalítica y pueden ser
considerados los precursores de las enzimas actuales.
Con respecto al origen de las proteínas existen varias teorías, unas plantean que éstas
se originaron por la acumulación y acoplamiento de diferentes aminoácidos, otras suponen
que se formaron por conjuntos a partir del ácido cianhídrico. En cualquier caso, los
investigadores coinciden en que las primeras proteínas, muy simples, sirvieron como
soporte o esqueleto sobre el cual se fueron acoplando otro tipo de moléculas,
confiriéndoles funciones específicas a las proteínas.
A medida que las proteínas se fueron haciendo más complejas por la incorporación de
nuevas moléculas fueron adquiriendo nuevas formas en el espacio, torciéndose sobre sí
mismas y dando lugar a una estructura enrollada a manera de resorte, que puede llegar a
complicarse hasta formar un glóbulo, por los diferentes puentes químicos que pueden
establecer unos aminoácidos con otros.
La estructura de la proteína puede complicarse por la unión que establecen los aminoácidos de un sitio con los de otro,
obligando a la cadena a torcerse y formar en ocasiones, verdaderas tramas o glóbulos.
En ciertas zonas se unen aminoácidos que están asociados a moléculas que desempeñan
funciones muy específicas; de esta forma, las proteínas pueden presentar sitios activos
que despliegan una mayor actividad catalítica.
Investigadores como Carl Sagan y Cyril Ponnamperuma
sometieron a radiación ultravioleta una mezcla de agua, ribosa,
adenina y ácido fosfórico y obtuvieron adenosina, a la que más tarde
irradiaron nuevamente y obtuvieron pequeñas cantidades de ATP,
molécula base de los procesos metabólicos celulares.
Posteriormente Ponnamperuma pudo obtener en condiciones de
laboratorio todos los nucleótidos que componen a los ácidos
Carl Sagan
nucleicos.
Tomando las cuatro bases nitrogenadas que intervienen en la composición del ADN,
reproduciendo las condiciones que se cree que tenía la Tierra primitiva y simulando los
ciclos de humedad/sequía en medios ricos en iones metálicos de zinc y plomo, Leslie Orgel
y sus colaboradores (1980) pudieron formar cadenas de nucleótidos de más de 30
unidades. Además, estos investigadores pudieron demostrar que estas cadenas de
nucleótidos podían incorporan nuevas moléculas y, con ello, crecer.
Esta cualidad ha permitido a los investigadores plantear el desarrollo de una especie de
"memoria" molecular que pudo haber sido antecedente de la capacidad de autonomía que
desarrollaron más tarde los sistemas biológicos.
En este sentido, el trabajo de Orgel sólo ha conducido al crecimiento de las moléculas,
pero éste ha sido sólo un incremento en el tamaño, sin ningún orden o secuencia
preestablecidos. Hasta ahora no ha podido intuirse la forma en que las primeras moléculas
pudieron ser capaces de crecer conservando su misma naturaleza, es decir, crecer bajo un
código que regulara y controlara ese crecimiento.
El esquema nos muestra la línea de síntesis utilizada por Sagan y Ponnamperuma para obtener ATP
La autocatálisis
Sabemos que las reacciones químicas pueden ser catalizadas mediante una serie de
factores ajenos a ellas. El calor, la luz y otros compuestos químicos pueden actuar como
catalizadores acelerando o inhibiendo una reacción química. No obstante, se sabe que
algunas moléculas son capaces de catalizar sus propias reacciones, es decir, de
autocatalizarse. Tal es el caso de las porfirinas, que se producen por la reacción de la
glicina (aminoácido esencial) y el ácido succínico. Estas moléculas forman pequeñas
unidades que pueden unirse unas con otras formando macromoléculas, pero que pueden
romperse y, a partir de sus unidades, iniciar la síntesis de nuevas macromoléculas.
Este proceso de autocatálisis puede observarse también en la molécula de ARN, cuyas
moléculas pueden acelerar su propia formación a partir de piezas sueltas o nuevas
unidades de construcción. Según este planteamiento, algunos investigadores plantean que
la reproducción se generó antes que se formaran los mismos organismos.
La capacidad que tienen ciertos elementos para unirse con otros de diferentes maneras
es decir, mediante enlaces de diferentes tipos, es una de las cualidades de la materia más
importantes para explicar la formación de los sistemas biológicos. La posibilidad de que el
carbono se una mediante enlaces sencillos, dobles y triples, abre una gran posibilidad para
que este elemento constituya largas cadenas, de naturaleza muy estable.
Esta propiedad la comparten en mayor o menor medida otros elementos donde se
encuentran el nitrógeno y el oxígeno, y en menor escala el azufre y el fósforo.
Curiosamente, todos ellos tienen un papel preponderante en la estructura de la materia
viva.
El movimiento que pueden tener los electrones dentro de las nubes que se forman en los
sitios de enlace, según la estructura que se forma en la molécula puede ser de dos maneras
diferentes:
• Fluyendo a lo largo de la línea, cuando los enlaces de la molécula le dan una
estructura lineal o ramificada; o
• Fluyendo en círculo, como un circuito cerrado, en moléculas cuyos enlaces le dan
forma de anillos, como los que se establecen en las purinas o las pirimidinas.
Los sistemas moleculares lineales pueden permitir el flujo de electrones y conducir
energía o información de un sitio a otro sin que se pierda la estructura o naturaleza de la
molécula.
Para algunos investigadores, la estructura molecular de los compuestos, sobre todo la de
tipo conjugado, ofrece las cualidades necesarias para explicar más tarde la formación de
complejos celulares que desempeñan funciones tan complejas y especializadas como la
trasmisión nerviosa que llevan a cabo las neuronas.
La capacidad de autodelimitarse
Podemos observar que muchos compuestos tienen gran afinidad por el agua y se mezclan
o disuelven en ella con gran facilidad (hidrófilos), mientras que otros no se comportan de
la misma manera (hidrófobos). Sin embargo, existen algunos compuestos que presentan
ambas cualidades (anfipáticos); es decir, parte de su molécula es hidrófila y la otra parte
es hidrófoba. Los aceites presentan una cara de su molécula que contiene glicerol y tiene
gran afinidad por las moléculas de agua, mientras que la otra cara, formada por ácidos
grasos es hidrófoba.
Las moléculas de lípidos en el agua tienden a formar estructuras globulares toda vez
que la parte hidrófobo de la molécula se va hacia el centro mientras que la hidrófila queda
expuesta al agua de la manera que se representa en la figura.
Representación esquemática de un lípido en agua. La cabeza hidrófila se orienta hacia el agua, mientras que la cola hidrófoba
se aleja o aísla de ella.
Debido a las diferentes cadenas laterales de los aminoácidos que las componen, las
proteínas pueden presentar estas dos posibilidades, y por su compleja estructura pueden
acomodarse formando laminillas, como aparece en el siguiente esquema, donde las
moléculas se organizan, unas para huir del agua, en tanto que otras son atraídas por ésta.
La afinidad y la fobia al agua se consideran
cualidades importantes de los primeros sistemas
moleculares ya que les permitió delimitarse o
diferenciarse del medio circundante y empezar a
formar
verdaderos
sistemas
moleculares
autónomos. Así, la diferencia entre el medio
interno y el externo -con respecto al, sistema
molecular- pudo empezar a definirse.
La organización de la materia viva.
Cuando pensamos en la formación de moléculas, casi de manera natural viene a nuestra
mente la idea de que éstas se pueden formar y desintegrar a la misma velocidad. En la
mayoría de procesos que ocurren en la naturaleza existen fuerzas que hacen que gran
parte de las reacciones sean total o parcialmente reversibles.
Si esto fuera una ley general aplicable a todo tipo de moléculas bajo cualquier
circunstancia, habría sido muy difícil que la materia viva hubiese ido adquiriendo
complejidad. Sin embargo, parece que esto sí fue así, se cree que a partir de moléculas
sencillas fueron formándose sistemas cada vez más complejos que conservaban su
integridad y estructura. Esta conservación de la complejidad sólo pudo haber sido posible
si los sistemas moleculares hubieran desarrollado cierta estabilidad dinámica. Esta
estabilidad pudo haberse originado a partir de cualidades, como:
ƒ
ƒ
ƒ
La capacidad para establecer enlaces múltiples que dan forma compleja a las moléculas,
como ocurre en las proteínas.
La formación de moléculas con cualidades catalizadoras que ayudaran a la síntesis de
varios tipos de moléculas, de manera que el proceso de formación de éstas fuese más
rápido y frecuente que el de destrucción.
Los procesos de catálisis y autocatálisis pudieron dejar de actuar de manera aislada
para integrarse a ciclos o redes, dando con esto mayor estabilidad a los procesos
metabólicos y a la formación de moléculas cada vez más complejas.
Las organizaciones previvientes
Es difícil aceptar que los diferentes tipos de moléculas se hayan formado y
perfeccionado de manera independiente; es más fácil pensar que se hayan integrado
dentro de pequeños sistemas que evolucionaron de manera coordinada con otras moléculas.
De esta forma se postula que las moléculas no se distribuyeron de manera homogénea en el
caldo primitivo propuesto por Haldane, sino que fueron formando conglomerados
moleculares.
Estos conglomerados, según la hipótesis de Oparin, dieron lugar a los coacervados o a
las microesférulas según Fox. Los coacervados pudieron haberse formado tomando como
base la cualidad que tenían ciertas moléculas para crecer, incorporando nuevas moléculas a
su estructura.
Así, durante el proceso de coacervación las moléculas dejaron de distribuirse
homogéneamente en el medio y formaron conglomerados en ciertos sitios. Este fenómeno
ha podido reproducirse en condiciones de laboratorio, donde es posible sintetizar este
tipo de coacervados con relativa facilidad, disolviendo algún tipo de proteína (como
albúmina de huevo o gelatina) en agua y agregando goma arábiga y unas gotas de ácido
clorhídrico. Esta mezcla se agita y después se deja reposar, y rápidamente aparecen en
ella las formaciones moleculares típicas de un coacervado.
Por su parte, como ya hemos visto, Fox pudo sintetizar protenoides en el laboratorio,
pero sus experimentos fueron más allá, pues al colocar cierta cantidad de éstos en agua
salina y tibia (como suponía que debió ser en los mares primitivos), formó pequeñas
esférulas proteínicas a las que denominó microesférulas o microesferas. Al observarlas al
microscopio, advirtió que su aspecto era muy parecido al de las bacterias y que
presentaban una doble membrana característica.
Los coacervados propuestos por Oparin y las microesferas de Fox se han podido
obtener en condiciones de laboratorio. Los primeros tomando como materia prima
proteínas de origen biológico y, las segundas, a partir de protenoides de origen abiótico.
Los coacervados y las microesferas presentan cierto nivel de organización que les da
individualidad y cierta independencia con respecto al medio; sin embargo, son incapaces de
manejar la energía de manera dinámica.
La posibilidad de que a partir de aminoácidos se puedan formar rápidamente
protenoides, y éstos puedan organizarse en microesferas ha dado esperanzas a los
investigadores para continuar en esta búsqueda y obtener más conocimientos acerca de
cómo pudieron evolucionar esos sistemas moleculares hasta formar los protobiontes.
Los protobiontes han sido definidos como los sistemas anteriores a los primeros seres
vivos. Más evolucionados y complejos que las microesferas, con capacidad para manejar la
energía, y menos organizados que los primeros organismos.
Estos protobiontes, llamados por algunos autores como microgotas, debieron tener
entre sus cualidades:
ƒ
ƒ
ƒ
Poseer una estructura propia diferente a la de otros tipos de sistemas moleculares.
Llevar a cabo intercambio selectivo de moléculas con el medio; es decir, no cualquier
molécula debía poder entrar o salir del sistema.
Este intercambio selectivo debió tener como condición que los protobiontes tuviesen
una buena definición o delimitación entre el medio interno y el externo. Las reacciones
que podían ocurrir dentro no tenían por qué ser iguales a las de fuera y viceversa.
Todo esto podía ser posible si las microgotas se
consideran ya como sistemas independientes y bien
delimitados del medio exterior. Las microgotas así
formadas debieron desarrollar ciertas capacidades
para proliferar y permanecer aun cuando el medio
cambiara drásticamente. De seguro algunas
microgotas desaparecieron por estos cambios
mientras otras pudieron permanecer y formar otras
semejantes. Según se ha podido probar en el
laboratorio, las microesferas sintetizadas por Fox
han mostrado una gran capacidad para resistir las
Micoesferas
variaciones del medio y permanecer sin alteraciones
importantes.
Estas microgotas debieron llevar a cabo constantes intercambios moleculares con el
medio, de manera que muchas moléculas semejantes a las que existían en el interior de los
protobiontes pasarían sin mucha dificultad a través de una membrana primitiva. De esta
manera, las microgotas se establecieron como sistemas en constante intercambio de
energía y materia con el exterior, es decir, como sistemas abiertos.
Para algunos investigadores este tipo de planteamientos permite considerar que los
heterótrofos (organismos que requieren materia orgánica ya elaborada para sostener su
metabolismo) aparecieron antes que los autótrofos o fotosintéticos.
Muchos científicos creen que los heterótrofos aparecieron con anterioridad a los
autótrofos en la escena de la Tierra primitiva.
Dentro de las microgotas tuvieron que llevarse a cabo diferentes tipos de reacciones.
Probablemente también ciertas microgotas llevaban a cabo reacciones diferentes a las del
resto. Así, es posible que las microgotas como sistemas se fueran diferenciando unas de
otras, especializándose en cierto tipo de reacciones.
Para que las microgotas pudiesen conservar su estructura fue necesario que
desarrollaran funciones para el manejo de la energía (conservación), de manera que el flujo
de materia y de energía se llevara a cabo sin alterar la propia naturaleza del sistema.
Los protobiontes que eran capaces de introducir materia del exterior, transformarla y
eliminarla sin alterar su propia estructura debieron dominar el medio, ya que los que tenían
dificultades para hacerlo, desaparecieron.
Para explicar la evolución que debieron sufrir los sistemas precelulares (desde el nivel
de coacervados o microesferas hasta protobiontes) se utiliza el concepto de selección
natural introducido a partir de la teoría de la evolución: los sistemas precelulares capaces
de interactuar con el medio sin perder su naturaleza debieron tener ventaja para
permanecer y originar nuevos sistemas similares. La selección natural se introduce como un
concepto para explicar la derivación de sistemas prebiológicos
El origen de las principales funciones vitales
A partir de la formación de los sistemas precelulares, en los océanos primitivos
debieron proliferar protobiontes en todas partes; continuamente estarían formándose y
desintegrándose, y abriendo paso a aquéllos que pudieran "administrarse" mejor en el
medio.
Para que estos sistemas pudieran evolucionar y dar origen a los primeros sistemas
vivientes tuvieron que ocurrir ciertos procesos, entre los que podemos mencionar:
ƒ
ƒ
ƒ
Desarrollo de capacidades para poder capturar, transformar y liberar la energía.
Desarrollo de capacidades metabólicas para controlar las reacciones químicas que
ocurrían en el interior de los sistemas.
Desarrollo de sistemas moleculares que controlaran la producción de nuevas moléculas
de acuerdo con un "patrón o modelo" preestablecido.
Para desarrollar el primer tipo de funciones los protobiontes debieron "aprender" a
utilizar la energía de activación (energía necesaria para llevar a cabo una reacción)
proporcionada por el calor circundante; es decir, cuando la temperatura del medio se
elevaba seguramente facilitaba o agilizaba el desarrollo de las reacciones. No obstante,
cuando el medio sufría un incremento excesivo de temperatura las reacciones podían
inhibirse y aun, frenar o destruir todo el sistema. Los protobiontes tuvieron que
desarrollar sistemas catalíticos o enzimáticos para que las reacciones pudieran llevarse a
cabo con independencia de la temperatura ambiental.
Las moléculas de glucosa y de ATP pudieron ser las primeras que interactuaran para
regular el manejo de la energía en los sistemas primitivos. El ATP podía activar la molécula
de glucosa y ésta podría facilitar a su vez la síntesis de ATP, pero con el concurso de otro
tipo de compuestos: las enzimas.
Un proceso metabólico que contempla este tipo de transformaciones es la fermentación.
En él la glucosa se transforma en otro tipo de compuestos (alcoholes o ácidos), liberando
calor y anhídrido carbónico.
En este momento es importante hacer notar que el proceso de fermentación puede
llevarse a cabo incluso sin la presencia de algún ser vivo, con tal de que en el medio se
cuente con todas las enzimas que catalizan las reacciones, y el azúcar correspondiente.
Por ello se considera que la fermentación pudo haber empezado a ocurrir en los océanos
primitivos sin la formación aún de algún organismo primitivo.
La fermentación es un proceso que se realiza de manera idéntica, como se recordará, a
la glucólisis anaeróbica, ya que se realiza en ausencia de oxígeno libre, por lo que se
argumenta que este proceso metabólico pudo haber surgido en la Tierra primitiva cuando
no había aún oxígeno libre en el medio circundante. Los productos de la fermentación, que
pueden ser tóxicos para muchos sistemas organizados, deben haberse ido acumulando en el
medio y constituir un sustrato nocivo para otros protobiontes. Los procesos evolutivos de
los protobiontes pueden haber conducido a que algunos de éstos fuesen capaces de
realizar la fotosíntesis y la respiración, y de esa manera poder permanecer sobre la
Tierra.
En las series de reacciones que ocurren en estos procesos metabólicos es importante la
sincronización para que cada cambio ocurra dentro de una secuencia bien definida. Las
enzimas se encargan de apresurar, sincronizar y regular los conjuntos de reacciones.
Las enzimas que se conocen actualmente son sistemas moleculares altamente
especializados que pueden "reconocer" y actuar sobre moléculas muy bien definidas.
La forma en que esto ocurre se atribuye al manejo de ciertas cualidades moleculares
tanto del sustrato como de la enzima, que establecen una especie de lenguaje molecular
que facilita la interrelación.
Se dice que las enzimas "reconocen" la forma de la molécula sobre la que deben actuar,
dado que llevan una especie de "memoria" molecular en su sitio activo. Cuando ese sitio
activo localiza una forma en el sustrato que complementa con la que lleva en su memoria, se
acomoda sobre él y puede actuar sobre la molécula sustrato; así, tanto el sitio activo de la
enzima como el sitio donde actúa en el sustrato se complementan para dar origen a un
sistema de interacción. A este modelo se le conoce también como el de llave-cerradura.
Las enzimas ofrecen a los sistemas vivientes la posibilidad de llevar a cabo reacciones
en tiempos mínimos; mediante estas reacciones es posible que se lleve a cabo el
metabolismo sin alterar en forma drástica las condiciones internas.
Los sistemas que poseen mecanismos catalizadores eficientes compiten con ventaja con
aquellos que no los tienen, y esto da origen a la evolución de los seres vivientes. En el
tiempo prosperarán sólo los seres que disponen de sistemas enzimáticos eficaces.
El control de la producción de nuevos sistemas moleculares
La necesidad de disponer de patrones o esquemas básicos para controlar la producción
de nuevas moléculas es la base tanto del metabolismo de los seres vivos, así como de su
formación o su reproducción.
Los seres vivos, como los conocemos, deben ser capaces de utilizar un patrón o plan
maestro que haga que todo lo que se construya dentro del organismo, tenga la estructura y
apariencia del mismo gen Una célula epitelial de las que recubre la tráquea no podría
"darse el lujo" de formar estructuras quitinosas como las que dan cuerpo a las uñas, sin
poner en peligro la existencia misma del organismo. Todos los seres vivos deben disponer
de patrones que les permitan controlar la construcción y reparación de estructuras, así
como la formación de nuevos sistemas semejantes.
La única forma de que una gata dé a luz gatitos y una mujer niños, depende de la
existencia de un patrón o código genético que regula y controla la síntesis de nuevas
moléculas.
Esta función de regulación debió aparecer relativamente pronto dentro de los
protobiontes, pues cumpliría las funciones de coordinación indispensables para que estos
sistemas pudieran conservarse y perpetuarse en el tiempo.
Se han realizado importantes investigaciones para conocer cómo los primeros sistemas
pudieron desarrollar ciertas formas de autorregulación. Arthur L. Kornberg logró la
autorreplicación de la molécula de ADN en el laboratorio, utilizando ADN bacteriano,
enzimas, ATP y nucleótidos que intervienen en la estructura del ácido nucleico. Otros
investigadores como Marshall W. Nirenberg y S. Spiegelman llevaron a cabo experimentos
equivalentes utilizando ARN.
Este tipo de experimentos ha permitido visualizar la posibilidad de que se puedan
sintetizar ácidos nucleicos fuera de las células; sin embargo, a fin de que el ácido nucleico
sintetizado sea funcional es necesario tener un 'molde' de ADN o ARN biológico. Existe
un caso interesante en cuanto a síntesis de ARN sin necesidad de molde, que es el de la
enzima polinucleótido fosforilasa proveniente de la bacteria Escherichia coli, que puede
unir al azar ribonucleótidos formando cadenas de ARN sin función biológica debido a que la
secuencia es totalmente aleatoria. Por dicha característica, esta enzima fue usada en las
investigaciones sobre el código genético. A pesar de lo anterior, no se ha hallado evidencia
de la presencia de esta enzima en el caldo primitivo.
La pregunta acerca de ¿qué fue primero, las proteínas o el patrón para elaborarlas?
tiene una aproximación de respuesta con los descubrimientos de Thomas R. Cech y Arthur
J. Zaug de la Universidad de Colorado (EUA), quienes mostraron que la molécula de ARN
puede desempeñar dos funciones vitales: constituir el modelo o soporte para la
construcción de proteínas e intervenir como enzima para su propia transformación
(autocatálisis).
Antes de 1986 se creía que sólo las enzimas, que son proteínas, eran capaces de actuar
como catalizadores sobre otras moléculas; a partir de los estudios de Cech y Zaug se
planteó que el ARN también lo puede hacer.
Walter Gilbert profundizó en esos estudios y encontró que son varias las funciones que
puede catalizar el ARN y denominó "ribozima" al ARN capaz de catalizar reacciones y que
pudo haber intervenido en los procesos primitivos de autorregulación.
Con base en los estudios realizados sobre la ribozima, los investigadores proponen que:
Durante la formación de las microesferas o los coacervados, dentro de los sistemas
moleculares se incorporaron algunos fragmentos sencillos, probablemente más simples
que los de ARN actuales, que empezaron a actuar simultáneamente con otras moléculas
en funciones de autocatálisis.
ƒ Los sistemas moleculares fueron creciendo, diversificándose y originando nuevas
combinaciones moleculares. En esas largas cadenas de moléculas se pudieron ir
"encontrando" diferentes fragmentos de ARN autocatalizador, que llegó a formar
secuencias.
Estas primeras secuencias podrían haber empezado a coordinar la síntesis de otras
cadenas moleculares, las cuales podrían seguir el patrón preestablecido en ese ARN
primitivo.
ƒ El funcionamiento de ese ARN pudo contribuir a que las combinaciones y formaciones
de moléculas al azar fueran reduciéndose y en su lugar, se formaran nuevas moléculas
de acuerdo con un patrón preestablecido.
ƒ La formación de moléculas de ADN acorde con este planteamiento, debió ser posterior
a la formación de ARN, ya que éste último pudo haber sido el molde o patrón primario
para la formación del ADN.
ƒ Posteriormente, el ARN fue relegado a la función de intermediario en la síntesis de
proteínas que realiza actualmente.
La pregunta ¿qué fue primero, las enzimas o los ácidos nucleicos? podría tener una
respuesta en el ARN, ya que puede cumplir algunas funciones a ambos niveles.
El origen del código genético puede ser resultado de múltiples relaciones e
interacciones entre el ARNm, que desempeñaba funciones dentro de las mismas
microgotas.
A partir de la formación prebiótica de los ácidos nucleicos, algunos investigadores
sostienen la evolución se llevó a cabo por mutaciones (alteración en las secuencias
moleculares de estos ácidos) y por selección natural. Otros opinan que lo que evolucionó
fue la capacidad de manejo de la energía (autoconservacion), perfeccionando los sistemas
de interrelación entre ARN, proteínas y ADN.
ƒ
El posible origen de la fotosíntesis
Estromatolitos. Fósiles de colonias de microorganismos fotosintéticos que guardan gran parecido con las cianofíceas actuales.
(Shark, Australia)
Los primeros sistemas heterótrofos en corto tiempo agotaron las reservas de materia y
energía disponibles para su desarrollo, y dieron paso a otros sistemas capaces de elaborar
sus propios materiales. Estos organismos tuvieron que ser capaces de sintetizar
compuestos complejos a partir de la energía disponible y las moléculas simples presentes
en el medio.
Los productos de la fermentación (anhídrido carbónico, alcoholes y ácidos) fueron
abundantes en el caldo primitivo. Por otra parte, la luz era un recurso de energía presente
en toda la superficie de la Tierra.
Mediante el desarrollo de la fotosíntesis el exceso de anhídrido carbónico se empezó a
utilizar y las cantidades de glucosa que se habían reducido considerablemente, pudieron
volverse a incrementar como producto de la fotosíntesis.
No hay que olvidar que uno de los productos de la fotosíntesis es el oxígeno, que al
empezar a concentrarse en el medio circundante debió ocasionar cambios muy drásticos en
la atmósfera primitiva.
En presencia de las radiaciones ultravioleta el oxígeno puede formar ozono, que ahora
constituye una importante capa a 30 kilómetros de la superficie terrestre que filtra las
radiaciones solares y nos protege de la acción letal de los rayos ultravioleta.
Con el desarrollo de la fotosíntesis los protobiontes ya no tuvieron que depender de la
materia existente sino que fueron capaces de sintetizarla, lo que les dio gran
independencia y, con ello, mayores probabilidades de permanecer.
Como consecuencia de la organización de sistemas que pudieran fijar el nitrógeno
atmosférico e incorporarlo en la síntesis de proteínas (a la manera que hoy lo realizan
cierto tipo de bacterias), varias de las funciones vitales empezaron a ser posibles.
Por la integración de reacciones químicas empezó a ser posible que ciertos sistemas
pudieran utilizar la radiación luminosa para transformar el anhídrido carbónico en azúcares
y el nitrógeno para la formación de proteínas. Por otra parte, los productos de la
fermentación con la aparición de oxígeno libre en la atmósfera sufrieron una importante
transformación y permitieron la reintegración de materia al sistema general de la Tierra.
El desarrollo de la respiración como un proceso de combustión lenta permitió obtener el
máximo provecho de la molécula de glucosa, produciendo o reintegrando al ambiente
dióxido de carbono y agua.
La respiración pudo actuar sobre los residuos de la fermentación, es
decir, los fragmentos de tres carbonos que habían quedado de la
desintegración parcial del azúcar (ácido pirúvico) para degradar por
completo a la molécula de glucosa y obtener así el máximo rendimiento
en energía.
La interacción entre fermentación, respiración y fotosíntesis
aseguró el proceso de autoconservación del gran sistema que empezaba ÁCIDO PIRÚVICO
a establecerse sobre la superficie terrestre.
Al cubrirse las funciones de autorregulación mediante el desarrollo de un código
genético, las de conservación mediante mecanismos de captura, transformación y
liberación de energía representados por la fermentación, fotosíntesis y la respiración, y
los mecanismos de reproducción con la formación de sistemas moleculares regulares, se
pudo disponer de los medios necesarios para la formación de los primeros seres vivos.
La posterior formación y evolución de la estructura celular, es decir, la diferenciación o
formación de organelos como las mitocondrias, los cloroplastos, los cromosomas, o la
presencia de membrana nuclear en los eubiontes, son procesos que se han explicado de
diversas maneras.
Algunos investigadores proponen que son producto de la
evolución de los sistemas precelulares, que los
protobiontes (sin membrana nuclear o sin núcleo bien
definido) son antecesores de los eubiontes (con núcleo
bien definido). No obstante, otros investigadores como
Lynn Margulis proponen una teoría diferente.
La endosimbiosis es el proceso mediante el cual Margulis explica cómo es que ciertas
células llegaron a tener estructuras específicas como las que hoy conocemos. Para esta
investigadora las mitocondrias, los cloroplastos y los cromosomas son sistemas que se
organizaron y evolucionaron de manera paralela, y que en algún momento dentro de la
evolución se asociaron para dar lugar a una simbiosis.
El esquema de la derecha presenta tres
líneas de evolución propuestas por
Margulis para explicar el origen de: las
mitocondrias, los cloroplastos y los cilios.
La vida surgió en las fuentes hidrotermales del fondo del marino.
Las fuentes hidrotermales son uno del los medios más hostiles que se conocen, se
caracterizan por tener temperaturas entre 300 y 400ºC e importantes concentraciones
de H2S, CO2 y son pobres en oxígeno. En ellas se descubrieron, en 1987, a más de 2.8 km
de profundidad y a una temperatura de más de 75ºC, importantes concentraciones de
bacterias que dependen de los sedimentos ricos en azufre, hierro y manganeso, donde se
encuentran y sobre los que ejercen reacciones reductivas con las que obtienen los
nutrientes necesarios para sobrevivir. Éstos organismos autótrofos, entre los que se
encuentra la bacteria Thermis aquaticus, toman la energía necesaria para sus funciones
metabólicas a partir de las reacciones de oxido-reducción de hierro y azufre.
Según los expertos, estas colonias de bacterias enanas han permanecido en el fondo
marino desde hace millones de años y, consideran que son fósiles vivientes que pueden
ofrecer pistas importantes para conocer cómo fueron los primeros sistemas vivientes que
poblaron la Tierra.
En las muestras recogidas por el
submarino Alvin de la misión
oceanográfica Hot Times’97 a la
región dorsal del pacífico oriental, se
encontraron varias decenas de Riftia
pachyptila a 2500 metros de
profundidad. Posteriormente se ha
determinado que estos animales han
establecido una endosimbiosis con las
bacterias abisales que utilizan el H2S
para realizar la quimiosíntesis.
Gusano Riftia pachyptila
Bacterias abisales
Chimenea hidrotermal
La oexobiología es uno de los campos más relacionados con la búsqueda del origen de la
vida y al que se destinan importantes recursos a nivel mundial. La aparición, en el
meteorito ALH8400.0, ha puesto de nuevo el interés en el espacio, tal como lo había
hecho Svante Arrhenius en su tiempo.
Como sabemos, los meteoritos son mensajeros externos que pueden hacer llegar a la
Tierra materiales provenientes de lejanos sitios del sistema solar. A pesar de que por
mucho tiempo se ha sostenido que los meteoritos proceden de la zona de los asteroides,
algunos como el Nakhla que cayó en Egipto en 1911 se cree que proviene de la corteza de
Marte. Si esto es cierto, puede ayudar a conocer mejor la naturaleza de aquel planeta.
Por otra parte, algunos científicos reportan la existencia de estos cuerpos más allá de la
órbita de Plutón.
La noticia de que ciertos meteoritos provienen de Marte se debe a los reportes del
Vikingo que en 1976 mandó datos acerca de la composición de la atmósfera y del suelo
marciano, lo que permitió que los investigadores descubrieran una asombrosa semejanza
entre la composición de éstos y la de ciertos meteoritos que han llegado a la Tierra.
Muchos científicos creen que este tipo de cuerpos llegan a la Tierra después de que un
gran asteroide golpeó la superficie marciana haciendo que algunos restos salieran
despedidos del planeta.
Se cree que el meteorito ALH84001,0 salió despedido de Marte de esa manera. Éste
meteorito fue encontrado dentro de un glaciar en la Antártida en 1984 por un equipo de la
NASA integrado por varios investigadores entre los que se encuentra David S. McKay y K.
Everett Gibson.
Este meteorito pesa 1.9 kg y tiene el tamaño
de una papa mediana. Por su forma de
cristalización y su composición química se cree
que tiene una edad de 4500 millones de años y
fue enviado al espacio donde permaneció por
más de 16 millones de años, llegando a la
Tierra hace más o menos 13 000 años.
Imagen microscópica de una sección del meterorito,
que muestra estructuras que recuerdan a las
bacterias terrestres.
Al estudiar su composición química y su
aspecto microsópico se encontraron
interesantes evidencias que han hecho
pensar a los científicos que contiene
vestigios de vida primitiva ya que contiene
carbonatos y rastros de compuestos
orgánicos como el fenantreno (C14H10),
pireno (C16H10) y benzopireno (C20H12) que
en la Tierra se presentan en sedimentos
originados
por
la
combustión
y
putrefacción
de
materia
orgánica,
asociándose a los procesos vitales.
Por otra parte, al utilizar el microscopio electrónico se han encontrado estructuras que
parecen corresponder a fósiles de bacterias, aunque 10 veces más pequeñas que las
encontradas en la Tierra.
La discusión acerca de el posible origen orgánico de los vestigios del meteorito
ALH84001,0 está empezando y una de las claves que podrán ayudar a dilucidar el problema
pudiera surgir de las misiones que están preparadas para traer rocas y muestras de la
superficie marciana, a realizarse en poco tiempo.
Marte es una de las prioridades a donde se están enfocando el interés y los recursos al
mandar naves no tripuladas a obtener muestras y analizar las características de su
superficie. ¿Habrá agua en Marte? Es uno de los temas que más interesan, para prever su
colonización y estudiar la posibilidad de que en algún momento haya habido vida allá.