GU_A_DE_TRABAJO_GRUPAL_PARA_DISERTACI_N

LICEO DOMINGO HERRERA RIVERA B-13
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS / BIOLOGÍA
PROFESORA: ELENA CAMPILLAY S.
ECS/ecs
GUÍA DE ESTUDIO Nº 2: ORIGEN DE LA VIDA Y EVOLUCIÓN
Profesora Elena Campillay S.
Curso: Electivo 3º Medio
Nº de horas Semanales: 3 hrs.
Resumen de contenidos:
Habilidades a desarrollar:
1.





2.
3.
Origen y diversificación de la vida: análisis de las
innovaciones biológicas, formas intermedias y sus
momentos de aparición en el tiempo. Períodos
geológicos.
Evolución divergente y convergente.
Aporte del análisis de secuencia de genes homólogos
para determinar relaciones evolutivas.
informarse y debatir acerca de datos científicos;
distinguir hipótesis, hechos y controversias científicas;
utilizar terminología científica;
aplicar conocimiento científico;
desarrollar la capacidad de trabajo en equipo.
Existen evidencias que la vida se inició a partir de una evolución química
¿Cómo comenzó la vida? Como hemos visto, la hipótesis más aceptada entre los científicos
actuales enuncia que la vida se desarrolla a partir de materia no viva. Este proceso, llamado evolución
química, se compone de varias etapas. Primero, la síntesis de pequeñas moléculas orgánicas.
Posteriormente, la acumulación de estas a lo largo del tiempo. Las macromoléculas grandes, como
proteínas y ácidos nucleícos, se formaron de moléculas más pequeñas. Las macromoléculas interactuaron
entre si y formaron estructuras más complejas que, a fin de cuentas, podían metabolizar y replicarse. Estas
dieron lugar a estructuras semejantes a células que finalmente dieron origen a las primeras células
verdaderas. Las células primitivas, una vez formadas, evolucionaron durante miles de millones de años
hasta dar lugar a la diversidad biológica que existe en nuestro planeta. Se cree que la vida en la Tierra se
origino una sola vez, y que esto ocurrió en condiciones ambientales muy distintas a las actuales.
Por lo tanto, para entender el origen de la vida, se deben estudiar las condiciones primitivas de la
Tierra. Aunque jamás tendremos una certeza absoluta acerca de ellas, ciertas pruebas científicas, obtenidas
de diferentes fuentes, proporcionan datos importantes al respecto.
Actividad 2:
La profesora delegará los siguientes 8 temas sobre evolución química e innovaciones biológicas,
los que deberán ser expuestos oralmente frente al resto del curso. Para su calificación se utilizará una
pauta previamente distribuida. Cada grupo debe traer resueltos los problemas que aparecen al final de cada
tema, para su discusión al final de cada presentación. Se recomienda que leas todos los temas
previamente, independiente del que te fuera asignado.
La fecha de presentación se fijará de común acuerdo. El orden será correlativo.
I. Las condiciones primitivas de la Tierra habrían sido determinantes para la evolución química
Las condiciones iniciales en la Tierra habrían sido inhóspitas para casi todos los seres vivos de la
actualidad. La atmósfera altamente reductora carecía de oxigeno. La erupción de volcanes y el consecuente
desprendimiento de gases contribuyó a la formación de la atmósfera. Violentas tormentas eléctricas
produjeron lluvias torrenciales que erosionaron la superficie de la Tierra.
La formación de la Tierra y de todo el sistema solar está relacionada con la formación del Universo.
Se cree que la distribución no siempre ha sido la que se conoce actualmente. Hace 10.000 o 20.000
millones de años, el Universo era una masa densa y compacta que explotó (el Big Bang), dispersando en el
espacio polvos, residuos y gases. A partir de entonces, aún se expande de modo que se encuentra en
expansión constante. Al enfriarse tales materiales, se formaron átomos de diferentes elementos, ante todo
helio e hidrógeno. La disminución de la temperatura y la compresión de la materia dio lugar a la formación
de estrellas y planetas.
El sol de nuestro sistema es una estrella de segunda o tercera generación, formada hace cinco mil o
10 mil millones de años. Las fuerzas gravitacionales que actuaban sobre la materia solar provocaron la
compresión de ésta, la cual dio lugar a gran cantidad de calor. Este indujo la formación de elementos
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distintos al helio y al hidrógeno. Parte de este material fue expulsado del sol y, uniéndose a restos, polvos y
gases que lo rodeaban, formó los planetas.
De acuerdo a los astrofísicos y geólogos, la Tierra tiene una edad de 4600 millones de años de
antiguedad. La materia que la conforma se compactó como resultado de la acción de fuerzas gravitatorias;
los elementos más pesados, como níquel y hierro, formaron el núcleo central; los elementos de peso medio
formaron el manto, y los ligeros quedaron cerca de la superficie. La primera atmósfera, compuesta en gran
parte por los elementos más ligeros, helio e hidrógeno, se perdió debido a que las fuerzas gravitacionales
de la Tierra no fueron capaces de retenerla.
Se piensa que al inicio, la temperatura de la Tierra era baja, pero al continuar la compactación
gravitacional se produjo calor. Este aumentó en respuesta a la energía de la desintegración radiactiva. El
calor se liberó en manantiales térmicos o volcanes, que a su vez produjeron gases, los cuales formaron la
segunda atmósfera en el inicio de la Tierra. La atmósfera era reducida, con poco oxigeno libre o sin él. Los
gases producidos incluían dióxido de carbono (CO 2), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H 20),
hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Probablemente esta atmósfera contenía también un poco de amoniaco
(NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y metano (CH4), aunque estas moléculas reducidas bien pudieron haberse
degradado por la radiación ultravioleta del sol. Es probable que la atmósfera primitiva contuviera poco o
nada de oxígeno libre (O2).
Con el enfriamiento gradual de la Tierra, el vapor de agua se condensó, produciendo lluvias
torrenciales que formaron océanos. Además, estas lluvias erosionaron la superficie de la Tierra, agregando
minerales a los océanos, haciéndolos "salados".
Hay cuatro requisitos de la evolución química. Primero, la vida sólo podía evolucionar en ausencia
de oxígeno libre. Como tal elemento es muy reactivo, su presencia en la atmósfera habría producido la
degradación de las moléculas orgánicas necesarias en el origen de la vida. Sin embargo, la atmósfera de la
Tierra tenía gran capacidad de reducción, por lo que el oxigeno libre habría formado óxidos con otros
elementos. Un segundo requerimiento para el origen de la vida debió ser la energía. La Tierra era un lugar
con gran cantidad de energía, tormentas violentas, volcanes e intensa radiación, incluso la radiación
ultravioleta del sol (figuras 2a y 2b). Probablemente "aquel" sol producía mas radiación ultravioleta que el
actual, y la Tierra no poseía una capa protectora de ozono para bloquear esta radiación. Tercero, los
elementos químicos que constituyen las piezas necesarias para la evolución química debían estar
presentes. Estos elementos incluyen agua, minerales inorgánicos disueltos (presentes en forma de iones) y
gases presentes en la atmósfera; como último requisito, tiempo. Tiempo para que las moléculas pudieran
acumularse y reaccionar entre sí. La edad de la Tierra proporciona el tiempo necesario para la evolución
química. La Tierra tiene unos 4600 millones de años, y se cuenta con pruebas geológicas que hacen pensar
en la aparición de formas simples de vida, hace 3500 millones de años.
Figuras 2a y 2b. Representaciones
de la superficie de la Tierra antes
de que hubiese vida.
Nótese las fuentes de energía de
distintos
orígenes
(actividad
volcánica, geotérmica, eléctrica,
meteoritos) y la presencia de agua
Problemas del tema I.
a) Estructura una tabla que permita explicar el proceso de la evolución química en cinco etapas.
b) Caracteriza las condiciones primitivas de la Tierra y compara la atmósfera primitiva con la actual
c) Sintetiza los requisitos de la evolución química
d) Si el oxígeno es supuestamente tan dañino para las moléculas orgánicas, ¿cómo se explica que a los
animales nos beneficia?
e) ¿Se puede plantear que la coincidencia de los cuatro factores mencionados podrían fundar vida en
otros planetas?
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II. Las moléculas orgánicas se podrían haber originado de moléculas inorgánicas
Es necesario considerar el origen de las moléculas orgánicas debido a que constituyen la materia
prima de la formación de los seres vivos. El concepto de formación espontánea de moléculas orgánicas
simples, como azúcares, nucleótidos y aminoácidos, a partir de materia no viva, se propuso en 1920 por dos
científicos que trabajaron de modo independiente: Oparin, un bioquímico ruso, y Haldane, un genetista
escocés. Su hipótesis fue puesta a prueba en 1950 por Urey y Miller, quienes diseñaron un aparato que
simulaba las condiciones que se cree prevalecían en el inicio de la Tierra (figuras 3 y 4). La atmósfera con
que iniciaron sus experimentos era rica en H2, CH4, H20 y NH3. Los científicos expusieron esta atmósfera a
una descarga eléctrica que simulaba la luz y la actividad eléctrica de la atmósfera. El análisis de los
elementos químicos producidos en una semana reveló la síntesis de aminoácidos y otras moléculas
orgánicas. En la actualidad, se piensa que la atmósfera, en su fase inicial, no contenía gran cantidad de
metano (CH4) ni amoniaco(NH3). Sin embargo, otros experimentos similares, en los que se utilizó diferentes
combinaciones de gases, produjeron una variedad de moléculas orgánicas, incluso bases de nucleótidos de
ARN y ADN.
Figura 3. Esquema del montaje experimental de
Miller y Urey
Figura 4. Miller y su montaje real
Oparin supuso que las moléculas orgánicas se acumularon durante algún tiempo, en mares poco
profundos, en forma de un "mar de sopa orgánica”. Este investigador consideró que en tales circunstancias,
las moléculas orgánicas más grandes (polímeros) se formarían por la unión de moléculas más pequeñas
(monómeros). Con base en los datos acumulados desde entonces, casi todos los científicos consideran que
la polimerización necesaria para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas orgánicas no
pudo haber ocurrido en esas circunstancias. Muchas reacciones de polimerización involucran una síntesis
por deshidratación, en la que dos moléculas se unen por la eliminación de agua y es poco probable que una
reacción en la que se produce agua ocurra en el agua, en ausencia de las enzimas necesarias. Además,
tampoco es posible que los monómeros orgánicos en el océano hayan alcanzado niveles, o cantidades lo
suficientemente elevados como para estimular su polimerización.
Es más probable que los polímeros orgánicos se hayan sintetizado y acumulado en rocas o en
superficies de arcilla. La arcilla es un sitio favorable para la polimerización porque contiene iones de hierro y
zinc, que pueden actuar como catalizadores. Además, la arcilla enlaza las formas exactas de azúcares y
aminoácidos encontrados en los organismos vivos. También pueden presentarse otros aminoácidos y
azúcares, pero éstos no se unen a la arcilla. Para comprobar la formación de polímeros en estas
condiciones, Fox calentó una mezcla de aminoácidos secos y obtuvo polipéptidos. Al producto de esta
polimerización espontánea le dio el nombre de protenoide.
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¿Podrían los polímeros una vez producidos formar estructuras más complejas? Los científicos han
trabajado con diferentes protobiontes, ensambles espontáneos de polímeros orgánicos y se ha logrado
elaborar protobiontes semejantes a seres vivos simples, lo cual nos permite imaginar la forma en que las
moléculas complejas no vivas realizaron tan gigantesco brinco para convertirse en células vivas. Al crecer,
con frecuencia los protobiontes se dividen en dos. Sus condiciones internas son distintas de las externas.
Su organización es sorprendente, tomando en cuenta su
composición bastante simple.
Una variedad de protobionte, conocida como
microesfera, se formó por la adición de agua y
protenoides Las microesferas son esféricas y poseen
propiedades osmóticas. Algunas generan un potencial
eléctrico a través de su superficie, similar al potencial de
membrana de las células. También absorben materiales
de su entorno y responden a cambios en la concentración
osmótica como si estuvieran rodeadas por membranas,
aunque no contienen lípidos.
Los liposomas son protobiontes hechos de
lípidos. En el agua adquieren una estructura esférica,
rodeada por una bicapa lipídica de estructura semejante a Figura 5. Microsferas formadas por agitación
la de las membranas celulares (figura 5).
de proteínas y lípidos en un medio líquido.
Como último ejemplo de los protobiontes puede Estas microferas pueden incorporar material
mencionarse el coacervado. Oparin formó coacervados de la solución circundante, crecer e incluso
con mezclas más o menos complejas de polipéptidos, “reproducirse”, como varias de las que se ven
ácidos nucleicos y polisacáridos. Los coacervados pueden en la micrografía
llevar a cabo un metabolismo muy simple (fig. 20-4).
Cuando formó un coacervado con cadenas cortas de RNA y la enzima responsable de la replicación de
ácidos nucleicos, y lo colocó en un medio con nucleótidos de trifosfatos, los coacervados “crecieron”, se
replicaron y dividieron.
Problemas del tema II.
a) ¿Por qué la evolución se preocupa del origen de las moléculas orgánicas?
b) ¿Se puede decir que Oparin propuso un nuevo tipo de generación espontánea? Justifica
c) ¿Cómo expresarías, en síntesis, el experimento de Miller y Urey?
d) ¿Por qué no se considera aceptable el proceso de polimerización propuesto por Oparin?
e) ¿Cuál es la relevancia del experimento de Fox? ¿Por qué usar arcilla? Fundamenta
f) Define: polímero, protobionte, microsfera, liposoma y coacervado ¿Cuál de ellos podría considerarse un
ser vivo?
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III. Existe evidencia fósil de la formación de células primitivas
El estudio de los protobiontes es útil para reconocer que las “pre-células” pueden presentar algunas
propiedades de los seres vivos, Sin embargo, fue necesario un salto mayor para pasar de los agregados
moleculares, como los protobiontes, a las células vivas.
Los datos obtenidos de los registros fosiliferos muestran que las primeras células prosperaron hace
3500 millones de años.
Sin
duda
alguna, las primeras
células
que
evolucionaron
fueron
las
procarióticas.
En
rocas de Australia y
Sudáfrica se han
encontrado fósiles
microscópicos
de
este tipo de células
de 3400 a 3500 Figura 6. Micrografía de células fósiles de tipo
millones de años bacteriano, descubiertas en un depósito de Figura 7. Estromatolitos australianos
cuarzo negro en Australia. Su data es de 3500
(figura 6).
m. de años.
Los
estromatolitos son otro tipo de restos fosiliferos de las primeras células de la Tierra. Dichas rocas
columnares están compuestas por capas múltiples de aquellas células, por lo general, cianobacterias.
Todavía se encuentran estromatolitos vivos en manantiales térmicos y en estanques poco profundos de
agua fresca y salada. Con el tiempo, se acumula sedimento alrededor de las células y poco a poco, éste se
mineraliza. Mientras tanto, crece una nueva capa de células vivas sobre las células muertas. Los
estromatolitos se presentan en diversas partes del mundo: en el Gran Lago de los Esclavos canadiense y
las Gunflint Iron Formations en el Lago Superior de Estados Unidos. Algunos son muy antiguos, por
ejemplo, un grupo en la región occidental de Australia tiene varios miles de millones de años (figura 7).
Todavía hay colonias vivas que forman estromatolitos en el Yellowstone National Park y en la bahía Shark,
en Australia.
Podría decirse que el origen de las células a partir de macromoléculas fue un gran avance en el
origen de la vida. Quizá no haya sido un gran avance, sino una serie de pequeños avances. Dos etapas
cruciales de dicho proceso fueron el origen de la reproducción molecular y del metabolismo.
Problemas del tema III.
a) En estricto rigor la expresión “el origen de las células a partir de moléculas fue un gran avance”. Explica
por qué y de qué forma se podría corregir para no generar faltas conceptuales
b) ¿Qué le falta a un protobionte para poder ser considerado una célula primitiva?
c) ¿Por qué resulta tan evidente pensar que las primeras células tuvieron que ser procariontes, si en la
actualidad siguen siendo las células más abundantes y diversas?
d) Investiga de qué manera se puede averiguar que un fósil tiene “n” millones de años. Decide qué tan
exacto y creible es el método.
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IV. Un paso clave en las primeras etapas de la evolución fue la transferencia de información
molecular
Si recuerdas biología molecular básica, debes saber que un ácido nucleico está formado por
nucleótidos. A su vez, cada nucleótido está formado por una base nitrogenada, un grupo fosfato y una
azúcar de 5 carbonos. De esta forma, para alargar una cadena de ADN o ARN, se hace necesario disponer
una cadena de nucleótidos, originando un polinucleótido.
Los polinucleótidos se forman en la arcilla de la misma forma en que lo hacen los polipéptidos. Se
cree que el ARN fue la primera molécula informativa que “evolucionó” en la progresión hacia la primera
célula.
Se cree que las proteínas y el ADN vinieron después. Una de las características más sorprendentes
del ARN es que con frecuencia posee propiedades catalíticas. El ARN catalítico o ribozima, funciona como
enzima. En las células de la actualidad se utiliza como auxiliar en el procesamiento de los productos finales:
ARNr, ARNt y ARNm (1). Antes de la evolución de las células verdaderas, es probable que la ribozima haya
catalizado la formación de ARN en la arcilla o estanques rocosos poco profundos.
Una evidencia de esto es que si se agrega ribozima a un tubo de ensayo con nucleótidos de ARN, la
replicación de nuevo ARN puede ocurrir en ausencia de otras moléculas de función enzimática. Esta
reacción se incrementa si se agrega zinc, metal normalmente presente en la arcilla, como catalizador.
El ARN también puede dirigir la síntesis de proteínas. Algunas moléculas actuales de cadena
sencilla de ARN se pliegan sobre si mismas por la interacción de los nucleótidos que componen la cadena.
En ocasiones la conformación de la molécula plegadaes tal que se une débilmente a un aminoácido. Si los
aminoácidos son mantenidos en estrecha cercanía entre sí por moléculas de ARN, pueden unirse uno a otro
para formar un polipéptido.
En las células vivas, se transfiere información del ADN al ARN y de éste a las proteínas. Se ha
estudiado el mecanismo probable de la evolución del ARN y de las proteínas. El último paso en la evolución
de las moléculas de información sería la incorporación del ADN en los sistemas de transferencia de
información. Como el ADN es una doble hélice, es más estable y menos reactivo que el ARN. Sin embargo,
el ARN es necesario en cualquier forma, debido a que el ADN no posee actividad catalítica.
Hay varios pasos fundamentales previos a la formación de células vivas verdaderas, a partir de
agregados macromoleculares. Hoy día se tiene poca información acerca de la forma en que esto ocurrió.
Por ejemplo, ¿Cómo se originó el código genético? Ello debe haber ocurrido en una etapa muy temprana
del origen de la vida, ya que prácticamente todos los organismos vivos poseen el mismo código. Por otro
lado, podría cuestionarse la forma en que una membrana formada por lípidos y proteínas puede envolver a
un complejo macromolecular, permitiendo la acumulación de algunas moléculas y la exclusión de otras.
Problemas del tema IV.
a) ¿Qué característica del ARN, permite suponer que se formó antes que el ADN y las proteínas?
b) ¿Qué utilidad pudo tener el zinc, si en el mismo texto se admite que el ARN posee actividad catalítica?
c) Las proteínas más simples poseen algunas decenas de aminoácidos. Cada aminoácido se ubica en el
lugar adecuado tras una lectura de tres bases nitrogenadas de tres nucleótidos consecutivos,
dispuestos en un orden definido. ¿Cómo se explica entonces el surgimiento de polipéptidos azarosos y
al mismo tiempo funcionales? ¿Cómo explicar proteínas de miles de aminoácidos?
d) Investiga para poner a prueba la siguiente hipótesis: “Si las secuencias del ADN se dispusieron
azarosamente para originar secuencias de aminoácidos que resultaron funcionales, entonces deberían
existir muchas secuencias de ADN que no generan información útil”.
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Estos tres tipos de ARN son imprescindibles en la síntesis de las proteínas, por parte de los ribosomas
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V. Es probable que el metabolismo haya surgido mediante pasos inversos
El metabolismo, es decir, todas las reacciones bioquímicas efectuadas por
un organismo, comprende una amplia secuencia de reacciones que se llevan a
cabo paso a paso. Por lo mismo, es probable que el metabolismo se haya
originado un paso a la vez.
En 1945 Horowitz afirmó que un organismo obtendría las enzimas
necesarias para los procesos metabólicos por mutaciones génicas sucesivas. Sin
embargo, la formación de estas enzimas ocurriría en orden inverso a la secuencia
en que se dan utilizadas en el metabolismo normal.
Por ejemplo, supongamos que el primer organismo primitivo requería un
compuesto orgánico, Z, para su crecimiento (figura 8). Esta sustancia, Z, y una
gran variedad de compuestos orgánicos, Y, X, W, V, U, etc., estaban presentes en
el entorno. Se habían sintetizado previamente, en forma espontánea. Este
organismo sería capaz de sobrevivir en tanto que el compuesto Z estuviera
presente. Si ocurriera una mutación para una nueva enzima que le permitiera a
este organismo sintetizar el compuesto Z, a partir del compuesto Y, el organismo
con esta mutación sería capaz de sobrevivir aun cuando se agotase la fuente del
compuesto Z. Una segunda mutación para la enzima catalizadora de la síntesis de
Y a partir del compuesto X, permitiría la supervivencia a pesar del agotamiento de
este compuesto. Mutaciones similares darían lugar a la formación de enzimas que
permitirían a estos organismos utilizar sucesivamente algunas sustancias más, W,
V, U y otras.
Problemas del tema V.
a) ¿Qué relación existe entre una mutación génica y la síntesis de una enzima?
b) ¿Se puede decir que la teoría de Horowitz contradice una de las propiedades Figura 8. Esquema
fundamentales de las enzimas: ser específicas?
que explica el origen
c) Establece una relación entre el desarrollo de secuencias metabólicas más inverso del
largas y:
metabolismo
 la capacidad adaptativa de un organismo.
 el tamaño del organismo
 la complejidad del organismo
 el requerimiento de oxígeno del organismo
d) Busca en un libro de biología general alguna secuencia metabólica en que participen al menos 3
enzimas consecutivas. Aplica el esquema de la figura 8 para explicar el origen de tal secuencia.
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VI. Existen evidencias respecto al origen energético y nutricional de las primeras células
Las primeras células fueron definitivamente procarióticas anaerobias. Algunas pueden haber sido
heterotróficas; es decir, que las moléculas orgánicas necesarias para su producción de energía no son
sintetizadas por la célula, sino que ésta obtiene tales moléculas del medio. Probablemente dichas células
consumían muchas moléculas orgánicas formadas con espontaneidad: azúcares, nucleótidos y
aminoácidos, entre otros. Las células de este tipo obtienen la energía necesaria para el mantenimiento de la
vida por la fermentación de estos compuestos orgánicos. Por supuesto, la fermentación de tales
compuestos constituye un proceso anaerobio.
La biología molecular desempeña una función cada vez más importante en la determinación de las
características de las primeras células. En 1988 Lake realizó una comparación cuidadosa del ARN de
diferentes organismos. Este análisis mostró que todos los organismos vivos tienen un ancestro común que
probablemente fue un procariote que metabolizó azufre y vivió en manantiales térmicos. Ello contrasta con
el punto de vista anterior que establecía que el ultimo ancestro común era un heterótrofo; además, confirma
la utilidad de las técnicas moleculares en la biología evolutiva. Cuando se interpreta adecuadamente la
información obtenida de los estudios moleculares es útil para responder algunas preguntas difíciles.
Antes del agotamiento de las moléculas orgánicas, pudieron ocurrir mutaciones que otorgaron a los
organismos poseedores una ventaja selectiva distintiva. Estas células podían obtener energía de una nueva
fuente, la luz solar. Además eran capaces de almacenar la energía radiante en forma de un compuesto
químico, adenosin trifosfato (ATP). Probablemente fueron capaces de expandir este proceso, almacenando
energía radiante en forma de energía química, en moléculas orgánicas más permanentes, como los
azúcares. Estos organismos fotosintéticos no requerían de compuestos energéticos, cuya disponibilidad era
limitada en su entorno.
La fotosíntesis no requiere solamente de energía solar, sino también de una fuente de hidrógeno,
utilizado para reducir el dióxido de carbono, en la síntesis de moléculas orgánicas. Probablemente los
primeros autótrofos fotosintéticos utilizaron la energía solar para desdoblar moléculas ricas en hidrógeno,
como hidróxido de azufre, H2S, liberando azufre elemental en el proceso. De hecho, las actuales
sulfobacterias verdes y púrpuras utilizan H2S. Un tercer grupo de bacterias, las púrpuras no sulfurosas,
utilizan otras moléculas orgánicas o gas de hidrógeno, como fuente de la que obtienen hidrógeno.
Las cianobacterias fueron los primeros autótrofos fotosintéticos que desdoblaron (=
descompusieron) el agua para obtener hidrógeno. El agua es abundante en la Tierra, y la ventaja selectiva
de poder desdoblarla favoreció la supervivencia de las cianobacterias. En el proceso de desdoblamiento del
agua, se libera oxígeno en forma de gas, 02. Inicialmente el oxígeno liberado de la fotosíntesis oxidaba
minerales del océano y de la corteza terrestre. Con el tiempo, llegó a liberarse más oxígeno del que podía
ser utilizado por estos depósitos, y el oxígeno comenzó a acumularse en el océano y en la atmósfera.
Figura 9. Gráfico de los cambios en la concentración de CO2 y O2 en la atmósfera en distintos
períodos de la evolución
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La cronología de estos episodios se calculó según datos geológicos y fosilíferos. Probablemente los
primeros autótrofos evolucionaron hace cerca de 3400 millones de años. Las rocas de esa época contienen
trazas de clorofila. Las cianobacterias aparecieron hace unos 2500 a 2700 millones de años. Algunos datos,
como los estromatolitos, son utilizados para establecer la fecha de aparición de éstas. Para hace 2000
millones de años, las cianobacterias habían producido suficiente oxígeno como para iniciar un cambio
importante en la atmósfera.
Problemas del tema VI.
a) ¿Cuáles serían las características de las primeras células, en cuanto a la obtención de energía y
nutrientes? ¿Sobre qué evidencia se basa este supuesto?
b) Investiga: ¿existen actualmente organismos capaces de fabricar ATP o hacer fotosíntesis sin organelos
especializados (mitocondrias y cloroplastos)?
c) Explique el origen del oxigeno gaseoso y establezca la cronología de este proceso.
d) ¿Qué consecuencia tuvo el aumento sostenido del oxígeno ambiental?
e) Analiza la coherencia entre el texto y el gráfico de la figura 9 (antes estudiado en el contexto
ecosistémico)
f) Establece un vínculo entre este tema y tema VI
g) ¿Sería correcto establecer niveles crecientes de estabilidad y autonomía en la evolución del metabolismo
energético – nutricional?
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VII. El incremento del oxígeno atmosférico favoreció la aparición de organismos aerobios
El aumento en el oxígeno atmosférico tuvo un profundo efecto en la Tierra y en la vida. Primero, en
la parte superior de la atmósfera, reaccionó y dio lugar al ozono 0 3 (figura 10). El ozono cubrió la Tierra
evitando que gran parte de la radiación ultravioleta del sol penetrara hacia la superficie de la Tierra. De esta
manera permitió que los organismos vivieran mas cerca de la superficie, tanto en los medios acuáticos,
como en la tierra. Como la energía de la radiación ultravioleta se utilizaba durante la generación espontánea
de moléculas orgánicas, la síntesis de éstas disminuyó. Los anaerobios obligados se intoxicaban con el
oxígeno; muchas especies desaparecieron. Sin embargo, algunos anaerobios evolucionaron para
neutralizar el oxígeno, de manera que éste no pudiera afectarlos. Algunos organismos incluso crearon
mecanismos para utilizar el oxígeno, y así pudieron subsistir en este ambiente. Como resultado de esto, se
desarrolló la capacidad de utilizar el oxígeno y extraer energía de los alimentos. Esta respiración aerobia se
agregó al proceso de glucólisis. Al igual que otros procesos metabólicos, la respiración probablemente se
desarrolló paso a paso.
Hubo varias consecuencias en la evolución de los organismos que podían utilizar oxígeno. Los que
adquirieron respiración aerobia podían obtener de la utilización de una sola molécula de glucosa más
energía que la que obtenían los anaerobios de la fermentación. Así, los aerobios poseían energía adicional
para sus actividades. Esto los hizo más competitivos que los anaerobios, lo que, aunado a la toxicidad del
oxígeno sobre estos últimos, desplazó a los anaerobios a un papel secundario en la Tierra. En la actualidad,
casi todos los organismos, incluidas plantas, protistas, procariotes y hongos, llevan a cabo la respiración
aerobia.
La evolución de la respiración aerobia tuvo efecto estabilizador en el oxígeno y dióxido de carbono
de la biosfera. Los organismos fotosintéticos utilizaban dióxido de carbono corno fuente de carbono. Sin el
advenimiento de la respiración aerobia, esta materia prima se habría agotado rápidamente en la atmósfera.
Durante esta respiración se libera dióxido de carbono, como producto de deshecho, a partir de la
degradación completa de moléculas orgánicas. Por tanto, se inició el reciclaje de carbono en la biosfera,
moviéndose de un medio abiótico a los organismos fotosintéticos, y de éstos a los heterótrofo que ingerían
plantas. Posteriormente, mediante la respiración, el carbono liberaba de regreso en el medio abiótico, en
forma de dióxido de carbono, para reiniciar el ciclo. De esta manera se producía oxigeno en la fotosíntesis, y
se utilizaba en la respiración aerobia.
Problemas del tema VII
a) Relaciona los efectos del aumento del oxígeno
atmosférico con el origen de los microorganismos
aeróbicos.
b) Explica las ventajas comparativas de los
organismos aerobios sobre los anaerobios
c) ¿Es correcto decir que los organismos
fermentadores no alcanzaron niveles superiores de
complejidad “a causa de ser fermentadores”?
d) ¿Por qué se asume que la disminución de la
radiación UV favoreció el surgimiento de nuevas
formas de vida?
e) Identifica tres efectos que tuvo la respiración
aeróbica en los ciclos de la materia (cualquier
ciclo)
f) ¿Sería correcto establecer niveles crecientes de
estabilidad y autonomía en la evolución del
metabolismo energético – nutricional?
Figura 10. Esquema que explica la formación del
ozono
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VIII. La teoría endosimbiótica explica la aparición de células eucariontes
Es lógico considerar que los ancestros de los organismos modernos tuvieron una constitución muy
sencilla. Entre los organismos modernos, las formas más simples de vida celular son los procariotes. Esta
es una de las razones por las que los biólogos creen que las primeras células fueron procarióticas.
Probablemente recuerdes que estas células carecen de membrana nuclear y de membranas de organelos,
como mitocondria, retículo endoplásmico, cloroplastos y aparato de Golgi. De hecho, carecen de todos
estos organelos.
Los eucariotes aparecieron en el registro fosiliferos correspondiente hace millones de años. ¿Cómo
se originaron los eucariotes, a partir de los procariotes?
La teoría endosimbiótica afirma que las mitocondrias, cloroplastos, y quizá también los centriolos y
demás organelos surgieron de relaciones simbióticas entre dos organismos procarióticos. Luego, los
cloroplastos se consideran bacterias fotosintéticas (aunque no suelen considerarse cianobacterias) y las
mitocondrias son vistas como bacterias precedentes (o bacterias fotosintéticas que han perdido su
capacidad de fotosíntesis). Estos endosimbiontes fueron originalmente ingeridos por una célula, pero no
digeridos por ella. Sobrevivieron y se reprodujeron junto con la célula huésped, de manera que las
generaciones siguientes de dichas células contenían también a estos endosimbiontes. Los dos organismos
desarrollaron una relación de mutualismo y al final perdieron su capacidad de vivir fuera del huésped (figura
11).
La teoría estipula que cada uno de los "socios" llevó a la relación algo de lo cual el otro "socio”
carecía. Por ejemplo, la mitocondria proporcionó la capacidad de utilizar el metabolismo oxidativo, ausente
en la célula huésped original; los cloroplastos proporcionaron la capacidad de utilizar una fuente simple de
carbono (dióxido de carbono); algunas bacterias proporcionaron la capacidad de desplazamiento,
convirtiéndose, a fin de cuentas, en un flagelo. La célula huésped aportó hábitat seguro y materia prima o
nutrientes.
La prueba principal de esta teoría es que en la actualidad la mitocondria y los cloroplastos poseen
parte de un aparato genético propio, aunque no todo. Poseen su propio ADN (en forma de un cromosoma
circular, como el de las células procarióticas) y sus propios ribosomas (más parecidos a los ribosomas de
las células procarióticas que al de las eucarióticas). Poseen parte de la maquinaria de síntesis de proteínas,
incluyendo moléculas de ARNt, y son capaces de llevar a cabo la síntesis proteínica en forma limitada.
Mitocondrias y cloroplastos son capaces de autorreplicarse, lo cual significa que se dividen en forma
independiente de la célula en que residen. Además, es posible intoxicar estos organelos con antibióticos
que afectan a las bacterias, pero no a las células eucarióticas. Ambos organelos se cubren por una doble
membrana. Se cree que la membrana externa se originó por invaginación de la membrana plasmática de la
célula huésped, en tanto que la interna se desarrolló de la membrana plasmática del endosimbionte.
En la actualidad se observan varias relaciones endosimbiótica (figura 12). Muchos corales poseen
algas dentro de sus células. Esta es una de las razones por las que los arrecifes de coral son tan
productivos. Un protozoario Myxotrixcha paradoxa, vive en el intestino de las termitas, y varios
endosimbiontes, incluyendo una espiroqueta, están unidos al protozoario, y actúan como flagelos. En las
células del tunicado colonial Diplosoma virens, viven algunos procariotes fotosintéticos. Esta relación es
particularmente curiosa porque se trata de una cloroxibacteria, y no de una cianobacteria. Las
cloroxibacterias se descubrieron apenas hace poco y poseen el mismo sistema pigmentario (clorofila a,
clorofila b, y carotenos) que los cloroplastos.
11
LICEO DOMINGO HERRERA RIVERA B-13
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS / BIOLOGÍA
PROFESORA: ELENA CAMPILLAY S.
ECS/ecs
La
teoría
endosimbiótica
no
constituye la respuesta
final a la evolución de las
células eucarióticas a
partir de las procarióticas.
Por ejemplo, esta teoría
no explica la forma en que
el material genético en el
núcleo quedó envuelto por
una membrana. Además,
son insustanciales los
datos que apoyan la
evolución
de
las
estructuras móviles, como
cilios y flagelos, a partir de
procariotes.
En
los
flagelos no hay rastros de
material genético; hasta
ahora, la disposición de 9
+ 2 en los microtúbulos de
los flagelos no se ha
observado
en
ningún
procariote.
12
Figura 11. Esquema que explica el proceso de formación de células
eucariotas a partir de procariotas, mediante la teoría endosimbiótica
Figura 12. Paramecio con algas
endosimbióticas en su interior.
Cabe
señalar
que
ambos
organismos son eucariontes.
Valga la analogía
Problemas del tema VIII.
a) Señala tres fundamentos de la teoría endosimbiótica
b) ¿Qué situación de las células eucariontes no es explicada por esta
teoría? (además de las señaladas en el texto)
c) Intenta explicar por qué se podría haber producido una fagocitosis
sin digestión?
d) ¿Qué es más ventajoso: ser procarionte o eucarionte? ¿El hecho
que actualmente haya de ambos, sería evidencia que da
exactamente lo mismo?
e) ¿Por qué es teoría y no hipótesis endosimbiótica?
f) Construye una hipótesis – análoga a la teoría endosimbiótica –
para explicar uno de los últimos eslabones de la cadena: la
aparición de organismos pluricelulares. Tu hipótesis debe incluir un
fundamento acerca del por qué generó ventajas esta estrategia de
“ser vivo”.
LICEO DOMINGO HERRERA RIVERA B-13
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS / BIOLOGÍA
PROFESORA: ELENA CAMPILLAY S.
ECS/ecs
Actividad 3. Sistematizando lo aprendido…
a) Ubica cada uno de los eventos biológicos tratados en un calendario geológico, señalando las condiciones
ambientales imperantes en cada período (O sea, algo como la fig. 9, pero con énfasis en la evolución, no
en las condiciones atmosféricas)
b) Diseña una hipótesis para un último hito biológico: la aparición de la reproducción sexual. Tu hipótesis
debe incluir un fundamento acerca del por qué esta innovación generó ventajas esta estrategia de “ser
vivo”.
13
Actividad 4. Debate sobre la transición agua – tierra
El curso se repartirá en dos bandos: el grupo “plantae” y el grupo “animalia”. El objetivo es preparar
la presentación más convincente que sea posible, acerca de las adaptaciones utilizadas por las plantas y los
animales para colonizar el ambiente terrestre. El objetivo es fundamentar por qué creen que las plantas (o
los animales) realizaron una invasión al ambiente terrestre más extraordinaria que la realizada por los
animales (o las plantas). Como referente, deben utilizar la guía de estudio, pero la preparación de la
presentación puede utilizar otras fuentes informadas adecuadamente. La pauta de evaluación será la
siguiente:
PAUTA DE EVALUACIÓN DEL TRABAJO GRUPAL
DISERTACIONES
Item






Puntaje
máximo
Calidad del material de apoyo
Selección de argumentos y contenidos
Dominio del tema
Uso adecuado del material de apoyo
Ajuste al tiempo (15 minutos de presentación)
Respuestas a las preguntas realizadas por el grupo
contrincante
 Calidad de la argumentación durante el debate
 Participación de todo el grupo en el debate
1
1
1
0,5
0,5
Total (+ 1 punto base)
7,0
1
0,5
0,5