El Origen de la vida, es el conjunto de fenómenos que han determinado la aparición de seres vivientes en la Tierra. La idea de un proceso único procede directamente de las teorías evolucionistas de Charles Darwin, según las cuales todos los seres vivos descienden de un ancestro único.
Algunos de los factores determinantes que favorecieron el origen de la vida están directamente ligados al proceso de formación y desarrollo del planeta Tierra, gracias a los modernos sistemas de datación, los científicos han podido identificar que tuvo lugar hace 4.650 millones de años. La formación del planeta fue producto de la condensación del polvo cósmico y los gases, que por el efecto de la gravedad del planeta y continuada contracción de los diversos elementos hizo que se calentara, hecho que contribuyó a la radiactividad de algunos de los elementos más pesados. En la etapa siguiente de su formación, cuando la Tierra se hizo más caliente, comenzó a fundirse bajo la influencia de la gravedad. Esto produjo la diferenciación entre la corteza, el manto y el núcleo, con los silicatos más ligeros moviéndose hacia arriba para formar la corteza y el manto y los elementos más pesados, sobre todo el hierro y el níquel, sumergiéndose hacia el centro de la Tierra para formar el núcleo. Al mismo tiempo, la erupción volcánica, provocó la salida de vapores y gases volátiles y ligeros de manto y corteza. Algunos eran atrapados por la gravedad de la Tierra y formaron la atmósfera primitiva, mientras que el vapor de agua condensado formó los primeros océanos del mundo.
1.1. Primeros indicios de vida.
La Tierra se formó hace unos 4.600 millones de años. Cerca de 1.000 millones de años más tarde ya albergaba seres vivos. Los restos fósiles más antiguos conocidos se encontraron en rocas de hace 3.800 millones de años y demuestran la presencia de bacterias, organismos rudimentarios procariotas y unicelulares. Muy recientemente se han descubierto pruebas de vida aún más antiguas en forma de indicios de actividad fotosintética con una antigüedad de 3.850 millones de años; estas pruebas se han obtenido mediante el análisis de restos de materia orgánica que no se encontraban en forma de fósiles identificables.
La geología ha demostrado que las condiciones de vida en esa época eran muy diferentes de las actuales. La actividad volcánica era intensa y los gases liberados por las erupciones eran la fuente de la atmósfera primitiva, compuesta sobre todo de vapor de agua, dióxido de carbono (CO2), nitrógeno, amoníaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y metano (CH4) y carente de oxígeno. Ninguno de los organismos que actualmente vive en nuestra atmósfera hubiera podido sobrevivir en esas circunstancias. El enfriamiento paulatino determinó la condensación del vapor y la formación de un océano primitivo que recubría gran parte del planeta.
APARICIÓN DE LAS MOLÉCULAS BIOLÓGICAS
La primera teoría coherente que explicaba el origen de la vida la propuso en 1924 el bioquímico ruso Alexandr Oparin. Se basaba en el conocimiento de las condiciones fisicoquímicas que reinaban en la Tierra hace 3.000 a 4.000 millones de años. Oparin postuló que, gracias a la energía aportada primordialmente por la radiación ultravioleta procedente del Sol y a las descargas eléctricas de las constantes tormentas, las pequeñas moléculas de los gases atmosféricos (H2O, CH4, NH3) dieron lugar a unas moléculas orgánicas llamadas prebióticas. Estas moléculas, cada vez más complejas, eran aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas) y ácidos nucleicos. Según Oparin, estas primeras moléculas quedarían atrapadas en las charcas de aguas poco profundas formadas en el litoral del océano primitivo. Al concentrarse, continuaron evolucionando y diversificándose.
Esta hipótesis inspiró las experiencias realizadas a principios de la década de 1950 por el estadounidense Stanley Miller, quien recreó en un balón de vidrio la supuesta atmósfera terrestre de hace unos 4.000 millones de años (es decir, una mezcla de CH4, NH3, H, H2S y vapor de agua).
Estas experiencias fueron retomadas por investigadores franceses que demostraron en 1980 que el medio más favorable para la formación de tales moléculas es una mezcla de metano, nitrógeno y vapor de agua.
1.3. LAS PRIMERAS CÉLULAS
Si se prescinde de los virus, cuya situación es difícil de definir, todos los seres vivientes están formados por células, cada una de ellas encerrada por una membrana rica en unos lípidos especiales (fosfolípidos) que la aísla del medio externo. Estas células contienen los ácidos nucleicos ADN y ARN, que contienen la información genética y controlan la síntesis de proteínas.
Pueden formarse membranas lipídicas en ausencia de vida. Esto ya lo demostró Oparin, quien, en efecto, obtuvo en el curso de sus experimentos unas pequeñas gotas ricas en moléculas biológicas y separadas del medio acuoso por una membrana rudimentaria.
Estas ‘gotitas’, a las que llamó coacervados, recuerdan a células rudimentarias. Otros investigadores han obtenido también estructuras similares. La teoría de Oparin se vio reforzada por los descubrimientos de un paleontólogo francés que identificó estructuras de este tipo con una antigüedad de 3.000 millones de años; se llaman concoides, y se consideran antepasados de las bacterias.
Más difícil es explicar la formación de las proteínas celulares. La cuestión es la siguiente: ¿qué moléculas surgieron en primer lugar: los ácidos nucleicos, indispensables para la síntesis de proteínas, o las proteínas, cuya actividad enzimática es a su vez indispensable para sintetizar aquellas a partir de los ácidos nucleicos? El descubrimiento de partículas de ARN capaces de almacenar la información genética y de actuar como enzimas permite resolver el dilema. En efecto, estas moléculas, llamadas ribosomas, son capaces de transmitir la información necesaria para la síntesis de las proteínas y, a su vez, despliegan una actividad enzimática que les permite sintetizar proteínas. Así, la primera forma de vida terrestre probablemente fue una célula simple que encerraba un ácido nucleico similar al ARN dentro de una membrana rudimentaria capaz de reproducirse por división.
1.4. Fuentes hidrotermales y el origen de la vida.
En el Océano Pacífico, a muchos miles de metros de profundidad, se han descubierto fuentes hidrotermales de agua que brota a una temperatura de 350 °C y está cargada de numerosas sustancias, entre ellas sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre. Alrededor de estas fuentes abunda la vida y proliferan unas bacterias quimiosintéticas que extraen su energía de los compuestos azufrados del agua y que, de este modo, reemplazan a los organismos fotosintéticos, que toman la energía de la luz solar (además, estas bacterias no pueden vivir en medios con oxígeno). Las condiciones de vida que reinan en la proximidad de estas fuentes recuerdan bastante a las que se daban hace 3.500 millones de años. Por eso algunos investigadores defienden la hipótesis de que la vida apareció en el fondo oceánico, cerca de estas fuentes hidrotermales, y no en la superficie, en las charcas litorales expuestas a la luz solar intensa.
1.5.Evolución de la atmósfera y diversificación de los seres vivos.
Fuese cual fuese el lugar en que surgió la vida, es seguro que los primeros seres vivos eran bacterias anaerobias, es decir, capaces de vivir en ausencia de oxígeno, pues este gas no se encontraba todavía en la atmósfera primitiva. De inmediato comenzó la evolución y la aparición de bacterias distintas, capaces de realizar la fotosíntesis. Esta nueva función permitía a tales bacterias fijar el dióxido de carbono abundante en la atmósfera y liberar oxígeno.
Pero este no se quedaba en la atmósfera, pues era absorbido por las rocas ricas en hierro. Hace 2.000 millones de años, cuando se oxidó todo el hierro de las rocas, el oxígeno pudo empezar a acumularse en la atmósfera. Su concentración fue aumentando y el presente en las capas altas de la atmósfera se transformó en ozono, el cual tiene la propiedad de filtrar los rayos ultravioleta nocivos para los seres vivos. A partir de ese momento se asiste a una verdadera explosión de vida. Los primeros organismos eucariotas aparecieron hace unos 1.800 millones de años y los primeros pluricelulares hace unos 670 millones de años. Algunas investigaciones recientes (agosto de 1999) sugieren que las células eucariotas ya existían hace unos 2.700 millones de años; es decir casi mil millones de anos abandonar la protección que proporcionaba el medio acuático y colonizar la tierra firme.
1.6. ALEXANDR IVÁNOVICH OPARIN
Alexandr Ivánovich Oparin (1894 -1980), bioquímico ruso, pionero en el desarrollo de teorías bioquímicas acerca del origen de la vida en la Tierra. Oparin se graduó en la Universidad de Moscú en 1917, donde fue nombrado catedrático de bioquímica en 1927, y desde 1946 hasta su muerte fue director del Instituto de Bioquímica A. N. Bakh de Moscú. Muy influido por la teoría evolutiva de Charles Darwin, intentó explicar el origen de la vida en términos de procesos químicos y físicos. Planteó la hipótesis de que la vida había surgido, a todos los efectos, por azar, a través de una progresión de compuestos orgánicos simples a compuestos complejos autorreplicantes.
Su propuesta se enfrentó inicialmente a una fuerte oposición, pero con el paso del tiempo ha recibido respaldo experimental y ha sido aceptada como hipótesis legítima por la comunidad científica. La principal obra de Oparin es El origen de la vida sobre la Tierra (1936).
2. EVOLUCIÓN DE LA VIDA.
La evolución es el proceso por el que todos los seres vivos de la Tierra han divergido, por descendencia directa, a partir de un origen único que existió hace más de 3.000 millones de años.
2.1. Historia de la Evolución.
La Tierra se formó hace unos 4.000 a 5.000 millones de años. Existen fósiles de criaturas microscópicas del tipo de las bacterias que prueban que surgió la vida hace unos 3.000 millones de años. En algún momento entre estas dos fechas —la evidencia molecular supone que hace cerca de 4.000 millones de años— debió tener lugar el increíble suceso del origen de la vida. Nadie sabe que ocurrió, aunque los teóricos coinciden en que la clave fue la aparición espontánea de seres que se auto replicaban, es decir, algo equivalente a los genes en sentido general. Existe menos acuerdo sobre cómo llegó a producirse.
Como ya ha sido expuesto es probable que al principio la atmósfera de la Tierra contuviera metano, amoniaco, dióxido de carbono y otros gases que abundan aún en otros planetas del sistema solar. Los químicos han reconstruido en los laboratorios estas condiciones primitivas al nivel experimental. Si se mezclan los gases adecuados con agua en un matraz, y se añade energía mediante una descarga eléctrica (simulando la iluminación primitiva), se sintetizan de forma espontánea sustancias orgánicas. Entre estas se cuentan, en una proporción significativa, aminoácidos (unidades que construyen las proteínas, incluidas todas las enzimas importantes que controlan los procesos químicos de la vida), purinas y pirimidinas (unidades que forman el ARN y ADN). Parece probable que al principio de la existencia de la Tierra sucediera algo similar. Por consiguiente, el mar podría haber sido un caldo de compuestos orgánicos prebiológicos.
Como es natural, el hecho de que las moléculas orgánicas aparecieran en este caldo primitivo, no es suficiente. Como hemos mencionado antes, el paso más importante fue la aparición de moléculas que se autoreplicaban, es decir, que eran capaces de producir copias de sí mismas. Hoy, la molécula mas conocida que se autorreplica es el ácido desoxirribonucleico (ADN). La creencia de que el propio ADN no podría haber estado presente en el origen de la vida está muy extendida, ya que su replicación depende demasiado de estructuras muy especializadas que no pudieron existir antes del inicio de la propia evolución. El ADN ha sido descrito como una molécula de alta tecnología que apareció con toda probabilidad algún tiempo después del origen de la vida. Tal vez la molécula con la que está emparentada, el ácido ribonucleico (ARN), que aún desempeña varias funciones vitales en las células vivas, fue la molécula autorreplicativa original. O tal vez esta fue un tipo de molécula diferente. Una vez que las moléculas autorreplicativas se habían formado por casualidad, pudo haberse iniciado algo parecido a la selección natural darwiniana: las variaciones presentes en las poblaciones podrían tener su origen en errores aleatorios en el copiado. Las variantes con una replicación especialmente buena habrían predominado automáticamente en el caldo primitivo, mientras que aquellas que no se replicaron, o que lo hicieron de forma errónea, estarían en una proporción relativamente menos numerosa.
Una forma de selección natural molecular condujo a una eficacia mayor entre las moléculas que se replicaban. Al tiempo que la competitividad entre las moléculas que se replicaban aumentó, el éxito debió alcanzar a aquellas que conseguían desarrollar una habilidad o mecanismo especial para su autoconservación y replicación rápida. Estos mecanismos fueron construidos probablemente mediante la manipulación de otras moléculas, tal vez proteínas. Otros mecanismos manipulados fueron aquellas estructuras previas a las membranas que proporcionaron espacios circunscritos donde incluir las reacciones químicas. Pudo haber sido poco después de este estadio cuando las criaturas simples del tipo de las bacterias dieron lugar a los primeros fósiles hace más de 3.000 millones de años. El resto de la evolución puede ser considerada como una continuación de la selección natural de las moléculas replicativas, ahora denominadas genes, debida a su capacidad para construir por sí mismas estructuras eficaces (cuerpos celulares y multicelulares) para su propia supervivencia y reproducción.
Tres mil millones de años es un periodo de tiempo largo, y parece que ha sido lo suficientemente prolongado como para haber dado origen a estructuras tan increíblemente complejas como el cuerpo de los vertebrados y de los insectos. Con frecuencia, se hace referencia a los genes como al medio que emplean los cuerpos para reproducirse. Esto es a primera vista innegable, aunque es más cierto el hecho de que los cuerpos son el medio que utilizan los genes para reproducirse.
Los fósiles no se depositaron más que en una pequeña proporción hasta el cámbrico, hace casi 600 millones de años. Por aquel entonces, la mayoría de los principales filos de animales (los grupos mayores en los que se clasifica el reino Animal) habían aparecido. Como es obvio, las criaturas con partes esqueléticas duras, como los dientes, tienen más probabilidades de fosilizarse y, por tanto, predominan en el registro fósil. Un gran número de los primeros vertebrados aparecieron en yacimientos de hace más de 300 millones de años: criaturas pisciformes, completamente cubiertas por un armazón duro, tal vez adaptadas para escapar de los euripteridos, que eran depredadores submarinos gigantes del tipo de los escorpiones que abundaban en los mares en aquellos tiempos. En cuanto a los vertebrados, la Tierra fue colonizada en primer lugar, hace aproximadamente 250 millones de años, por peces con aletas lobuladas y pulmones, después por anfibios y por varios tipos de animales más perfeccionados que denominamos reptiles.
Los mamíferos y, más tarde, las aves surgieron de dos ramas diferentes de reptiles. La rápida divergencia de los mamíferos en la rica variedad de tipos que existen hoy en día, desde las zarigüeyas a los elefantes, de los osos hormigueros a los monos, parece que ha sido originada por el vacío dejado por la extinción catastrófica de los dinosaurios hace 65 millones de años.
Aunque, como es natural, nos detenemos más en la evolución de nuestra propia clase —los vertebrados, los mamíferos y los primates— estos constituyen sólo una pequeña rama del gran árbol de la vida. Se reconocen algunas docenas de filos de animales, y los vertebrados constituyen solo un subfilo dentro de uno de ellos. Además del reino animal, otras agrupaciones evolucionadas que se admiten de forma convencional como reinos son las plantas (reino Vegetal), los hongos (reino Hongos) y los protistas unicelulares (reino Protistas), que se reúnen todos dentro de un grupo principal único, Eucariotas. Las criaturas que no son eucariotas se denominan procariotas (reino Moneras o Procariotas), en las que se incluyen varios tipos de bacterias (el estado de virus como ser vivo es materia de debate: muchos de ellos son, con toda probabilidad, fragmentos evadidos de material genético, parásitos desde hace relativamente poco tiempo). Hoy en día, la mayoría acepta que las células eucarióticas se originaron como una unión simbiótica de varias células procarioticas. Dentro de las células eucarioticas existen orgánulos, como las mitocondrias y los cloroplastos, que contienen su propio ADN y que son casi con certeza los descendientes lineales de procariotas ancestrales.
2.2. Evolución Humana.
Nuestra propia especie se desarrolló durante los últimos millones de años dentro del grupo de los monos africanos gracias a un rápido e importante esfuerzo evolutivo. La evidencia molecular sugiere que nuestro último antecesor común con los chimpancés y gorilas vivió hace menos de cinco millones de años. Los documentos fósiles de nuestros antecesores inmediatos son en la actualidad mucho más abundantes que aquellos a los que se hace referencia en los textos más antiguos. Estos demuestran varias formas arcaicas de Homo sapiens con crestas supraorbitales (incluido el famoso Neandertal de Europa), que fue precedido por el Homo erectus que se remonta a casi dos millones de años. El Homo erectus vivió en Asia y en África, aunque existe controversia sobre si sobrevivieron algunos descendientes de los miembros asiáticos de esta especie. Varios antropólogos sustentan la teoría de que existió una segunda migración de Homo sapiens hacia fuera de África en los últimos doscientos mil años, y que ellos representan al Homo sapiens antecesor del hombre actual, que vivió en África hace menos de un cuarto de millón de años (la denominada originalmente “Eva africana”). El Homo erectus tenía un cerebro menor que el Homo sapiens y en nuestros antecesores más primitivos este era aún más pequeño. Considerando la posible interpolación de especies de Homo como el Homo habilis, parece que nuestros antecesores previos más inmediatos han sido miembros del género Australopithecus. Estos se han descrito como monos bípedos y, desde luego, sus cerebros no fueron mucho mayores que los de los chimpancés actuales. Antes que ellos, nuestros ancestros se funden con los de los otros monos africanos, los chimpancés y los gorilas, y durante unas decenas de millones de años sufrieron adaptaciones cuya finalidad era la vida en los árboles, como la vista hacia el frente, y manos y pies prensiles. Antes de aquello, parece que nuestros antepasados habían sido criaturas insectívoras pequeñas, del tipo de las musarañas, que vivían por la noche en un mundo dominado por dinosaurios.
Estos mamíferos pequeños descendían del gran grupo de reptiles parecidos a los mamíferos que vivieron su gran esplendor antes de la aparición de los dinosaurios.
2.3. El genoma humano.
Se llama genoma a la totalidad del material genético de un organismo. El genoma humano tiene unos 31.000 genes distribuidos en los 23 pares de cromosomas de la célula. Un cromosoma humano puede contener más de 250 millones de pares de bases de ADN, y se estima que el genoma humano está compuesto por unos 3.000 millones de pares de bases.
El ADN analizado en el Proyecto Genoma Humano procede, por lo general, de muestras de sangre o de tejido obtenidas de varias personas anónimas. Celera Genomics, por su parte, ha utilizado el ADN de 6 individuos de distintos grupos étnicos. La diferencia entre el genoma de dos individuos se ha estimado entre el 0,05 y el 0,1 por ciento. Esto significa que aproximadamente 1 de cada 1.000 o de cada 2.000 nucleótidos son distintos entre una persona y otra. Por lo tanto, las diferencias entre muestras de ADN de distintos individuos son muy pequeñas en comparación con sus similitudes.
Proyecto Genoma Humano.
El Proyecto Genoma Humano, es un programa internacional de colaboración científica cuyo objetivo es obtener un conocimiento básico de la dotación genética humana completa. Esta información se encuentra en todas las células del cuerpo, codificada en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El Proyecto Genoma Humano ha identificado los aproximadamente 31.000 genes presentes en el núcleo de las células humanas y ha establecido la localización que ocupan estos genes en los 23 pares de cromosomas del núcleo.
Los datos obtenidos a partir de la secuenciación y cartografiado del genoma humano ayudarán a los científicos a relacionar las enfermedades hereditarias con genes concretos situados en lugares precisos de los cromosomas.
Estas investigaciones proporcionarán un conocimiento sin precedentes de la organización esencial de los genes y de los cromosomas. Muchos científicos creen que la identificación de la dotación genética humana revolucionará el tratamiento y prevención de numerosas enfermedades humanas, ya que penetrará en los procesos bioquímicos básicos que las sustentan.
La idea de iniciar un estudio coordinado del genoma humano surgió de una serie de conferencias científicas celebradas entre 1985 y 1987. El proyecto tomó impulso en Estados Unidos en 1990 con la ampliación de la financiación de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y del Departamento de Energía (DOE). Uno de los primeros directores del programa en Estados Unidos fue el bioquímico James Watson, que en 1962 compartió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina con los biofísicos británicos Francis Crick y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la estructura del ADN. Varios países pusieron en marcha programas oficiales de investigación como parte de esta colaboración, entre ellos Francia, Alemania, Japón, Reino Unido y otros miembros de la Unión Europea. En 1999 Celera Genomics, una empresa privada fundada por el científico Craig Venter, inició, utilizando una metodología distinta, la secuenciación del genoma humano.
Tanto el consorcio público como Celera Genomics completaron la primera fase del proyecto y, en febrero de 2001, publicaron, de manera simultánea aunque en revistas distintas, los primeros borradores del mapa genético de los seres humanos.
Fin de la guía de Contenido.
Actividad Complementaria:
El estudiante deberá leer el libro "El Papel del Trabajo en la Transformación del Mono en Hombre" del autor Federico Engels. Ver el texto del libro aquí. El estudiante adulto contará con dos semanas para responder el banco de preguntas del primer libro de lectura obligatoria.
FICHA PEDAGÓGICA Y METODOLÓGICA
GUÍA DE CONTENIDO Nº 4
1. Tema: El Origen de la Vida y su Evolución.
2. Objetivos: Con el estudio de esta guía el Adulto alcanzara los siguientes objetivos específicos:
* Identificar los principales fenómenos o condiciones que permitieron el origen de la vida en la Tierra y su posterior evolución.
* Reconocer la posibilidad del surgimiento de la vida o de sustancias orgánicas a partir de elementos o compuestos inorgánicos.
* Comprender el proceso evolutivo de la vida y dimensionar el proyecto del genoma humano.
3. Palabras Claves: Ácido Acético, Ácido Cianhídrico, Ácido Nucleico, ADN, Anaerobio, Anfibio, ARN, Australopiteco, Ave, Bacteria, Bípedo, Cámbrico, Célula, Cloroplasto, Coacervar, Compuesto químico, Dinosaurio, Dióxido de Carbono, Enzima, Eucarionte, Euripteridos, Filos, Fósiles, Fotosíntesis, Gen, Genética, Geología, Hidrotermales, Homo Erectus, Homo habilis, Homo sapiens, Hongos, Insectos, Lípidos, Mamíferos, Microscópicas, Mitocondrias, Moléculas, Moneras, Neandertal, Oxido, Pluricelular, Prebiológico, Prebióticas, Procariotas, Proteínas, Protistas, Purinas, Reptiles, Ribosoma, Simbiótica, Subfilo, Ultravioleta, Unicelulares, Vertebrados, Virus.
4. Tabla de Contenido: El texto aborda tres temas principales organizados de la siguiente manera:
1. El origen de la Vida
1.1. Los Primeros Indicios de la Vida.
1.2. Aparición de las Moléculas Biológicas.
1.3 Las Primeras Moléculas.
1.4. Fuentes Hidrotermales y el Origen de la Vida.
1.5. Evolución de la Atmósfera y la Diversificación de los Seres Vivos.
1.6. Alexander Ivanovich Oparin.
2. Evolución de la Vida.
2.1. Historia de la Evolución.
2.2. Evolución Humana
2.3. El Genoma Humano.
5. Tiempo Estimado: El desarrollo de la guía está programado para ser estudiado en una semana, con dedicación de una hora diariamente.
6. Grado de Articulación: La guía no tiene prerrequisitos, sin embargo es complemento de la guía de contenido N o 4 sobre el Universo, el Sistema Solar y la Tierra.
7. Área del Conocimiento: Esta guía es general y de carácter introductorio, corresponde al estudio del área deCiencias de la Vida.