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Colegio el Valle Ciencias para el mundo contemporáneo
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TEMA 3. EL ORIGEN DE LA VIDA Y LA EVOLUCIÓN EL ORIGEN DE LA VIDA CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS 1. Los seres vivos se caracterizan porque realizan tres funciones vitales.
Función de nutrición Es el intercambio de materia y energía con el entorno. Van a procesar la materia y la transformarán gracias a reacciones químicas que forman parte del metabolismo. Esta función es básica para mantener la actividad vital de los organismos.
Función de reproducción Los seres vivos son capaces de formar réplicas o copias de sí mismos. Para ello, previamente deben duplicar su material genético.
Función de relación Los seres vivos reciben y responden a la información procedente del medio externo. Esta función capacita a los seres vivos a reconocer el medio en el que viven.
2. Los seres vivos están compuestos por biomoléculas. Las biomoléculas que conforman los seres vivos pueden ser de dos tipos:
Biomoléculas inorgánicas • Agua • Sales minerales
Biomoléculas orgánicas • Glúcidos, hidratos de carbono o azúcares • Lípidos • Proteínas • Ácidos nucleicos
3. Las biomoléculas se organizan formando las células. Las células son las unidades estructurales y funcionales de todos los seres vivos. TEORÍA CELULAR En el siglo XVI, los hermanos Jansen, fabricaron el primer microscopio. Este descubrimiento ha permitido observar y estudiar perfectamente la estructura de las células. -‐ En 1665, Robert Hooke estudia al microscopio láminas de corcho vegetal y observa que se componen de numerosos huecos o células, de donde surgió el nombre de células. -‐ Poco tiempo después, Anton van Leeuwenhoek observa al microscopio diversas células, como glóbulos rojos, espermatozoides y protozoos, algas, levaduras y bacterias a los que denominó animáculos. -‐ Posteriormente se demostró que las células no estaban vacías, sino que tenían distintas estructuras en su interior: Theodor Schwann (zoólogo) y Matthias Schleiden (botánico) inician la teoría celular, indicando que todos los seres vivos están constituidos por células. -‐ Rudolph Virchow comprobó que las células son capaces de reproducirse, luego cada célula procede de otra anterior a ella. -‐ Santiago Ramón y Cajal demuestra que las neuronas son células independientes, y que el término célula también es aplicable al sistema nervioso.
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PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TEORÍA CELULAR • Todos los seres vivos están formados por células. • Toda célula procede de otra preexistente. • Las funciones vitales de los organismos también ocurren en las células. • Las células contienen la información genética necesaria para la regulación de funciones
celulares y transmiten dicha información a la descendencia. LA EVOLUCIÓN QUÍMICA Los filósofos griegos fueron los primeros que no buscaron soluciones a sucesos del planeta en el terreno mitológico y sobrenatural. Emplearon la razón como mecanismo de análisis y la razón como herramienta y así intentaron explicar la vida de un modo diferente a sus antecesores. -‐ Aristóteles desarrolló la idea de la generación espontánea, según la cual, la vida surge sin la intervención de dios, de la combinación de los cuatro elementos que forman el cosmos: agua, aire, fuego y tierra. Describe el nacimiento de peces, ratones e insectos a partir del barro. A pesar del esfuerzo intelectual de los filósofos griegos, en los siglos posteriores se instauró el cristianismo en el oeste de Europa, por lo que dominó el pensamiento de un dios creador. -‐ Transcurrida la Edad Media se instauró de nuevo una mentalidad grecolatina que cuestionaba el origen sobrenatural de la vida. Esta nueva corriente de pensamiento sentó las bases del método científico, que considera como único procedimiento válido aquel que da explicaciones expresadas en lenguaje matemático y la experimentación para confirmar o refutar una hipótesis. Galileo, Newton, Kepler y Bacon sentaron las bases de esta nueva forma de estudiar la naturaleza. -‐ En el siglo XVII, Francesco Redi realizó varios experimentos que pusieron en entredicho la teoría de la generación espontánea. Introdujo materia orgánica en descomposición en tres recipientes. Dejó uno abierto, otro tapado con una gasa y otro cerrado herméticamente. Al cabo de un tiempo observó que en primer recipiente habían aparecido gusanos nacidos de huevos de moscas, en el segundo, las moscas depositaron los huevos sobre la gasa, y en el tercero no había signos de vida. Demostró que la vida no surge sin más de la materia orgánica en descomposición.
http://www.sma.df.gob.mx/mhn/images/04asomate/visitavirtual/origenvida/foto2.jpg
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-‐ Louis Pasteur desterró definitivamente la teoría de la generación espontánea:
Fabricó matraces con cuello de cisne, donde colocó un caldo de cultivo. Hirvió este caldo para matar los microorganismos que tuviera, y pasado un tiempo observó que el caldo estaba libre de microbios, ya que estos quedaban retenidos en el cuello del matraz. Al cortar el cuello del matraz observó que tras hervir el caldo, aparecían microorganismos en el matraz, ya que eran capaces de acceder al líquido. http://aportes.educ.ar/biologia/EXPERIM_pasteur______.jpg
-‐ En 1922, el bioquímico ruso Oparín, basándose en los conocimiento de las condiciones ambientales que reinaban en esa época en la Tierra, planteó la hipótesis de que debido a la acción de las energías dominantes en aquel momento, las sustancias inorgánicas presentes (hidrógeno, metano, vapor de agua, amoniaco) pudieron generar moléculas orgánicas, las cuales se concentraron en los océanos formando el caldo prebiótico. Estas moléculas se combinarían entre sí formando estructuras cada vez más complejas que terminarían aislándose del medio, dando lugar a las primeras células. LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA Es el conjunto de cambio sucesivos que ocurren en los seres vivos a lo largo de las generaciones, debido a mutaciones en su ADN. Para que un cuerpo físico esté dotado de vida necesita:
• Un compartimento cerrado, pero no aislado del entorno. Por ello, la existencia de una membrana semipermeable es idónea, ya que va a regular la entrada y salida de moléculas.
• Moléculas capaces de procesar y modificar las sustancias que entran en el compartimento, obteniendo de ellas la energía. Estas moléculas catalizadoras del metabolismo son las enzimas.
• Moléculas que contengan la información necesaria para reproducir el sistema. Son los ácidos nucleicos.
TEORÍA ENDOSIMBIONTE 1. Woese llamó protobionte al antepasado común de todos los seres vivos, definiéndolo como la unidad de vida más primitiva con capacidad de transcripción y traducción genética. De este antepasado común surgieron las células procariotas, que engloban las arqueobacterias y las eubacterias. Más tarde surgieron las células eucariotas. 2. Margulis elabora la teoría endosimbionte, la cual supone que las células eucariotas proceden de una célula ancestral universal, llamada urcariota, que engloba otras células procariotas y establece con ellas una relación simbiótica. -‐ Algunos simbiontes son digeridos. -‐ Otros se transforman en peroxisomas y mitocondrias. -‐ Otros darán lugar a los cloroplastos.
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Mitocondrias y cloroplastos son similares en tamaño a las bacterias, y además tiene su propio ADN, que codifica la síntesis de alguno de sus componentes. Los ribosomas de mitocondrias y cloroplastos también presentan similitudes con los de bacterias. La aparición de estos precursores de mitocondrias y cloroplastos permite a la célula eucariota adquirir las funciones de reproducción aerobia y de fotosíntesis. La célula primitiva proporcionó protección y alimento a los simbiontes procariotas. Según esta teoría, parte de los genes del ADN mitocondrial y de los cloroplastos se incorporaron al ADN de la célula huésped, y gracias a esta simbiosis adquirieron características y propiedades muy ventajosas, y sería seleccionadas en el proceso evolutivo. http://3.bp.blogspot.com/_W3QQ-‐I5EL54/S5-‐0FtrrwDI/AAAAAAAAEEc/C_Kz7Irhxr4/s400/simbiognesis.jp TEORÍAS FIJISTAS O CREACIONISTAS Sostienen que el mundo es estático y que las distintas formas de vida no han cambiado desde su creación. El descubrimiento de los fósiles supuso un problema para los defensores de esta hipótesis, y surgió la teoría diluviana, según la cual los fósiles son restos de animales que no sobrevivieron al diluvio universal. Los avances de la geología demostraron diversas extinciones masivas, por lo que buscaron nuevas explicaciones a este hecho. Cuvier propuso la teoría catastrofista, que proponía las extinciones seguidas de nuevas creaciones. TEORÍAS EVOLUTIVAS -‐ Las expediciones naturalistas de los siglos XVIII y XIX aumentaron enormemente el catálogo de biodiversidad, el cual superaba con creces el tamaño del Arca de la Alianza, en el que todas las criaturas vivas habían sobrevivido al diluvio universal, y por lo tanto quedaba cuestionado. -‐ Surgió la taxonomía, una ciencia que agrupaba a todos los seres vivos del planeta. Su mayor exponente fue Linneo, quien pretendió reflejar el plan de la creación divina, pero al agrupar las especies por sus similitudes, sin pretenderlo mostró unas relaciones de parentesco que permitían establecer relaciones evolutivas.
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1. LAMARCK Estableció la primera teoría evolutiva organizada, llamada ley del uso y del desuso, según la cual los organismos, empujados por la necesidad de vivir, reaccionan frente a un cambio ambiental desarrollando un órgano determinado, de la misma manera que el abandono del uso de un órgano conduce a su desaparición: la función hace al órgano. Lo innovador de esta ley fue la adaptación, que es el mecanismo que presentan los seres vivos para sobrevivir ante las variaciones del medio en el que se encuentran. Actualmente esta ley no se considera válida debido a que: -‐ No se ha podido demostrar experimentalmente la tendencia hacia la complejidad en ningún ser vivo. -‐ Según los conocimientos de genética no es posible probar la herencia de los caracteres adquiridos. Lo que se heredan de nuestros progenitores son los genes, localizados en los gametos, que no son influenciados por los órganos desarrollados o atrofiados. 2. DARWIN Y WALLACE: SELECCIÓN NATURAL Ambos llegaron al mismo tiempo y de manera independiente a la misma conclusión sobre la evolución. CHARLES DARWIN Darwin se basó en varios estudios para elaborar su teoría evolutiva: • El libro “Principios de Geología”, de Charles Lyell, establecía la edad de la Tierra en millones de años.
• Las observaciones realizadas en sus viajes alrededor del planeta, a bordo de Beagle, donde descubrió una enorme diversidad de seres vivos y fósiles, encontrando grandes diferencias entre individuos de una población de la misma especie.
Observó que en distintas islas que componen las Galápagos habitaban diferentes especies de pinzones, con picos especializados en la alimentación de plantas exclusivas de cada isla, y todos estos se parecían a un pariente que vivía en el continente. Pensó que el antecesor común continental había colonizado las islas, y que las poblaciones de cada isla, por azar, habían sufrido modificaciones en sus picos. Los cambios que resultaban ventajosos se habían transmitido a la descendencia. Con el tiempo, los cambios graduales producidos en la forma de los picos eran lo suficientemente grandes como para dar lugar a especies diferentes de pinzones.
• El libro “El ensayo sobre la población”, del matemático Thomas Malthus, donde exponía que la lucha por la supervivencia en un medio con escasos recursos conducía a la supervivencia de unos pocos individuos de la población.
• La selección artificial realizada por el hombre sobre distintas especies domésticas, como vacas o plantas de consumo humano era semejante a la selección que hacía la naturaleza sobre las distintas especies que habitan el planeta.
Sólo lograrán sobrevivir y reproducirse aquellos individuos portadores de un rasgo determinado que les confiera una ventaja adaptativa sobre el resto de individuos. A este mecanismo lo denominó selección natural.
Darwin era consciente de que su teoría carecía de base, por lo que trató de argumentar con ejemplos observados en la naturaleza. Para superar estas dificultades contaba con el apoyo de la mayor parte de la comunidad científica. Además recibió un manuscrito de Wallace desde Malasia en el que describía una teoría similar a la suya. Así, decidió publicar su libro “Sobre el origen de las especies” en 1859, con la cual se inició una revolución que todavía hoy perdura.
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Las claves de la teoría evolutiva de Darwin y Wallace son: Variación al azar: Existen diferente variedades entre los individuos de la misma especie. Selección natural: Es el mecanismo que escoge los caracteres que confieren una ventaja
adaptativa a los organismos que los portan, permitiendo su reproducción y su transmisión a la siguiente generación.
Gradualismo: Con el paso del tiempo, los individuos portadores del carácter adaptativo se irán haciendo mayoritarios en la población.
El impacto de la teoría de Darwin fue muy grande, y de ella se desprenden tres consecuencias:
1. Los organismos semejantes están emparentados. Al retroceder en el tiempo se encontrará un antepasado común a todas las formas de vida.
2. La variación es debida al azar y la selección natural es un filtro que actúa sobre los caracteres adaptativos ante un medio determinado. Un carácter puede ser ventajoso en un ambiente y no serlo en otro.
3. Sitúa al hombre dentro de la naturaleza, como una especie más sujeta a los mismos principios que el resto de seres vivos. Este fue el punto más polémico de todos, pues tuvo a los científicos lamarckistas y a la iglesia como fuertes detractores de su teoría.
Las dos objeciones presentadas a la teoría de la selección natural fueron: La falta de pruebas, puesto que Darwin desconocía las causas que producían variación en
los organismos, punto central de su teoría. La ausencia de restos fósiles entre grupos de organismos, los llamados eslabones perdidos.
Darwin lo defendía debido a que el registro fósil estaba incompleto. TEORÍA SINTÉTICA O NEODARWINISMO El darwinismo fue perdiendo fuerza hasta principios del siglo XX, con el redescubrimiento de las leyes de Mendel, en 1900, y el descubrimiento de la genética. Al completar el registro fósil y con la introducción de la estadística se establece la teoría sintética de la evolución, desarrollada por Dobzhansky, Ernst Mayr y G. G. Simpson. Los principios de esta teoría son los siguientes:
• Existen dos fuentes de variación en los organismos. Por una parte las mutaciones al azar en el material genético y por otra, la capacidad, casi ilimitada de combinación en que tienen los genes como consecuencia de la recombinación genética que tiene lugar en la meiosis.
• La selección natural actúa sobre estas combinaciones de genes, de manera que las mejor adaptadas a un ambiente determinado pasarán a la siguiente generación, mientras que las combinaciones genéticas menos adaptadas serán eliminadas.
• La selección natural actúa sobre las poblaciones, no sobre los individuos: la acumulación de pequeñas variaciones en las frecuencias génicas modifica de forma casi imperceptible a las poblaciones, pero con el paso del tiempo las diferencias serán tan grandes que darán lugar a especies diferentes. Este proceso lento de transformación de una especie en otra se denomina anagénesis.
Esta teoría tiene en cuenta los siguientes factores: -‐ La migración de individuos de una población a otra. -‐ La hibridación entre especies afines, es decir, la reproducción entre individuos de especies
emparentadas dando lugar a híbridos. Este proceso se conoce como deriva genética.
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TEORÍA DEL EQUILIBRIO PUNTUADO Frente a la idea de la introducción de pequeños cambios introducidos en una especie, que dan lugar a un cambio gradual (microevolución), aparece una nueva teoría que afirma que grandes cambios súbitos introducidos en una población son los responsables de la creación de nuevas especies (macroevolución). Esta teoría fue desarrollada en 1972 por Stephen Jay Gould y Niles Eldredge. Tiene en cuenta dos hechos fundamentales:
1. En el ámbito geológico, y teniendo en cuenta la vida media de las especies sobre la Tierra, estiman que el proceso de especiación es rápido, porque ocurre en un lapso de tiempo de entre 5000 y 50000 años.
2. El registro fósil muestra que tras la aparición de una especie, esta no cambia demasiado durante el resto de sus existencia, cifrada como media en 10 millones de años.
La teoría del equilibrio puntuado defiende un mecanismo evolutivo rápido y por ramificación, es decir, por cladogénesis. NEUTRALISMO Esta teoría ha sido propuesta por el genetista japonés Mooto Kimura. Considera que la mayoría de las mutaciones son neutras, es decir, no son ni ventajosas ni perjudiciales para los individuos que las presentan. Los cambios se debe a que la reproducción al azar ha favorecido la supervivencia de determinados genes. Alguna de estas mutaciones se ha podido fijar sin que se debiera a ninguna ventaja adaptativa. Aunque sea cierto en algunos casos, en otros es indudable el papel de la selección natural para la supervivencia de los genes. PRUEBAS DE LA EVOLUCIÓN 1. PRUEBAS PALEONTOLÓGICAS Se han encontrado fósiles con características intermedias entre especies y entre grupos taxonómicos diferentes. Ejemplo: Archaeopterix litográfica presenta caracteres intermedios entre reptiles y aves. -‐ Características de reptiles: una larga cola ósea, presencia de garras en los dedos y de dientes en las mandíbulas. -‐ Características de aves: presencia de plumas bien desarrolladas y alas similares a las de las aves modernas.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Archaeopteryx_bavarica_Detail.jpg
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2. PRUEBAS DE BIOQUÍMICA COMPARADA Al comparar las moléculas químicas que constituyen los seres vivos se han encontrado datos que apoyan la veracidad del proceso evolutivo: -‐ Los componentes químicos esenciales de todos los organismos son idénticos (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos), y sus unidades estructurales básicas también son las mismas (monosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos y nucleótidos). -‐ Presentan procesos metabólicos idénticos, incluso en organismos tan alejados sistemáticamente como bacterias y mamíferos. -‐ Cuanto más cercano es el parentesco entre dos organismos, más parecidas son sus secuencias proteicas, y por lo tanto, su ADN. 3. PRUEBAS DE ANATOMÍA COMPARADA Se basa en la comparación de órganos de distintos seres vivos. -‐ Órganos homólogos: Son aquellos que presentan un origen común, pero debido a la selección natural han evolucionado y en la actualidad poseen una función diferente. Ejemplo: Las extremidades de distintos mamíferos, como los félidos, los delfines y los murciélagos. - Órganos análogos: Son aquellos que presentan un origen evolutivo diferente y que en la actualidad cumplen la misma función. Ejemplo: Las alas de insectos, aves y murciélagos. 4. PRUEBAS DE LA DISTRIBUCIÓN GEOGRÁFICA Las distintas especies del planeta se encuentran restringidas a determinadas áreas de este, aunque existan hábitats idóneos para su supervivencia. La explicación es que estas especies no pudieron llegar a estas zonas porque había barreras geográficas, tales como cordilleras, océanos, etc., que les impidieron el paso. Algunas de las especies quedaron aisladas en islas o penínsulas, y con el paso del tiempo dieron lugar a especies endémicas, que evolucionaron a partir de sus antepasados y que en la actualidad únicamente están presentes en estas zonas del planeta. Ejemplo: El lince ibérico, el águila imperial ibérica. 5. PRUEBAS EMBRIOLÓGICAS Se basan en la comparación de las primeras etapas embrionarias de los grandes grupos de vertebrados terrestres. Se han encontrado fases donde las características se corresponden con las de sus antepasados menos evolucionados. Ejemplo: Presencia de hendiduras branquiales, seis pezones y cola en todos los mamíferos, incluido, por supuesto, el ser humano. 6. PRUEBAS SISTEMÁTICAS Al tener en cuenta las relaciones que presentan las especies entre sí, es posible establecer clasificaciones que se representan como árboles genealógicos. Se tienen en cuenta todas las pruebas citadas anteriormente, por lo que el resultado son clasificaciones filogenéticas, que muestran las relaciones evolutivas entre los grupos de organismos relacionados.
