HIJOS DEL DILUVIO UNIVERSAL
La Tierra, nuestro planeta, tiene una edad aproximada de 4.600 millones de años. Se formó a partir de la colisión y posterior unión de cientos de miles de cuerpos que se encontraban en el disco circumestelar protoplanetario (ver entrada de CIENATEC El Olimpo). Al principio las temperaturas eran tan elevadas que su superficie se componía de material fundido. Sin embargo, a medida que bajaba la radioactividad disminuía también el calor, de modo que la Tierra primitiva comenzó a enfriarse lenta pero constantemente. Con el tiempo, el descenso de las temperaturas dio lugar a la transformación de su superficie, cuyo estado pasó de fluido a sólido. Había nacido la roca volcánica.
Tierra primitiva y evolución química
Los cometas y meteoritos que impactaban sobre la Tierra contenían aproximadamente un 5% de agua, y ésta comenzó a acumularse en la superficie. Las altas temperaturas aún reinantes provocaron la evaporación de esa agua en grandes cantidades que, al llegar a la atmósfera primigenia, se unían al dióxido de carbono, formando espesas nubes que dieron lugar al mayor diluvio que haya habido jamás en nuestro planeta.
La lluvia cayó sobre el exterior rocoso durante decenas de millones de años, convirtiendo a la Tierra en un planeta constituido en un 90% por agua (sólo existían pequeñas islas volcánicas). El agua, rica en hierro, era de color verde, y el cielo, debido a su alto contenido en dióxido de carbono, rojo. Por aquel entonces, la presión atmosférica era tan grande que podría haber aplastado un cuerpo humano, la temperatura era de unos 93ºC y la toxicidad era muy elevada.
Posteriormente la corteza fue fracturándose debido a los fenómenos volcánicos ocurridos bajo los océanos, permitiendo al agua entrar en las grietas de lava fundida y mezclarse con ella, formando granito, el cual ascendió y dio origen a la corteza continental, ligera y lo suficientemente resistente como para soportar la fuerza erosiva de las olas, a diferencia de las islas volcánicas, que fueron sucumbiendo a su devastador efecto.
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| Tierra primitiva. misalumnosliceo48.blogspot.com.es |
Para que pudiera producirse la evolución química de la vida debieron cumplirse cuatro requisitos: ausencia total, o casi, de oxígeno libre, una fuente de energía, bloques de construcción químicos y tiempo. Puesto que el oxígeno es muy reactivo, habría oxidado las moléculas orgánicas, componentes necesarios para el inicio de la vida. La atmósfera terrestre primitiva era altanmente reductora, de modo que el oxígeno libre habría reaccionado con otros elementos para formar óxidos.
El segundo requerimiento era la existencia de una fuente de energía necesaria para transformar compuestos inorgánicos simples en moléculas biológicas. La Tierra primigenia era un lugar con una elevada energía, con violentas tormentas eléctricas, vulcanismo generalizado, constante bombardeo de meteoritos e intensa radiación.
En tercer lugar, debieron estar presentes las sustancias químicas necesarias como constituyentes para la evolución química, entre las que se incluían agua, minerales inorgánicos disueltos (iones) y gases atmosféricos.
Por último, fue preciso que transcurriera el tiempo suficiente para que las moléculas se acumulasen y reaccionasen entre sí. Los más antiguos vestigios conocidos de vida datan de hace unos 3.800 millones de años, 800 millones de años después de la configuración terrestre.
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| Chimenea hidrotermal. tectonicsplate.wikispaces.com |
A.I. Oparin, bioquímico ruso, intuyó que durante largos períodos las moléculas orgánicas pudieron acumularse en aguas someras, como un mar de sopa orgánica. Reparó en que en tales condiciones las moléculas orgánicas más pequeñas (monómeros) pudieron haberse combinado para formar otras mayores (polímeros). Sin embargo, estudios más recientes indican que esos polímeros pudieron haberse constituído sobe superficies rocosas o de arcilla, y no en los mares primordiales. Pero existe otro escenario posible para la evolución química: las polimerizaciones iniciales que llevaron al origen de la vida pudieron ocurrir en fisuras del piso oceánico profundo, conocidas como chimeneas hidrotermales, que habrían estado más protegidas que la supeficie de las terribles alteraciones producidas por el bombardeo de meteoritos. Hoy día, dichas fuentes termales siguen originando precursores de moléculas orgánicas y alimento rico en energía, como metano y sulfuro de hidrógeno.
Primeras células
El estudio de los protobiontes sintetizados en el laboratorio evidencia que las precélulas relativamente sencillas pueden presentar algunas de las propiedades de los seres vivos actuales. Sin embargo, sigue siendo un gran misterio cómo esas precélulas se transformaron en células vivas.
Las primeras células en surgir fueron procariotas, como muestran fósiles microscópicos encontrados en rocas de Australia y Sudáfrica, con entre 3.100 y 3.500 millones de años de antigüedad. Los estromatolitos son otro tipo de prueba fósil de la existencia de las primeras células; son rocas en forrma de columna compuestas por gran cantidad de capas delgadas de muchas células procariotas, generalmente cianobacterias.
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| Célula procariota. celulabhill.galeon.com |
El surgimiento de estas células tal vez ocurrió tras una serie de pasos cortos, siendo una de las partes más importantes del proceso el origen de la reproducción molecular. Como es sabido, la información genética de las células vivas se almacena en el ácido nucleico DNA, el cual se transcribe en el mensaje en RNA, que a su vez se traduce a la secuencia adecuada de aminoácidos en las proteínas. Puesto que tanto DNA como RNA pueden formarse espontáneamente en arcilla de manera muy parecida a como ocurrre con otros polímeros orgánicos, la pregunta es qué molécula, DNA o RNA, apareció antes en el mundo prebiótico.
Algunos autores sugieren que la química de la Tierra primigenia originó moléculas de RNA autoduplicantes que funcionaban a la vez como enzima y sustrato de su propia duplicación (Hipótesis del mundo de RNA). Lo sorprendente es que existen RNA enzimáticos que poseen propiedades catalíticas, denominados ribosomas, que pudieron haber catalizado su propia duplicación en arcillas, pozas someras de roca o chimeneas hidrotermales donde apareció la vida. Ahora bien, si un RNA autoduplicante capaz de codificar proteínas apareció antes que el DNA, ¿cómo surgió éste? Quizá el RNA hizo copias bicaterianas de sí mismo que con el tiempo se convirtieron en DNA. Lo que está claro es que su incorporación en el sistema de transferencia de infomación fue muy ventajosa, pues su conformación de doble hélice es más estable (menos reactiva) que la forma monocateriana del RNA.
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| Comparativa entre RNA y DNA. commons.wikimedia.org |
Sin embargo, fueron necesarios varios pasos más para que pudiera desarrollarse la primera célula viva a partir de agregados macromoleculares. Por ejemplo, el código genético debió sugir en una fase muy temprana en el mundo prebiótico, porque todos los organismos lo poseen, pero ¿cómo se originó? Y, además, ¿cómo se explica que una membrana plasmática de lípido y proteína envolviera los ensamblajes precelulares y permitiera así la acumulación de algunas moléculas y la exclusión de otras?
Células heterótrofas y células autótrofas
Las primeras células pudieron obtener del medio las moléculas orgánicas que necesitaban, en lugar de sintetizarlas, consiguiendo la energía necesaria para la vida a través de su fermentación. Así, las primeras células fueron casi con total certeza heterótrofas y anaerobias.
Cuando disminuyó la existencia de moléculas orgánicas generadas espontáneamente, sólo sobrevivieron determinados organismos que habían sufrido mutaciones que les permitieron obtener energía directamente de la luz solar (quizá para sintetizar ATP), lo que se tradujo en una clara ventaja selectiva. Lo más probable es que los primeros organismos autótrofos fotosintéticos, aparecidos hace entre 3.100 y 3.500 millones de años, emplearan la energía de la luz del sol para romper moléculas ricas en hidrógeno, siendo las cianobacterias las primeras en romper moléculas de agua para obtener hidrógeno. En este proceso se liberó oxígeno, aunque fue necesario un largo período de tiempo para que éste pudiese acumularse en la atmósfera, pues inicialmente oxidaba (es decir, se unía a moléculas) minerales del océano y la corteza terrestre.
Aerobios
Hace unos 2.000 millones de años, las cianobacterias habían producido suficiente oxígeno para comenzar a modificar significativamente la composición atmosférica, lo que supuso un impacto decisivo en la vida: los anaerobios forzados (aquellos que no pueden utilizar oxígeno para la respiración celular) murieron en su mayoría; algunos anaerobios sobrevivieron en ambientes donde no penetra el oxígeno; otros desarrollaron modos de neutralizarlo para no ser dañados. Los aerobios, por su parte, desarrollaron una vía respiratoria que usaba el oxígeno para extraer más energía del alimento y convertirla en ATP.
La aparición de seres vivos capaces de emplear oxígeno en su metabolismo tuvo importantes consecuencias. Los organismos que respiran aeróbicamente obtienen mucha más energía de una sola molécula de glucosa de la que extraen los anaerobios mediante la fermentación, lo que quiere decir que los aerobios recién surgidos fueron más eficaces y competitivos que los anaerobios.
La respiración aerobia tuvo también un efecto estabilizador tanto del oxígeno como del dióxido de carbono en la biosfera. Los organismos fotosintéticos empleaban dióxido de carbono como fuente de carbono para la síntesis de compuestos orgánicos, por lo que dicha materia prima podría haberse agotado de no ser por la aparición de la respiración aerobia, que libera dióxido de carbono como subproducto de la degradación de moléculas orgánicas. De manera similar, el oxígeno era liberado en la fotosíntesis y usado en la respiración aerobia.
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| Formación de ozono. cvlamps.com |
Otra consecuencia importante de la fotosíntesis tuvo lugar en la atmósfera superior, donde el oxigeno molecular reaccionó para formar ozono. Con el tiempo se formó una capa de ozono que envolvió a la Tierra y que impidió que gran parte de la radiación ultravioleta del sol llegara a la superficie terrestre. Gracias a esta protección, los organismos pudieron vivir más cerca de la superficie en los ámbitos acuáticos para colonizar más tarde las tierras emergidas. Sin embargo, debido a que la energía de la radiación ultravioleta era necesaria para la formación de moléculas orgánicas, su síntesis abiótica disminuyó.
Células eucarióticas
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| Célula eucariota. recursostic.educacion.es |
Los eucariotes aparecieron hace entre 1.900 y 2.100 millones de años a partir de los procariotes. La Teoría endosimbiótica, propuesta por Lynn Margulis, establece que orgánulos como mitocondrias y cloroplastos pudieron haberse originado gracias a relaciones simbióticas entre dos organismos procarióticos. Se cree que los cloroplastos se originaron de bacterias fotosintéticas (seguramente cianobacterias) que vivían dentro de células heterótrofas más grandes, mientras que las mitocondrias eran posiblemente bacterias aerobias (tal vez bacterias púrpuras) que vivían igualmente en el interior de células anaerobias más grandes. Quizá estas bacterias fueron ingeridas, pero no digeridas, por la célula huésped y, una vez incorporadas, sobrevivieron y se reprodujeron junto a ella, de forma que las generaciones posteriores también contenían endosimbiontes. Con el paso del tiempo, el endosimbionte perdió la capacidad de vivir fuera de su célula huésped, y viceversa, pues ambos socios aportaban a la relación algo de lo que el otro carecía.
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| Teoría endosimbiótica. http://naturalezacantabrica.blogspot.com.es |
Cómo se desarrollaron las formas de vida de mayor tamaño es otra historia que será contada más adelante.
