tema 3 : origen de la tierra y la vida

TEMA 3 : ORIGEN DE LA TIERRA Y LA VIDA
Vivimos en este planeta , pero ¿cómo "hemos llegado" aquí? ¿cómo se ha formado la Tierra? ¿qué produjo la
aparición de la vida en la Tierra?
Estos aspectos están íntimamente relacionados, como veremos a lo largo del tema. La existencia de vida,
tal y como la conocemos, está completamente ligada a las condiciones que se dan en la Tierra.
1.- El origen de la Tierra
Para estudiar el origen de la Tierra hemos de empezar estudiando como se formó el sistema solar. Los
científicos creen que sistemas "solares" se están formando también en otras regiones del espacio.
La formación del Sistema Solar.
La hipótesis actual sobre la formación del sistema solar es la hipótesis nebular. Según esta hipótesis, hace
unos 5 mil millones de años el sistema solar se formó a partir de una nube molecular gigante.
Se considera que en la formación de sistema solar intervino la explosión de una supernova. De esta forma,
la onda de choque de esta supernova pudo haber desencadenado la formación del Sol a través de la
creación de regiones de sobredensidad en la nebulosa circundante, causando el colapso gravitatorio de
ellas.
Por otra parte, la explosión de una supernova inundaría el espacio circundante de los elementos desde el
carbono al hierro que encontramos en la composición de la Tierra y que solo se forman en el interior de
las estrellas.
El primer paso consiste en la formación del Sol. Se inició formándose una protoestrella rodeada por un
disco compuesto por cuerpos de alrededor de unos pocos kilómetros de diámetro que giraban alrededor de
la estrella y que chocaban entre sí. El choque y la unión de estos cuerpos generaban cuerpos de masa cada
vez mayor. A este fenómeno se le conoce como acreción (unión) colisional.
Según iban creciendo en tamaño estos cuerpos, su
fuerza gravitatoria aumenta, de forma que aumenta
su capacidad para atraer cuerpos más pequeños en
una fase de crecimiento más rápida. Los cuerpos
formados de esta manera se les conoce como
planetésimos y su tamaño es de varios kilómetros. A
esta fase se le conoce como acreción gravitacional.
La siguiente fase de formación consistiría en una diferenciación distintas capas en el cuerpo planetario.
Podemos imaginar que la temperatura del planeta era del orden de miles de grados centígrados debido a
los choques y a la desintegración radiactiva de algunos de los elementos que los componen.
Debido a las altas temperaturas se produciría la fusión de los diferentes materiales que componían la
Tierra primigenia y propiciaría una diferenciación gravitatoria de sus elementos químicos. De esta manera
se obtuvo una distribución concéntrica en función de la densidad de los elementos constituyentes, así
como por las afinidades que tenían éstos para asociarse y formar compuestos químicos estables. Es por
ello, que el hierro y el níquel se desplazarían hacia el interior, mientras que el silicio, carbono, aluminio y
calcio se situarían en zonas más superficiales. Esta fue la razón por la cual aparece la corteza, el manto y
el núcleo. Envolviendo todo quedó la atmósfera formada por los elementos volatilizados a causa de la gran
temperatura, aunque se perdió gran parte de la atmósfera por la debilidad del campo gravitatorio
terrestre.
Planeta sin capas diferenciadas
Planeta con capas diferenciadas
La última fase tuvo lugar después de formarse la corteza terrestre. La Tierra fue sometida a una
verdadera lluvia de objetos celeste de diversos tamaños, que iban añadiendo masa al conjunto formado
inicialmente. Este proceso queda reflejado por la formación de cráteres en su superficie, aunque en la
Tierra han desaparecido la mayor parte debido a los procesos de erosión. Este proceso se va amortiguando
a medida que se van reduciendo los cuerpos capturables dentro del Sistema Solar.
En ese momento también se forman las capas fluidas del planeta. En principio se supone que no existen ya
que debido a las altas temperaturas los elementos volátiles más ligeros como el hidrógeno y el helio,
escaparon al espacio exterior. Al ir disminuyendo la temperatura los gases provenientes de las emisiones
volcánicas o de meteoritos, como el agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre se condensaron en la
hidrosfera. El resto formarían parte de la atmósfera primitiva, cuya composición era muy diferente de la
actual.
2.- El interior de la Tierra
¿Has sentido alguna vez un temblor de Tierra? ¿Has presenciado una erupción volcánica?
Estas son solo algunas de las muestras de que la Tierra está viva, viva puesto que está sometida al cambio.
Los ejemplos anteriores son una muestra de ese cambio, pero aparte de esas podemos encontrar alguna
más.
Pero, ¿cómo explicamos ese cambio?
Muchos hechos observables en la naturaleza dan idea de que los continentes no estaban en el pasado en el
mismo
lugar
que
ahora.
Los
científicos
habían
observado
los
siguientes
hechos:
- Pruebas paleontológicas
Entre las pruebas
más importantes
para demostrar
que,
en
el
pasado,
continentes como
África
y
Sudamérica
estuvieron
unidos, están las
paleontológicas;
es
decir,
las
concernientes a
los
fósiles.
Existen
varios
ejemplos
de
fósiles
de
organismos
idénticos que se
han encontrado
en lugares que
hoy distan miles
de
kilómetros,
como
en
Sudamérica,
África, India y
Australia.
Los estudios paleontológicos indican que estos organismos prehistóricos hubieran sido incapaces de
recorrer y cruzar los océanos que hoy separan esos continentes. Esta prueba indica que los continentes
estuvieron reunidos en alguna época pasada.
- Pruebas geográficas
Se sospechó que los continentes podrían haber
estado unidos en épocas pasadas al observar una
gran coincidencia entre las formas de la costa de los
continentes, especialmente entre Sudamérica y
África. Si, en el pasado, estos continentes hubieran
estado unidos formando uno solo, es lógico que los
fragmentos coincidan en forma. La coincidencia es
aún mayor si se tienen en cuenta no las costas
actuales, sino los límites de las plataformas
continentales.
- Pruebas geológicas y tectónicas
Si se unen los continentes en uno solo, se puede observar que los tipos de rocas, la cronología de las
mismas y las cadenas montañosas principales tendrían continuidad física, es decir, formarían un cinturón
casi continuo. Por tanto, se puede deducir que muchas formaciones geológicas y cordilleras se originaron
cuando todos los continentes estaban reunidos y que después se separaron.
- Pruebas paleoclimáticas
Se descubrió que existían zonas en la Tierra cuyos climas actuales no coincidían con los que tuvieron en el
pasado. Existen lugares hoy que tienen un clima tropical o subtropical, pero que estaban cubiertas de
hielo hace 300 millones de años. También hay regiones donde reinaban condiciones climáticas semejantes
a las que se dan en las actuales zonas tropicales, que favorecieron la formación de grandes yacimientos de
carbón; hoy día, estos lugares se encuentran, sin embargo, en climas muy fríos. Estas pruebas hacen
suponer que los continentes se localizaban en una latitud más al sur que la que ocupan actualmente.
Desde la antigüedad el hombre ha fantaseado con el interior de la Tierra. Era un lugar inhóspito,
desconocido, inalcanzable. La herencia cultural de las religiones lo describían como el infierno,mientras
otros, como Julio Verne, crearon una visión de un mundo interior, desconocido y fascinante.
Hoy en día conocemos que la Tierra está formada por capas concéntricas: corteza, manto y núcleo. La
corteza y el manto se separan por la discontinuidad de Mohorovicic, y el manto y el núcleo por la
discontinuidad de Gutemberg.
Explicando los cambios en la superficie terrestre
Un modelo para explicar los cambios en la superficie terrestre: La tectónica de
placas.
Es evidente que en la superficie terrestre se van produciendo cambios, aunque de manera lenta. Para
explicar estos cambios se debe recurrir a un modelo dinámico. Este modelo es la tectónica de placas, y
consiste en lo siguiente:
•
•
•
•
•
Los materiales rocosos de la corteza y de la parte superior del manto constituyen una unidad
rígida y quebradiza, que recibe el nombre de Litosfera.
La Litosfera se encuentra fragmentada en trozos llamados placas litosféricas, que encajan entre
sí, como las piezas de un puzzle.
Las placas litosféricas flotan sobre el manto superior y están en continuo cambio: se mueven, se
crean y se destruyen, etc...
Las placas pueden estar formadas por litosfera oceánica , o ser mixta y tener parte de litosfera
oceánica y parte de litosfera continental
Las placas litosféricas están limitadas por los bordes de placa, que pueden ser de tres tipos:
convergentes, divergentes o fallas de trasformación.
El motor del movimiento de las placas
En la imagen de abajo puedes ver de forma general en que consiste la dinámica del manto. El motor de
este movimiento es el calor del núcleo interno de la Tierra, junto con el tirón gravitacional debido al
hundimiento de placa litosférica dentro del manto. El calor interno del núcleo provoca corrientes de
convección, debidas a la diferencia de temperatura entre la parte superior del manto (más fría), y la
parte inferior (más caliente).
En la imagen hay zonas donde la corteza penetra en el manto. Son bordes de placa destructivos puesto
que en estas zonas es donde se destruye la litosfera oceánica. En este borde las dos placas colisionan al
moverse en sentido contrario.
En las dorsales oceánicas se produce litosfera, por lo que se llaman bordes constructivos . En estos lugares
se produce la separación entre placas.
3.- El origen de la vida
A lo largo de la historia el hombre ha tratado de dar una respuesta a esta pregunta. Veamos algunas de
ellas.
LA CREACIÓN
En la cultura occidental durante mucho tiempo se ha aceptado como válido lo escrito en la Biblia, más
concretamente en el Génesis, sobre el origen de la vida. Según lo escrito, la creación de todas las cosas se
llevó a cabo durante sólo seis días.
En nuestros días se interpreta la Biblia de otra manera, desde un punto de vista moral y religioso, y no
como una fuente de saber científico. De igual modo, la ciencia no debe prestar atención a problemas
religiosos o morales.
GENERACIÓN ESPONTÁNEA.
Fue durante la antigua Grecia cuando surge esta idea, y esta se ha mantenido viva durante más de dos mil
años. Esta idea supone que pueden surgir seres vivos a partir de la carne muerta en descomposición, el
barro o la comida. La idea se basaba en la observación de que efectivamente esto ocurría.
Esta idea sufrió un golpe cuando Francesco Redi en el siglo XVII, Realizó un experimento en el que puso
carne en unos recipientes. Unos se sellaban y los otros no, con lo que resultaba que en los recipientes
sellados no "aparecían" moscas de la carne y en los abiertos sí.
Más tarde Spallanzani y Pasteur refutaron esta idea a partir de un experimento con caldo de carne
caliente. En los recipientes cerrado no se generaban microorganismos y en los abiertos sí.
PANSPERMIA
Esta hipótesis defiende que la vida se ha generado en el espacio exterior, y por él viaja de un sistema a
otro. Fue Anaxágoras en Grecia, en el s VI a.C. el primero que la formula, pero fue a partir del sXIX
cuando cobra auge, debido a que los análisis realizados en meteoritos demuestran la existencia en ellos de
materia orgánica.
Unos de sus máximos defensores, el químico sueco Svante Arrhenius, afirmaba que la vida provenía del
espacio exterior en forma de esporas que viajaban impulsadas por la radiación de las estrellas.
¿Cómo era la Tierra hace 3600 millones de años?
La respuesta a esta pregunta es la clave para averiguar el origen de la vida. Sabiendo las condiciones de la
Tierra en ese momento, podemos plantear una hipótesis que nos permita explicar el origen de la vida.
• La atmósfera primitiva estaba formada por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), amoniaco
(NH3), vapor de agua (H2O) y sulfuro de hidrógeno (SH2). Era una atmósfera que carecía de
oxígeno.
•
La Tierra estaba sometida a una intensa radiación, debida a la radiación solar ultravioleta,
tormentas eléctricas, radiactividad natural, viento solar, actividad volcánica y rayos cósmicos, con
lo que la reactividad de los gases sería muy alta, y reaccionarías de forma espontánea.
•
La Tierra estaba cubierta por agua líquida, caldo de cultivo de toda esta mezcla.
Hipótesis de Oparin
Alexander Oparin lanzó en 1930 la hipótesis de la aparición de la vida en la Tierra. Propuso que la
primitiva atmósfera terrestre contenía metano, hidrógeno y amoniaco. La presencia de agua la atribuyó al
vapor que acompaña a las abundantes emisiones volcánicas de la época, tal y como ocurre en la
actualidad.
Las altas temperaturas, los rayos ultravioleta y las descargas eléctricas en la primitiva atmósfera habrían
provocado reacciones químicas de los elementos para formar primitivos aminoácidos (materia orgánica).
De los aminoácidos pasaríamos a las primitivas proteínas sencillas.
Millones de años de lluvias crearon los mares cálidos y arrastraron las moléculas hacia ellos, donde se
combinaron hasta formar los coacervados (Un coacervado es un agregado de moléculas que se mantienen
unidas por fuerzas electrostáticas.)
EXPERIMENTO DE MILLER
Para probar la hipótesis de Oparin, en 1953 Stanley Miller ideó un experimento: en un circuito cerrado,
con tubos y balones de vidrio, simuló las condiciones de la atmósfera primitiva (calor, descargas...). Metió
dentro los supuestos componentes inorgánicos y lo dejó funcionando una semana. Aparecieron compuestos
orgánicos en el líquido resultante, que antes no estaban. Repitió el experimento varias veces con idénticos
resultados. Comprobó así la aparición de materia orgánica a partir de materia inorgánica. Otra cosa es
comprobar la formación de las moléculas más complejas.
¿Cómo se obtuvieron moléculas complejas (ácidos nucleicos, proteínas)?
En estos momentos se barajan diferentes hipótesis que expliquen la formación de moléculas más
complejas, puesto que el experimento de Miller demuestra sólo que se pudieron formar moléculas
orgánicas sencillas.
Los siguientes pasos debieron ser:
•
Unión de moléculas sencillas para formar moléculas más complejas como ácidos nucleicos y
proteínas.
•
Formación de agregados de estas moléculas sintetizadas de forma abiótica en pequeñas gotas o
protobiontes, con un medio interno con características diferentes del ambiente exterior.
•
La capacidad de crear copias y el origen de la herencia.
¿Cómo se forman los ácidos nucleicos y las proteínas?
Resulta difícil aceptar la formación de grandes moléculas como proteínas o ácidos nucleicos en las
condiciones propuestas por Oparin. Hay que tener en cuenta que cada una de las proteínas de nuestro
organismo está formada por muchas moléculas más pequeñas, diferentes, loa aminoácidos. Además la
síntesis de las proteínas se realiza siguiendo un orden determinado, que sabemos que está marcado por la
información contenida en los ácidos nucleicos.
Es por ello que resulta difícil asimilar que la formación de este tipo de moléculas ocurriera tal y como
proponia Oparin. Actualmente se barajan varias hipótesis:
•
Génesis mineral: Es probable que estas
grandes moléculas se sintetizaran sobre
superficies arcillosas, de manera que la
arcilla u otro minaral actuara atrayendo y
facilitando la unión de todas esas pequeñas
moléculas en mayores moléculas.
•
Las fuentes hidrotermales: En los océanos,
cerca de las dorsales oceánicas existen todos
los precursores disueltos, como CH4, CO2 y
NH3 junto con altas temperaturas. Es en
estos lugares donde se podría haber
producido la formación de las biomoléculas,
puesto que la pirita, un mineral rico en
hierro habría facilitado la formación de las
grandes biomoléculas.
•
El mundo del ARN: Esta hipótesis supone que
la primera gran biomolécula formada en los
mares primitivos sería el ARN, el cual puede
almacenar información y incluso puede
actuar aumentando las velocidades de
reacción. Es a partir de esta biomolécula,
cuando empezarían a sintetizarse las
primeras proteínas, y la propia biomolécula
sufriría un proceso de cambio funcional para
formar ADN, más estable.
Relación entre la composición de la atmósfera y la aparición de la vida
En el gráfico siguiente podemos ver como ha ido variando la composición de la atmósfera a lo largo del
tiempo. Además se indican los momentos importantes en el proceso de formación de la vida tal y como la
conocemos actualmente. Presta atención al memento en que aparecen las primeras células procariotas
(células simples cuyo ADN está disperso en su interior), cuando aparecen los células eucariotas (células
más compleja con un núcleo que contiene el ADN), y cuando empiezan las células a realizar la fotosíntesis
(proceso que permite la obtención de materia orgánica a partir de materia inorgánica, con el
desprendimiento de oxígeno).
Desarrollo de los primeros organismos
Teniendo en cuenta los datos obtenidos de la tabla anterior, una secuencia en el desarrollo de los seres
vivos seria:
Aparece la membrana biológica, la cual separa el interior del organismo, del medio ambiente externo, con
lo que pudo tener un metabolismo rudimentario que le permitió a la célula ancestral obtener energía por
medio
de
la
nutrición,
reproducirse
y
responder
a las
variaciones
del
exterior.
Teniendo en cuenta que la aparición de vida fue en un mar de moléculas orgánicas, seguramente los
primeros organismos obtenían sus alimentos a partir de su entorno, por lo que serían bacterias
heterótrofos anaerobios fermentadores.
Este proceso está limitado a la existencia de alimento en el medio ambiente, por lo que algunos
organismos desarrollarían su propia forma de obtener energía, la fotosíntesis, con lo que a a partir de luz
solar transformarían el dióxido de carbono, en hidratos de carbono, emitiendo como residuo oxígeno.
Este proceso transformó la atmósfera primitiva a algo muy parecido a nuestra atmósfera actual, en la que
el oxígeno se convierte en un veneno mortal para los organismos anaerobios.
Entre los organismos existentes, algunos se adaptaron y lo empezaron a utilizar para obtener energía a
partir de los nutrientes orgánicos, en un proceso llamado respiración celular, en el que se desprende
dióxido de carbono como residuo.
Mucho tiempo después, se desarrollaron las primeras células eucariotas, a partir de una asociación
simbiótica entre células bacterianas más simples. Esta teoría se conoce como la teoría endosimbionte.