Origen de la vida y evolución temprana

Semana 15, capítulo 20

20.1 El comienzo La mayoría de los físicos

apoya la teoría del big bang, según la cual el universo se originó hace unos 14 billones de años, cuando toda la materia se expandió súbitamente desde un pequeño punto. La expansión del universo y la abundancia mayor de los elementos más simples (hidrógeno y oxígeno) apoyan esta idea propuesta en el 1931 por el físico y sacerdote belga Georges Lemaître. Georges Lemaître

1894-1966

El origen de la Tierra

Observaciones de las estrellas y medidas del tamaño y brillantez de nuestro sol sugieren que comenzó a brillar hace unos 5 billones de años. Durante este tiempo, asteroides que orbitaban el sol comenzaron a chocar y a unirse para dar origen a los planetas y a las lunas rocosas de nuestro sistema solar. Se estima que la tierra se formó hace unos 4.6 billones de años.

Nuestra primera atmósfera

La atmósfera inicial de la Tierra se compuso de gases liberados por una infinidad de explosiones volcánicas. Estos gases incluían vapor de agua, bióxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno, pero muy poco oxígeno. El registro geológico indica que el oxígeno se formó mucho más tarde.

Origen de las moléculas orgánicas

Se sospecha que las primeras moléculas orgánicas se formaron en los mares primitivos en ausencia de oxígeno y bajo la influencia de una atmósfera rica en descargas eléctricas. El biólogo y químico estadounidense Stanley Miller hizo experimentos para simular estas condiciones y en menos de una semana encontró aminoácidos, carbohidratos y otros compuestos orgánicos. Otros experimentos han encontrado adenina.

Stanley Miller(1930-2007

El experimento de Miller

La atmósfera usada en el experimento no tenía oxígeno. Esto es importante porque el oxígeno hubiese reaccionado con los primeros compuestos orgánicos libres y los hubiese destruído. Otra hipótesis propone que los asteroides que impactaron la tierra trajeron los primeros compuestos orgánicos.

20.2 Cómo se originaron las células

El registro fósil no contiene suficiente información para determinar cómo surgieron las primeras proteínas y otros compuestos orgánicos complejos.

Hay dos teorías principales sobre el origen de las primeras proteínas. Una propone que los aminoácidos se concentraron en partículas de arcilla cargadas negativamente y que la energía del sol comenzó a unirlos para formar los primeros polipéptidos.

Planicie de arcilla en una zona costera

Origen de las proteínas y el metabolismo

La segunda teoría sugiere que las primeras proteínas y las primeras reacciones metabólicas se originaron en pequeñas celdas de sulfuro de hierro formadas en ventilas hidrotermales en el fondo del mar. En estos lugares se acumula sulfuro de hierro, un compuesto inorgánico usado hoy como cofactor por muchas células. Experimentos de laboratorio que simulan este ambiente han producido pequeñas celdas, en el interior de las cuales el sulfuro de hidrógeno ha participado de reacciones que generan compuestos orgánicos. Ventila hidrotermal (hydrothermal vent)

Celdas de sulfuro de hierro

Origen de la membrana celular

Todas las células están rodeadas por una membrana celular compuesta de lípidos y proteínas que separa el citoplasma del exterior y controla la entrada y salida de materiales.

En sustratos de arcilla se han formado cadenas de aminoácidos que al humedecerse forman pequeñas vesículas llenas de líquido. Además, en sustratos de arcilla ciertas mezclas de ácidos grasos y alcoholes se distribuyen como vesículas. De estas vesículas pudieron surgir las protocélulas, primeras unidades capaces de reproducirse.

Origen del material genético

La relación entre el ADN, el ARN y las proteínas es fundamental para la vida, pero no hay evidencia de cómo surgió esta relación. Varios científicos han propuesto que en los primeros organismos el ARN funcionaba como almacén de información y también como enzimas.

Algunos ARNs todavía funcionan como enzimas, como el ARNr, que forma los ribosomas y cataliza la formación de proteínas. La similitud del ARN ribosómico de los procariotas y los eucariotas sugiere que la función enzimática del ARN es muy antigua.

No sabemos cómo sucedió la transición de ARN a ADN como banco de información genética. Se sospecha que el ADN fue favorecido por ser una molécula más protegida y estable químicamente, lo que permité la formación de genomas más grandes y complejos.

De compuestos a células

Este diagrama resume las teorías que tienen más apoyo sobre el origen de las primeras células. Hay alguna evidencia experimental pero el registo fósil no provee evidencia de estos sucesos.

20.3 Evolución temprana de la vida

El registro fósil y estimados obtenidos de relojes moleculares que usan tasas de mutaciones, indican que la vida se originó hace unos 4.3 billones de años. Los fósiles más antiguos corresponden a células procariotas y datan de hace unos 3.5 billones de años. A juzgar por la condición de la atmósfera durante ese tiempo, se supone que estos primeros procariotas eran anaeróbios.

Posible fósil de procariotas en sedimentos de hace 3.5 billones de años

Bacterias

La evidencia genética sugiere que los dos linajes de procariotas (arqueas y bacterias) se separaron hace unos 3.5 billones de años. Un grupo de bacterias desarrolló la capacidad para llevar a cabo fotosíntesis por fosforilación cíclica, sin liberación de oxígeno. Esto pudo haber sucedido en en ventilas hidrotermales, donde todavía algunas bacterias modernas llevan a cabo este proceso usando luz infrarroja y una pequeña cantidad de luz visible luz emitida por el agua y superficies muy calientes.

Arcobacter, una bacteria que vive en ventilas hidrotermales

Cianobacterias

La fotosíntesis que produce oxígeno (fosforilación no cíclica) surgió hace unos 2.5 billones de años en el grupo de bacterias conocidas como cianobacterias. Durante cientos de millones de años la mayor parte del oxígeno reaccionó con hierro para producir óxido de hierro, pero cuando este proceso termino el oxígeno comenzó a concentrarse en la atmósfera.

Cianobacterias fósiles

Estromatolitos Las cianobacterias

probablemente se desarrollaron como estromatolitos, biocapas que atrapaban sedimento y que con el tiempo formaron grandes estructuras rocosas. Los estromatolitos fueron muy abundantes y diversos durante la Era Proterozoica (2.5 billones hasta hace unos 540 millones de años). Hoy persisten en algunos mares llanos, especialmente en Australia.

Los estromatolitos son atracciones turísticas en algunos lugares de Australia.

Corte de un estromatolito fósil mostrando las capas de sedimentos formadas por las cianobacerias.

El surgimiento de los eucariontes Durante la Era Proterozoica

un grupo de arqueas se separó del linaje principal de estos procariotas y dio origen a los eucariotas. Uno de los fósiles más antigios se ilustra a la derecha.

Los fósiles más antiguos de animales datan de hace 570 millones de años.Todos los grupos principales de animales, incluyendo a los primeros verebrados, se establecieron durante el Periodo Cámbrico (542-488 millones de años).

Estos fósiles del eucariota Grypania spiralis, aparentemente un alga con reproducción asexual, datan de hace unos 2.1 billones de años.

Estos fósiles del alga roja Bangiophora pubescens datan de hace unos 1.2 billones de años. El alga tuvo células especializadas para adehirse al sustrato y para producir dos tipos de esporas, siendo por lo tanto uno de los primeros organismos con reproducción sexual.

20.4 El origen de los organelos

Algunas células procariotas, como la bacteria del suelo Nitrobacter, tienen repliegues internos de la membrana celular y en la superficie de los mismos hay enzimas, proteínas de transporte y otras estucturas relacionadas con reacciones metabólicas. La figura ilustra cómo repliegues parecidos pudieron haber dado origen a la membrana nuclear y al retículo endoplásmico.

Origen de mitocondrios y cloroplastos La bióloga estadounidense Lynn Margulis

propuso en el 1966 que los mitocondrios y los cloroplastos de las células eucariotas se originaron a partir de procariotas fagocitados que continuaron viviendo en simbiosis dentro de la célula que los fagocitó. Según su teoría de endosimbiosis, las células fagocitadas obtuvieron un ambiente donde vivir y la materia prima para su metabolismo, mientras que la célula que las fagocitó comenzó a usar parte del ATP o el alimento producido por los huéspedes. Con el paso del tiempo ambos llegaron a depender por completo uno del otro y ya no pueden vivir separados.

Lynn Margulis trabaja en la Universidad de Massachusetts

Evidencia para la endosimbiosis

En el 1986, uno de los cultivos de amebas del biólogo surcoreano Kwang Jeon, se infectó con una bacteria. La mayoría de las amebas murieron, pero cinco años después las restantes no sólo habían sobrevivido, sino que tenían muchas bacterias viviendo en su citoplasma. Además, las amebas no podían sobrevivir sin las bacterias porque dependían de las mismas para obtener una enzima esencial que habían dejado de producir.

Los mitocondrios y los cloroplastos de nuestras células tienen su propio ADN, que es circular como el de los procariotas.

Kwang Jeon (1938) trabaja en la Universidad

de Tennessee

Amoeba proteus

Evidencia para la endosimbiosis

El alga de agua dulce Cladophora paradoxa tiene miocondrios parecidos en forma y tamaño a bacterias aerobias, y organelos fotosintéticos muy parecidos a cianobacterias.

20.6 Astrobiología

La rama de la astrobiología o exobiología estudia el origen, la evolución y las condiciones necesarias para la vida en la Tierra, en el contexto de la posible presencia de vida en otros planetas. También intenta identificar planetas con condiciones adecuadas para la vida.

No se ha encontrado vida en otros planetas de nuestro sistema solar, aunque se ha intentado encontrarla en Marte. Expediciones futuras planean buscar debajo de su superficie porque en la Tierra viven bacterias bastante profundo bajo del terreno. También se planean expediciones a Europa, una de las lunas de Júpiter que podría tener agua líquida debajo de la superficie congelada y a Titan, una de las lunas de Saturno, que tiene canales formados por el flujo de líquidos.

Resumen de eventos importantes en la historia de la vida

Biodiversidad- Homo sapiens

El ser humano evolucionó en el sur de África pero hoy es cosmopolita. Somos el único simio que camina normalmente en dos patas y el único que forma grupos muy grandes. Nuestro impacto sobre el planeta ha reducido dramáticamente la biodiversidad.