LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. Objetivo General. El alumno: Comprenderá los pasos que explican la evolución química de la materia, que dio origen a los Sistemas Vivos. Aprendizajes: A. Explicación de distintas teorías sobre el origen de los Sistemas Vivos considerando el contexto social y la etapa histórica en que se formularon. B. Explicación de los planteamientos que fundamentan el origen de los Sistemas Vivos con un proceso de evolución química. C.- Explicación del origen de las celular eucarióticas como resultado de procesos de endosimbiosis. Temática atendida: 1.1 Primeras explicaciones sobre el origen de los Sistemas Vivos. Controversia generación espontánea /biogénesis. 1.2 Teoría quimiositética de Oparin-Haldane. 1.3 Teoría de la endosimbiosis. La Evolución Química La evolución química es una evolución basada en procesos químicos, no biológicos, que comprenden el cambiar compuestos inorgánicos simples a compuestos orgánicos complejos. Según Oparin, como resultado de esto procesos, se pudieron producir dos características importantes de los organismos vivos. Primero, lo que vive se compone mayormente de moléculas orgánicas complejas. La evolución química tuvo que haber producido estas moléculas, a partir de bloques de construcción más pequeños. Segundo, los sistemas de moléculas orgánicas en los organismos están es una cápsula o rodeados como unidades separadas. Estas unidades son las células que forman todo lo viviente. Para que surgiera la vida, también tenía que ocurrir esta encapsulación de los con la materiales. De acuerdo hipótesis una de Oparin, gran cantidad de reacciones químicas ocurría los entre ingredientes de mares antiguos. Durante millones UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. los LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. de años probablemente aparecieran los aminoácidos y los nucleótidos que forman el DNA y el RNA entre las moléculas producidas mediante estas reacciones. A veces, los científicos llaman sopa primordial a la solución que componía los océanos primitivos, debido a la presencia de estas moléculas. Sin embargo, supongamos que, en una de los billones de reacciones, se unieran algunos aminoácidos para formar una proteína que pudiera funcionar como una enzima. Esta enzima, a su vez, pudo haber unido algunos otros aminoácidos. En este caso, podría haber varias cadenas de aminoácidos y, tal vez, proteínas completas. Estos raros accidentes también pudieron producir pedacitos cortos de ácidos nucleicos con la habilidad para replicarse a sí mismos. En cada uno de estos casos, la aparición de una molécula orgánica podía llevar a la producción de muchas más. La formación de moléculas orgánicas complejas, a partir de bloque de construcción más pequeños, debe haber necesitado energía. Oparin sugirió que había varias fuentes de energía posibles: la energía eléctrica de los relámpagos, la energía radiante del Sol, la energía proveniente de la desintegración de las sustancias radiactivas. Oparin describió forma en que pudieron formarse algunos compuestos complejos. También describió cómo pudieron ser separados del ambiente por alguna membrana los compuestos originales de la vida. Señaló que las mezclas de compuestos orgánicos pueden formar agrupaciones que el llamó coacervados. Un coacervado es un grupo de gotas microscópicas que se forma por atracción entre moléculas. De una mezcla de proteínas y azúcar en agua, se pueden formar coacervados. Las gotas en el interior son moléculas de proteínas. Las moléculas de agua forman la capa exterior de estas gotas. Esta capa actúa, más o menos, como una membrana celular. Los UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. coacervados pueden intercambiar materiales con su ambiente, a través de esta capa limitante, en la misma forma que lo hace una célula. Para Oparin, estas gotas sugerían la forma de una célula. Igual que la célula, cada gota puede considerarse como distinta y separada de las demás. Los estudios acerca de la hipótesis de Oparin han demostrado que ese tipo de moléculas que encontramos en los organismos vivos pudo haberse formado temprano en la historia de la Tierra. También han demostrado que grupos de moléculas pudieron haber sido encapsulados. Estos grupos de moléculas encapsuladas - que contienen agua, proteínas, azúcares y ácidos nucleicos pudieron haber crecido obteniendo materiales del ambiente. Al tomar materiales del ambiente, estas moléculas pudieron haberse duplicado. Finalmente, las gotas que se desprendían pudieron haber formado copias exactas del grupo completo de moléculas encapsuladas. Muchos biólogos piensan que sí señalan que esta hipótesis describe solamente lo que pudo haber ocurrido. Los Primeros Organismos Un estromatolito es una agrupación de piedras caliza formada por la actividad de organismos unicelulares. Los científicos han encontrado algunos estromatolitos modernos. Los fósiles de organismos pequeños, como los encontrados en los estromatolitos, se llaman microfósiles. Los procariotas, como las bacterias, son organismos modernos similares en apariencia a estos organismos antiguos. Las células más primitivas en la Tierra procarióticas deben simples. Si haber sido células describiéramos un Procariota simplemente como un saco de agua y sustancias químicas, ¿podría esta descripción aplicarse a un coacervado? piensan Algunos a biólogos que estructuras como los coacervados evolucionaron por medio de un proceso de muchos pasos, formar procarióticas. las primeras células Las evidencias fósiles demuestran procariotas UNAM, CCH. aparecieron que hace, Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. hasta los LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. aproximadamente, 3500 millones de años. Es muy difícil señalar exactamente cuándo aparecieron por primera vez o saber la naturaleza de los primeros tipos de organismos. Sin embargo, algunos procariotas parecen haber aparecido primero que otros. La mayoría de los procariotas y eucariotas son aeróbicos. Un organismo aeróbico es aquel que requiere oxígeno. Claramente, si la atmósfera primitiva no incluía oxígeno, es poco probable que los organismos más primitivos fueran aeróbicos. Sin embargo, algunos procariotas son anaeróbicos; esto es, no necesitan oxígeno. Muchos científicos piensan que los primeros organismos que aparecieron eran anaeróbicos. Los metanógenos son ejemplos de organismos anaeróbicos que viven hoy en día. Un metanógeno es un Procariota anaeróbico que cambia el hidrógeno, el bióxido de carbono o ciertos compuestos orgánicos metano. a Los metanógenos viven en el fango, debajo de cuerpos de agua donde hay poco oxígeno. Los metanógenos pudieron haber evolucionado en una atmósfera sin oxígeno debido a que son anaeróbicos. Ellos podrían ser similares a los primeros tipos de organismos que aparecieron. Probablemente, los próximos en evolucionar fueron los procariotas que podían llevar a cabo fotosíntesis, la cual utiliza bióxido de carbono. Si la atmósfera primitiva tenía bióxido de carbono, los organismos fotosintéticos podrían haber sobrevivido. La evolución de organismos fotosintéticos fue, probablemente, un paso necesario antes de que pudiera aparecer un variedad más amplia de organismos. El oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis. Si la atmósfera primitiva no tenía oxígeno, los organismos fotosintéticos podrían haber añadido oxígeno a la atmósfera. UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. Evolución de los organismos fotosintéticos: Puesto que al principio el oxígeno molecular no existía, o bien lo había en pequeñísimas cantidades, es de suponer que las primeras formas de vida existieron en ausencia de este gas. Se considera que casi todo el oxígeno gaseoso de la atmósfera terrestre se debe principalmente al proceso de fotosíntesis, llevado a cabo pro-vegetales (verdes terrestres y marinos). La fotosíntesis es el proceso biológico mediante el cual las sustancias orgánicas se sintetizan a partir de bióxido de carbono y agua, utilizando energía luminosa absorbida por pigmentos especiales verdes llamados clorofilas. Este proceso que produce oxígeno libre en forma gaseosa como subproducto, se considera como una adquisición evolutiva en el desarrollo consecuente de las formas vivientes. Algunos de esto organismos primitivos, al poseer este pigmento específico, probablemente fueron capaces de absorber parte de la luz solar y utilizar esta energía luminosa para realizar un metabolismo más eficaz. La evolución progresiva de estas formas fotosintéticas primitivas dio origen a los organismos fotosintéticos contemporáneos: los vegetales verdes, incluyendo algas y ciertas bacterias. Estos organismos fotosintéticos comenzaron a tener predominancia hace cercad e 700 u 800 millones de años, en el tiempo en que las aguas de los mares constituían una fuente pobre de energía debido al tipo de sustancias que contenían, muchas de las cuales fueron posiblemente productos de desecho del metabolismo imperante en esa era, o sea en ausencia de oxígeno libre o con muy poca cantidad de este gas. Debido a esta circunstancia, únicamente proliferaron los UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. organismos fotosintéticos, evolucionaron muy rápidamente y en muy poco tiempo enriquecieron la atmósfera con uno de los productos de desecho en la fotosíntesis, el oxígeno molecular. Se ha calculado que la actual población de vegetales verdes, especialmente en los océanos, se llevaría 3,000 años aproximadamente en reemplazar totalmente el oxígeno atmosférico. http://www.monografias.com/trabajos/evoybiomas/evoybiomas.shtml. Muchos biólogos creen que los eucariotas surgieron de una simbiosis en la que algunas células simplemente absorbieron otras. O tal vez algunas células pequeñas se movieron unas hacia dentro de células grandes. Si ambas células se beneficiaban, podían haber continuado viviendo en esa forma. Las células más pequeñas podían haber continuado creciendo dividiéndose dentro de hospedero más grande. La célula más grande también pudo haber seguido y creciendo. Cuando la célula grande se dividió, cada una de las células hijas pudo haber recibido algunas células “huéspedes”. Los biólogos han señalado semejanzas entre algunos organelos, en células eucarióticas y algunas células procarióticas, en apoyo de la hipótesis simbiótica. No todos los biólogos aceptan la Teoría Simbiótica. El hecho de que el DNA en los cloroplastos y las mitocondrias, tendría que ocurrir algún proceso para transferir características hereditarias a lo que se convertiría en el núcleo. Algunos biólogos han ofrecido otra explicación para el desarrollo de células eucarióticas. Los cloroplastos son similares a las bacterias verde-azules. Los organismos procariotas son, aproximadamente, del mismo tamaño, la misma forma y tienen, más o menos, la misma estructura interna que las mitocondrias y los cloroplastos que encontramos en las células eucarióticas. También se ha demostrado que las mitocondrias y los cloroplastos tienen su propio DNA y UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. ribosomas, similares al DNA y a los ribosomas de las bacterias, y pueden llevar a cabo la reproducción y síntesis de proteínas. ¿Qué ventajas pueden tener la simbiosis para las células procarióticas? Las mitocondrias proveen la energía de la célula. Tal vez han descendido de bacterias que podían producir tanta energía que tenían cantidades adicionales. Una célula hospedera podría haber usado esta energía. A su vez, tal vez las bacterias se protegían de extremos de calor y frío o de pérdida de agua o de que se las comieran otras células. Los antecesores de los cloroplastos pueden haber obtenido ventajas similares, mientras le proveían alimento a su hospedero a través del proceso de la fotosíntesis. Se puede encontrar evidencia que apoye tanto la hipótesis simbiótica como la hipótesis de que los organelos de eucariotas son el resultado de invaginaciones de la membrana celular. Tal vez ambos procesos jugaron un papel en la evolución de células eucarióticas. Algunos organelos pueden haberse formado por un proceso y otros pueden haberse desarrollado por otro proceso. En las células eucarióticas, ciertas proteínas se organizan formando intrincadas estructuras que dan lugar a una especie de esqueleto interno, el citoesqueleto, que aporta sostén estructural y posibilita el movimiento celular. Algunos ejemplos de células procariotas son la bacteria Escherichia coli y las cianobacterias, grupo de procariotas fotosintéticos llamadas antes algas azules. Un eucariota fotosintético unicelular es el alga Chlamydomonas. La Escherichia coli es un Procariota heterotrófico que resulta ser el más estudiado de todos los organismos vivos. El material genético (DNA) se encuentra en la zona más clara, en el centro de cada célula. Esta región no delimitada por membrana se llama nucleoide. Los pequeños granos del citoplasma son los ribosomas. Las dos células del centro se acaban de dividir y todavía no se han separado completamente. La Chlamydomonas, célula eucariótica fotosintética que contiene un núcleo (“verdadero”) rodeado por una membrana nuclear doble y otras organelas abundantes. La organela más destacable es el cloroplasto, de forma irregular, que llena casi toda la célula. Está formado por doble membrana y es el lugar donde se realiza la fotosíntesis. Otras organelas membranosas son las mitocondrias, que proporcionan energía para el movimiento batiente de los dos flagelos. Estos UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. movimientos propulsan la célula por el agua. Las reservas energéticas de la célula están en forma de granos de almidón, alrededor y dentro de una estructura llamada pirenoide. La membrana plasmática envuelve todo el citoplasma y por fuera hay una pared celular formada por polisacáridos. Nótese cuán similar es una célula de una hoja de una planta de maíz a una Chlamydomona. Esta célula vegetal también es fotosintética y satisface sus propias necesidades de energía a partir de la luz del Sol. No obstante, a diferencia del alga, es parte de un organismo multicelular y depende de otras células para obtener agua, minerales, protección contra la desecación y otras necesidades. El núcleo de esta hoja de maíz puede verse a un lado en la célula central. El material granulado del núcleo es la cromatina. Contiene DNA asociado con las proteínas histonas. El nucléolo es la región del núcleo donde se sintetizan los componentes de RNA ribosómico. Obsérvese que las mitocondrias y los cloroplastos se encuentran envueltos por membranas. La vacuola, una región llena de líquido rodeada por una membrana, y la pared celular son características de las células vegetales y no se encuentran en los animales. Como puede verse por comparación, esta célula es muy parecida a Chlamydomonas. El cuerpo humano, constituido por billones de células individuales, está compuesto, cuando menos, por 200 tipos diferentes de células, cada una especializada para su función particular, pero todas trabajando como un conjunto cooperativo. Los dominios. Los organismos se agrupan en tres categorías principales llamadas dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Dentro del dominio de los Eukarya se encuentran los reinos protistas, hongos, plantas y animales, todos ellos eucariontes. Los organismos pertenecientes al dominio Bacteria incluyen el reino de las Eubacterias. En el dominio Archaea se pueden mencionar las archeobacterias acidófilas, termoplasmales y metanobacterias. Tanto las Eubacterias como las Archeobacterias son procariontes. Los procariotas son esencialmente unicelulares, aunque en algunos tipos las células forman racimos, filamentos o cadenas; este reino incluye formas quimiosintéticas, fotosintéticas y heterótrofas. Los protistas son un grupo diverso de organismos eucarióticos unicelulares y algunos multicelulares simples; incluyen tanto heterótrofos como autótrofos fotosintéticos. Los UNAM, CCH. Plantel Oriente. Área de Ciencias Experimentales. LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07. hongos, las plantas y los animales son organismos eucarióticos multicelulares. Todos los animales y hongos son heterótrofos, mientras que todas las plantas, con unas pocas excepciones curiosas (como la pipa india o monótropa y la cuscuta, que son parásitas) son autótrofos fotosintéticos. Sin embargo, dentro del cuerpo de una planta multicelular, algunas de las células son fotosintéticas, como las células de una hoja, y algunas son heterótrofas, como las células de una raíz. Las células fotosintéticas suministran sacarosa a las células heterótrofas de la planta. Bibliografía usada: Alexander, Piter, Biología, Editorial, lingüística, EE.UU., 1992. QH303.2 A44 Biggs, A.,Kapicka, C. y Lundgren.L., Biología. McGraw-Hill, 2000. Colocación: QH307.2, B544318. Curtis, H., Biología, México, Panamericana, Sexta Edición. Colocación: QH 308, -C 86. Muñoz H., E., Velasco, S. T., Albarrachin et al. Biología. McGraw-Hill, 2000. Colocación: QH315, -B53 Solomon, P., E., Berg, R., L., y Martín, W., D., Biología. McGraw-Hill, Quinta Edición, 2001. Colocación: QH307.2, -B544318. 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