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