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PRIMERAS TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA Consideraciones previas

Los seres vivos somos materia (todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio) y energía (capacidad de producir un cambio en el estado o movimiento de la materia). Las funciones vitales operan dentro de los limites de las leyes y procesos físicos y no escapan a la constante disipación y concentración de energía, que éstos demandan. Podemos decir que la vida es una sucesión de transformaciones de energía, en cualquiera de sus niveles, regidas por leyes físicas, como son las leyes de la termodinámica: Primera ley. "La energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma de un tipo a otro". Ej: la energía que contienen los alimentos (química) procede de la energía luminosa del sol. Al ser ingeridos, su energía puede transformarse en calor por combustión respiratoria (gracias al oxígeno) Segunda ley. "Una concentración de energía es un sistema inestable, que tiende a alcanzar una estabilidad cada vez mayor disipando energía (Entropía)". La entropía es "desorden". Ej1: Gran cantidad de la energía contenida en los alimentos se disipa como calor, durante la respiración. Ej2: En cualquier cadena alimenticia, cuando la energía se transfiere de un nivel a otro, se va disipando gradualmente (regla del 10 %), por lo que al representar dicha transferencia, se obtiene una gráfica con forma de pirámide (de energía o de alimentos).

1. HISTORIA DE LAS TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA

Creacionismo. Atribuye la existencia de la vida a una "fuerza creadora" desconocida. Esta idea surgió quizá del hombre primitivo y se reforzó en las primeras culturas, como la egipcia o la mesopotámica. La teoría creacionista considera que la vida, al igual que todo el Cosmos, se originó por la voluntad creadora de un "ser divino". La idea creacionista coincidió con la hipótesis del "fijismo", que apoya la inmutabilidad de las especies (éstas no cambian), que fué promovida por grandes filósofos de la Edad Antigua como Platón y Aristóteles, y que perduró hasta incluso el siglo XIX. La iglesia católica aceptó de buen grado la idea de la generación espontánea (que seguía siendo creacionista), cambiándole el nombre por el de "vitalismo". Generación espontánea. Postula que la vida puede surgir de materia sin vida mediante la interacción de las "fuerzas de la naturaleza". Esta teoría prácticamente es un reforzamiento de la anterior. La idea de la generación espontánea igualmente contaba con el apoyo de la iglesia católica, lo que hizo que se arraigara aún más entre la gente de la época, que creía que los seres vivos además de provenir de sus padres, se podían originar de materia sin vida.

Evolución histórica de la microbiología.

Platón o Aristóteles creyeron en la generación espontánea, y aceptaron la aparición de formas inferiores de vida a partir de "materia no viva". Se basaban en la observación natural de la carne en descomposición, de la que al cabo de unos días, surgían gusanos e insectos. Francesco Redí (1626-1698 ) fue un médico italiano que se opuso a la teoría de la generación espontánea y demostró que en realidad esos gusanos que aparecían, eran las larvas de moscas que habían depositado sus huevos previamente. Para demostrar su teoría, en 1668 diseñó unos sencillos experimentos, que consistieron en colocar pequeños trozos de carne dentro de recipientes cubiertos con gasa y otros trozos en recipientes descubiertos, para que sirvieran como "testigo". Unos días después, la carne que quedó al descubierto tenía gusanos, mientras que la carne protegida no los tenía. Además, sobre la gasa que cubría los frascos se encontraron los huevecillos de las moscas, que no pudieron atravesarla. En la misma época, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723), un comerciante holandés con una gran afición por pulir lentes, estaba construyendo los mejores microscopios de su época, y realizó las primeras observaciones reconocidas de microorganismos, a los que él denominaba "animáculos". En 1745, el clérigo inglés John T. Needham (1713-1781), un investigador vitalista intentó, a pesar de los resultados obtenidos por Redi, demostrar la veracidad de la generación espontánea. Para ello realizó unos experimentos que consistieron en hervir caldos nutritivos durante dos minutos, para destruir los microorganismos que en ellos hubiera (ese tiempo de ebullición no es suficiente para matar a todos los microorganismos). A los pocos días volvían a aparecer pequeños microorganismos que, por tanto, debían haberse creado "espontáneamente". Lázaro Spallanzani (1726-1799), un naturalista italiano, no aceptó las conclusiones de Needham. En 1765 preparó "caldos" en distintas vasijas de cristal con boca alargada (similar a un matraz aforado) y los sometió a ebullición prolongada. Unas vasijas las dejó abiertas, mientras que otras las tapó herméticamente. Cuando calentaba un caldo en un frasco abierto, se observaba que al cabo de un tiempo aparecían microorganismos, mientras que cuando lo hacía en frascos cerrados, éstos no aparecían. Los resultados de Spallanzani no convencieron a Needham y sus partidarios, quienes alegaron que el calor excesivo destruía la vida y que los resultados de Spallanzani, únicamente demostraban que la vida se encontraba en el aire y que sin él no podía surgir (en los experimentos de Needham, los matraces estaban abiertos). Spallanzani repitió el experimento, hirviendo durante dos horas sus caldos, pero cometió el error de dejarlos semi-tapados como Needham acostumbraba a hacer, por lo que al observarlos después de unos días encontró que todos los caldos se habían contaminado con microorganismos que procedían del aire. Al considerarse que las pruebas no eran concluyentes, el problema quedo sin decidirse otros 100 años, en los que la controversia continuó, hasta que en 1859, la "Academia francesa de Ciencias" ofreció un premio a quien pudiera demostrar, con suficientes pruebas, si existía o no la generación espontánea. El premio lo ganó Louis Pasteur (1822-1895) quien a pesar de su juventud, en aquella época ya era un reconocido químico-biólogo. Mediante una serie de serie de sencillos pero ingeniosos experimentos, obtuvo unos resultados irrefutables, que derrumbaron una idea (la "generación espontánea") que había durado casi 2.500 años. A partir de entonces se considera indiscutible que todo ser vivo procede de otro (Omne vivum ex vivo), un principio científico que sentó las bases de la teoría germinal de las enfermedades y que significó un cambio conceptual sobre los seres vivos y el inicio de la Bacteriología moderna.

2. TEORÍA CELULAR

La teoría celular establece que la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. Esta teoría fue enunciada a mediados del siglo XIX por Schleiden y Schwann, pero no fue hasta que Santiago Ramón y Cajal propuso su teoría neuronal (en la que defendía la individualidad de las neuronas) que se generalizó como ley universal. La teoría celular puede resumirse en los siguientes cuatro principios fundamentales: 1. Todos los seres vivos están formados por células, pudiendo estar formados por una (seres unicelulares) o por muchas (seres pluricelulares). Por lo tanto la célula es la unidad anatómica (o morfológica) de los seres vivos. 2. La célula es la unidad fisiológica de los seres vivos: es capaz de realizar todos los procesos metabólicos necesarios para permanecer con vida. 3. Las células constituyen las unidades básicas de reproducción: todas las células se originan por división de otras preexistentes y son idénticas a éstas genética, estructural y funcionalmente. 4. La célula es la unidad de vida de los seres vivos: contiene toda la información genética para la síntesis de su estructura y el control de su funcionamiento, y es capaz de transmitirla a su descendencia.

3. ORIGEN EVOLUTIVO DE LAS CÉLULAS Teoría quimiosintética: Síntesis abiótica de monómeoros orgánicos (origen físico-químico)

En 1924, el bioquímico ruso Alexander I. Oparin, formuló su teoría sobre "el origen de la vida" para explicar cómo se formaron las primeras biomoléculas. A ésta teoría también se la conoce como teoría de Oparin-Haldane, pués ese mismo año John D.S. Haldane, cuyo trabajo se publicó algunos años después, sugirió un origen de los compuestos orgánicos similar al propuesto por Oparin. Según ésta hipótesis, las primeras moléculas orgánicas se originaron a partir de los gases atmosféricos, que reaccionaron entre sí de forma espontánea, gracias a la energía desprendida por los procesos naturales que se daban en la Tierra, tras las primeras etapas de su formación (hace unos 4.500 m.a.) La atmósfera primitiva carecía de Oxígeno libre (y por tanto de Ozono), pero contenía una gran cantidad de Hidrógeno, por lo que era fuertemente reductora. En ella existían algunos compuestos orgánicos que se habían formado de manera abiótica como metano (CH4), amoniaco (NH3), ácido cianhídrico (HCN), etc. En aquel ambiente ya existía H2O y CO2. Conforme la tierra se fue enfriando, el vapor de agua procedente sobre todo de las erupciones volcánicas, se condensó y precipitó en forma de lluvias torrenciales y constantes, que al caer, iban solubilizando y arrastrando las sales minerales y otros compuestos. Así el agua se acumuló en las partes profundas, en las que poco a poco se fueron formando los cálidos mares primitivos, que cada vez concentraban más productos nutritivos, formando lo que Oparin llamó la "sopa primigenia"o "caldo primordial". Posteriormente, gracias a la energía procedente del sol, las constantes descargas eléctricas de las tormentas o la radiación ultravioleta, las moléculas de la sopa primitiva (Metano, NH3, etc.) reaccionaron entre sí y dieron lugar a moléculas más complejas, todas ellas compuestas por carbono, como los aminoácidos y los ácidos nucleicos.

Stanley L. Miller y Harold C. Urey realizaron en 1953 una serie de experimentos para probar la hipótesis de Oparin. Para ello simularon en el laboratorio, un mundo en miniatura, con las condiciones de la atmósfera primitiva: rica en hidrógeno, metano y amoníaco. En un aparato sencillo, introdujeron éstos gases y los sometieron a continuas descargas eléctricas, en un ambiente con vapor de agua. Los resultados fueron sorprendentes: obtuvieron diversas moléculas orgánicas como aminoácidos, ácidos grasos, urea, etc. Años más tarde, el catalán Juan Oró y el americano Sydney W. Fox realizaron experimentos con resultados similares, el primero al sintetizar adenina (componente esencial de los ácidos nucleicos), y el segundo al demostrar la agregación de aminoácidos en determinadas circunstancias, para formar pequeños péptidos (proteínas).

I. FORMACIÓN DE LAS PRIMERAS CÉLULAS. La aparición de las primeras células podría deberse a la formación de polímeros orgánicos, a partir de las macromoléculas del caldo primitivo, que se podrían haber ensamblado espontáneamente de forma abiótica y quedar rodeados por una estructura membranosa. De éste modo quedarían constituídos los precursores de las primeras células, es decir unas protocélulas a las que Carl Woese denominó en 1980 progenotas o protobiontes. Estas protocélulas deben cumplir dos condiciones: 1. Deben ser autopoyéticas, es decir tener una membrana que preserve su individualidad, aislándolas del medio y a la vez les permita un adecuado intercambio con éste. 2. Tienen que tener capacidad de replicarse para poder reproducirse y transmitir su mensaje a los descendientes, para de esa forma asegurar la continuación de la vida. Existen diversas hipótesis que tratan de explicar cómo surgieron las primeras células a partir de las macromoléculas. Entre las principales teorías podemos destacar las siguientes: Hipótesis de los coacervados. Originalmente propuesta por el holandés B. de Jong, fue retomada por el propio Oparin tras los resultados de sus experimentos. Observó que los polímeros obtenidos previamente, cuando estaban inmersos en soluciones acuosas, tendían a separarse espontáneamente y formar pequeñas gotitas que quedaban suspendidas en ella, con los polímeros en su interior. A éstas gotitas las llamó coacervados. Oparín logro obtener coacervados en el laboratorio y al añadirles enzimas procedentes de otras células consiguió que crecieran y se dividieran. Con esto, pudo teorizar la creación del protobionte: "La envoltura de polímeros que forma el coacervado, delimita un medio interno líquido en el que habría alguna enzima, que quedaría aislada del exterior, de éste modo habrían adquirido un metabolismo muy simple, que les permitiría crecer a medida que captaban moléculas del exterior y, al adquirir cierto tamaño, se dividirían". Los coacervados pueden definirse, por tanto como moléculas coloidales, rodeadas de una película de agua que, a medida que aumentan en complejidad pueden separarse del agua, formando una unidad independiente, con un metabolismo propio, que puede interactuar con su entorno.

Fig. Formación de coacervados: gotitas de polímeros en solución acuosa. Tomada de Lazcano: "El origen de la vida"

Esta hipótesis no explica, sin embargo cómo pudieron evolucionar los coacervados, pues no se contempla la adquisición de información genética.

Hipótesis de las microesferas proteinoides. En 1972, el americano Sydney W. Fox y sus colaboradores dieron un paso más en el estudio del origen de la vida . Si bien se habían obtenido aminoácidos previamente, en los experimentos de Miller y Urey, quedaba por dilucidar si éstos eran capaces de ensamblarse para formar proteínas. Para comprobarlo, hirvieron una mezcla sencilla de aminoácidos (como glutamato, aspartato, etc.) que, bajo éstas condiciones, polimerizaron y formaron cadenas lineales unidas por enlaces peptídicos, similares a las que conforman la estructura primaria de cualquier proteína. No obstante, éstas cadenas lineales no podían considerarse verdaderas proteínas, al no poseer ciertas características propias de éste grupo (formación de estructura secundaria, etc.), por lo que se las llamó proteinoides. Lo siguiente que observaron es que cuando se enfriaban en disolución (por ejemplo, para intentar conservarlas), éstos proteinoides se reordenaban, formando estructuras circulares, a las que denominaron microesférulas o microesferas.

Fig. MIcroesferas proteinoides de Fox. (Tomada de http://cnho.files.wordpress.com/)

Una característica reveladora de las microesferas protenoides es que presentaban una doble envoltura permeable, similar a la de las membranas naturales (compuestas por fosfolípidos), lo que permite que la microesferula se hinche o se deshidrate, y que podría ser el origen de la capacidad de dividirse por un proceso parecido a la bipartición o la gemación. Además, éstas microesferas podrían tener cierta capacidad catalítica, debido a la presencia de enzimas en su interior.

Fox no solo llevó a cabo sus experimentos en el laboratorio, sino que dio una posible explicación al modo en que las microesferas pudieron formarse en la Tierra. Supuso que el proceso podría darse en zonas volcánicas, donde el calor calienta el agua bajo el suelo y ésta tiende a salir a la superficie en forma de géiseres y fumarolas, que crean charcas en sus alrededores, con las condiciones necesarias para que se sinteticen los protenoides. Si posteriormente éstas charcas se enfrían, por la lluvia etc., se podrían generar las microesferas que, a su vez, podrían catalizar la formación de otras moléculas orgánicas. Al igual que la de los coacervados, la teoría de las microesferas tampoco explica la evolución de las protocélulas, al no explicar la organización del material genético y carecer de mecanismos de transmisión de la herencia. Fox sugiere no obstante que, al haberse formado a partir de aminoácidos, existe la posibilidad de que los primeros protenoides, hubieran transmitido dicha información a algún tipo de ácido nucleico, originándose así un código genético primitivo.

Hipótesis: "mundo de ARN". Hoy dia se acepta que las primeras formas prebióticas debieron ser las microesferas proteinoides de Fox. Sin embargo sigue sin resolverse el problema de cómo adquirieron la capacidad para autorreplicarse. El principal problema lo plantea el hecho de que las células actuales utilizan para éste proceso dos tipos de polímeros: unos portadores de la información (ác. Nucleicos) y otros que la ejecutan (enzimas). La cuestión se simplificaría si hubiera un solo tipo de macromolécula que hiciera las dos cosas. El ARN es el que reúne más condiciones para considerarse precursor de éste proceso, por el papel central que ocupa en el flujo de información en las células actuales, entre el ADN y la síntesis proteica. Además, muchas coenzimas son ribonucleótidos o derivan de ellos (CoA, NAD, ATP) y la síntesis de desoxirribonucleótidos se realiza a partir de ribonucleótidos. Se cree que una vez adquirida la información genética, los protobiontes evolucionaron hasta constituir células.

Conclusión: La mayoría de los científicos apoyan la hipótesis de que la vida se desarrolló en la Tierra a partir de la materia inanimada que, de alguna manera, se ordenó dentro de agregados moleculares que en un determinado momento fueron capaces de autorreplicarse y poseer un metabolismo propio, creando así las primeras protocélulas. Una vez alcanzada la capacidad de autorreplicarse, los protobiontes pudieron evolucionar y originar las células procariotas. La vida puede ser un fenómeno universal, consecuencia del desarrollo físico de la materia, que ocurre de modo espontáneo bajo condiciones propicias.

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