Unidad 2: La Célula: Origen, estructura y funciones

Unidad 2: La Célula: Origen, estructura y funciones
El Origen de la Vida
Texto 1: Receta para hacer ratones.
Una receta para hacer ratones
“Si colocamos ropa llena de sudor con trigo en un recipiente de boca ancha, al cabo de 21 días el olor cambia, y el
fermento, surgiendo de la ropa y penetrando a través de las cáscaras de trigo, cambia el trigo en ratones. Pero lo
que es más notable aún es que se forman ratones iguales a los nacidos de manera normal... Pero lo que es
verdaderamente increíble es que los ratones que han surgido del trigo y la ropa sudada no son pequeñitos, ni
defectuosos, sino que son adultos perfectos...”
Esta “Receta para hacer ratones” fue escrita en 1667 por un científico llamado Jan B. Van Helmont. Ahora,
basándose en sus conocimientos respondan:
1. ¿Es posible “hacer” ratones siguiendo esta receta?. ¿Por qué?.
2. ¿Por qué suponen que Van Helmont creyó que de esta forma podía obtener ratones?.
3. ¿Cómo hubieran hecho ustedes para asegurarte que los ratones surgían o no del trigo?.
4. ¿Creen que es importante la observación en Ciencia?. ¿Por qué?.
Desde la antigüedad se tenía como aceptable la idea de la Generación Espontánea de la Vida para explicar el
origen de seres vivos primitivos. Dicha idea sostenía que la vida podía surgir espontáneamente a partir de materia
sin vida como el lodo, el agua, el mar o a partir de las combinaciones de los cuatro elementos fundamentales: aire,
fuego, agua, y tierra. Aristóteles propuso el origen espontáneo para gusanos, insectos, y peces a partir de
sustancias como el rocío, el sudor y la humedad. Según él, este proceso era el resultado de la interacción de la
materia no viva, con fuerzas capaces de dar vida a lo que no tenía. A esta fuerza la llamó Entelequia.
La idea de la generación espontánea de los seres vivos, perduró durante mucho tiempo. En 1667, Johann B, Van
Helmont, químico, fisiólogo y médico belga, propuso la receta que acabamos de leer según la cual se podrían
generar ratones espontáneamente a partir de materia sin vida. Puede considerarse a Van Helmont como puente
entre la alquimia y la química. Aunque con inclinaciones místicas y creyente en la piedra filosofal, fue un
observador cuidadoso y un experimentador exacto.
Si bien, hacia el siglo XVII algunos científicos comenzaron a someter a experimentación estas ideas, ya que no
estaban conformes con sus explicaciones, el advenimiento de la microscopía llevó a que se reavivara con fuerza
la creencia en la Generación Espontánea: solamente era necesario poner sustancias en descomposición en un
lugar cálido durante un corto período y las minúsculas “bestias vivas” aparecían bajo la lupa ante los propios ojos.
5. Analizando el contexto histórico en el que Van Helmont desarrolló sus investigaciones, vuelvan a pensar: ¿Por
qué creen que Van Helmont consideraba aceptable la idea de crear ratones siguiendo esta Receta?.
Aclaración: La piedra filosofal es una sustancia que según la alquimia tendría propiedades extraordinarias, como la capacidad
de transmutar los metales vulgares en oro.
Texto 2: El problema de la Generación Espontánea
El problema de la Generación Espontánea
En el siglo IV a.C., el filósofo griego Aristóteles describió muchos ejemplos de cómo se originan los seres vivos.
Según él los seres vivos surgían por la unión de la materia y el “alma”, así gusanos, escarabajos y ranas se
originaban a partir de piedras o barro. Dos mil años después, el más célebre cirujano de la época, Ambroise Paré
(1517-1590), describe haber encontrado un grueso sapo vivo dentro de una gran piedra sólida, sin que hubiera en
la piedra la menor apariencia de abertura, mostrando la persistencia de la idea aristotélica del origen de la vida.
En los años 1600, Atanasio Kircher, monje jesuita y profesor de ciencias del colegio de Roma describe en una de
sus obras el origen de un insecto a partir de pequeñas ramas podridas de un árbol.
En el año 1668, Francisco Redi, un médico italiano, hizo los primeros experimentos para demostrar la falsedad de
una idea predominante de la época: la idea de la Generación Espontánea, según la cual seres vivos primitivos
podrían surgir espontáneamente a partir de materia inerte.
Redi quería demostrar que la carne por sí sola no podría generar los gusanos que la infestaban. Para ello
simplemente colocó trozos de carne en dos recipientes iguales: al primero lo cerró herméticamente, y el segundo
lo dejó al descubierto. Al cabo de cierto tiempo, observó que en el frasco tapado no había gusanos aunque la
carne estaba podrida y mal oliente. Mientras que la carne del segundo frasco tenía gran cantidad de larvas y
moscas. Como los vitalistas podrían objetarle a su experiencia que la carne encerrada no generaba gusanos
porque le faltaba aireación, colocó un trozo de carne en un tercer frasco al que cubrió con una gasa. Sin embargo,
los resultados no se modificaron y pudo observar que, sobre la tela, había huevecillos de las moscas que no
pudieron atravesarla.
Así Redi logró demostrar que una causa externa es la responsable de la aparición de los gusanos: los gusanos
que infestaban la carne eran larvas que provenían de huevecillos depositados por las moscas en la carne. Con
este sencillo experimento Redi empezó a demostrar la falsedad de la idea de la Generación Espontánea y surgió
por primera vez la idea de continuidad vital que aún tenemos hoy. Pero dicha idea recién se impuso dos siglos
más tarde, luego de interminables controversias.
A finales del siglo XVII, Antón van Leeuwenhoek, gracias al perfeccionamiento del microscopio óptico, logró
descubrir un mundo hasta entonces ignorado. Encontró en las gotas de agua sucia gran cantidad de
microorganismos que parecían surgir súbitamente con gran facilidad. Este descubrimiento fortaleció (sin quererlo)
los ánimos de los seguidores de la Generación Espontánea, y el debate siguió porque era muy difícil probar la
presencia de seres unicelulares que den origen a otros. Entonces, y a pesar del resultado de los experimentos de
Redi, la idea de la Generación Espontánea no fue rechazada del todo, argumentando que las investigaciones de
este científico demostraban el origen de las moscas, pero no el de otros organismos. En los frascos de Redi no
aparecían moscas pero no era cierto que no aparecía ninguna otra forma de vida, puesto que con el tiempo,
seguramente, se podría ver en ellos, algunos hongos y microorganismos que provenían de otros que ya estaban
dentro del frasco, ya sea en el aire o en la carne.
Admitir que la generación espontánea de organismos era errónea era aceptar que todo lo que se había dicho
hasta el momento sobre el tema quedaba sin validez.
En esos mismos tiempos (siglo XVIII), otro científico llamado Needham, sostenía que había una fuerza vital que
originaba la vida. Sus suposiciones se basan en sus experimentos (1745): hervía caldo de res en una botella, la
que tapaba con un corcho, la dejaba reposar varios días y al observar al microscopio una muestra de la sustancia,
encontraba organismos vivos. Él afirmaba que el calor por el que había hecho pasar el caldo era suficiente para
matar a cualquier organismo y que, entonces, la presencia de seres vivos era originada por la “fuerza vital”. Sin
embargo, Lazzaro Spallanzani (1769) no se dejó convencer como muchos científicos de su época, realizando los
mismos experimentos de Needham, pero sellando totalmente las botellas, las ponía a hervir, las dejaba reposar
varios días y cuando hacía observaciones no encontraba organismos vivos. Esto lo llevó a concluir que los
organismos encontrados por Needham procedían del aire que penetraba a través del corcho. Sin embargo, frente
a los resultados obtenidos por Spallanzani, Needham alega que al calentar tanto los frascos, Spallanzani
envenena el aire que existe en ellos y mata la fuerza vital que podría haber originado la aparición de seres.
1. Realicen un esquema de la primera experiencia de Redi mostrando sus resultados.
2. Expliquen qué modificación hizo Redi a su experiencia y por qué motivo.
3. Expliquen ¿por qué motivos la experiencia de Francisco Redi no fue aceptada como demostración válida de la
falsedad de la idea de la Generación espontánea?.
4. ¿De qué manera influyó el desarrollo de la microscopía en su época?.
5. ¿Por qué creen que Spallanzani tampoco pudo demostrar la falsedad de la idea de la Generación Espontánea?.
6. Elaboren una conclusión acerca de la influencia del contexto histórico en la aceptación o rechazo de ciertas
ideas en Ciencias.
Texto 3: Pasteur y la muerte de la Generación Espontánea
Pasteur y la muerte de la Generación Espontánea
En diciembre de 1858, el director del Museo de Historia Natural de Ruan (Francia), Pouchet, en una nota dirigida a
la Academia de Ciencias, consideró a la Generación Espontánea como uno de lo medios empleados por la
naturaleza para la reproducción de los seres. La idea de la Generación Espontánea se sostenía desde la
Antigüedad como una forma de explicar el origen de los seres vivos primitivos a partir de materia sin vida. Louis
Pasteur le respondió a Pouchet: “Pienso que cometéis un error, no al creer en la generación espontánea, […] sino
al afirmarla. En las ciencias experimentales es siempre erróneo no dudar mientras los hechos no nos obliguen a
hacer una afirmación. En mi opinión, se trata de un asunto en el que se carece por completo de pruebas
decisivas”. Esta controversia con Pouchet llevó a Pasteur a realizar una serie de experiencias que se detallan
más adelante.
Hacia el 1857 Pasteur ya había presentado resultados de sus experiencias acerca de la fermentación donde
demostraba que este proceso era realizado por microorganismos que producían dos compuestos: alcohol y ácido
láctico. Confirmada la existencia de microorganismos por el uso del microscopio, Pasteur se preguntaba si estos
microorganismos tienen progenitores o, por el contrario, se producían por Generación Espontánea.
A partir de la observación de que en un trozo de carne en descomposición pueden hallarse seres vivos, existen
dos hipótesis posibles:
a) Que la carne en descomposición origina organismos
b) Que los organismos producen la descomposición de la carne.
Pasteur se inclinó por la segunda hipótesis basándose en el hecho demostrado por él, que la fermentación o
descomposición del azúcar de las uvas era provocada por la acción de las levaduras que él mismo clasificó como
seres vivos.
Así en 1862, Louis Pasteur, para demostrar su hipótesis, usando calor diseñó unos matraces cuello de cisne, en
los cuales colocó líquidos nutritivos que después hirvió hasta esterilizarlos. Posteriormente, observó que en el
cuello de los matraces quedaban detenidos los microorganismos del aire y aunque éste entraba en contacto con la
sustancia nutritiva, no había putrefacción de la misma. Para verificar sus observaciones, rompió el cuello de cisne
de un matraz, y al entrar en contacto el líquido con el aire y los microorganismos que contenía él ultimo, se
producía una descomposición de la sustancia nutritiva evidenciando la presencia de microorganismos. La
respuesta para Pasteur fue entonces que los organismos debían originarse de otro ser vivo. De esta manera
quedó comprobada por el célebre científico la falsedad de la teoría de la Generación Espontánea. Sin embargo,
Pasteur fue muy cauto y nunca afirmó que la generación espontánea no se pudiera dar; simplemente mostró que
hasta la fecha, no se había demostrado su existencia.
1. En la nota de Pouchet a la Academia de Ciencias de Ruan, éste afirmó “Cuando la meditación me llevó a la
certeza de que la Generación espontánea es todavía uno de los medios empleados por la naturaleza para la
reproducción de los seres, me dediqué a descubrir mediante qué procedimientos podrían evidenciarse estos
fenómenos”. De acuerdo a lo expresado por Pasteur a Pouchet cuál creen que es el procedimiento correcto en
Ciencias: tratar de confirmar un punto de vista o hipótesis o poner a prueba su validez. ¿Qué diferencia hay entre
ambos procedimientos?.
2. ¿Qué intentó responder Pasteur en relación al origen de los seres vivos?.
3. ¿Cuáles eran los conocimientos que tenía Pasteur al iniciar su trabajo de investigación sobre el origen de los
seres vivos?.
4. Esquematicen la experiencia que Pasteur llevó a cabo con los matraces cuello de cisne y señalen los resultados
obtenidos.
5. Expliquen ¿por qué Pasteur rompió el cuello de cisne de uno de los matraces?. ¿Qué quiso evidenciar con
ello?.
6. Investiga y explica cuáles son los postulados de la Teoría Celular.
7. ¿Qué nueva pregunta surge a partir de los resultados de la experiencia de Louis Pasteur?.
Texto 4: El Origen de la Vida
Los inicios de la Vida:
La teoría de Oparín – Haldane y algunas discusiones en relación a ella
Con el transcurso de los años y habiendo sido rechazada la generación espontánea, fue propuesta la teoría del
origen físico-químico de la vida, conocida de igual forma como teoría de Oparín – Haldane.
El escenario prebiótico según Alexander Oparín
Hace cuatro mil millones de años, la Tierra se recuperaba de la golpiza propinada por cuerpos celestiales que
acompañó su violento nacimiento, y se había enfriado lo suficiente para que el agua comenzara a condensarse en
su superficie. Comenzaban a surgir islas en los océanos primitivos, que iban uniéndose para formar continentes.
Las tierras eran estériles y las aguas carecían de vida, pero no por ello había calma. Presa aún de una violenta
actividad volcánica, la joven Tierra se encontraba picada de cráteres al rojo vivo que escupían densas nubes de
polvo y gases. Enormes grietas por las que se filtraba el agua hacia el centro derretido, para luego resurgir en
forma de tremendas erupciones, a presión, hirvientes, y cargadas de vapores provenientes de la convulsionada
lava. Pensemos en el Parque Nacional de Yellowstone, en los azufrales de Sicilia, la región del Heckla en
Islandia, las faldas del monte Fuji en Japón, o los manantiales calientes de Rotorua en Nueva Zelandia;
repetidamente nos viene a la mente un mismo recuerdo: ¡el olor!. El permanente hedor a huevos podridos, el olor
característico del sulfuro de hidrógeno. Muy posiblemente este fuera el olor de la cuna de la vida.
Los ingredientes esenciales
Basados en las conclusiones de los estudios de los geólogos, paleontólogos, físicos, biólogos y químicos,
podemos afirmar que para que la vida echara a andar habrían sido necesarios fuentes de los átomos necesarios
de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y fósforo; una adecuada temperatura; fuentes de energía y una gran
cantidad de agua.
Hace cuatro mil millones de años la Tierra estaba rodeada de una atmósfera sin oxígeno, pues el oxígeno libre
(sin estar combinado con otros elementos) es producto de la vida. Como consecuencia, el estado en que se
encontraban muchos minerales era muy diferente al estado en que hoy los conocemos, especialmente en lo que
concierne al hierro. Así en la Tierra prebiótica, no había óxido de hierro, por lo que este metal tan abundante en
los océanos, se encontraba en un estado hoy imposible de encontrar en la naturaleza pues inmediatamente habría
reacción con el oxígeno de la atmósfera.
La composición de la atmósfera primitiva aún es motivo de grandes controversias. La teoría de Oparín decía que
la atmósfera constaba de hidrógeno (H2), metano (CH4), amoníaco (NH3) y vapor de agua (H2O), y que por lo
tanto era sumamente rica en hidrógeno, pero ello ha sido puesto seriamente en entredicho en la actualidad.
Según muchos expertos, lo más posible es que el carbono no existiera en formas combinadas con hidrógeno sino
con oxígeno (como dióxido de carbono o CO2 principalmente). El nitrógeno muy posiblemente se encontraba en
su forma molecular (N2) o asociado al oxígeno, antes que como amoníaco. Lo más posible es que de hidrógeno
solo hubiera trazas y si esto fuera cierto, entonces tendremos dificultades para justificar la proveniencia del
hidrógeno necesario para la formación de la primera materia con vida.
Otro problema que encontramos al estudiar el escenario prebiótico se relaciona con el fósforo, elemento
constituyente de muchas biomoléculas importantes, en particular los ácidos nucleicos como el ADN. El fosfato es
difícil de encontrar en el mundo actual, especialmente en solución. En la Tierra existe fosfato abundante pero
como constituyente del mineral que se conoce como apatita. En las aguas marinas y dulces la concentración de
fosfatos es muy baja, y de hecho su disponibilidad constituye un factor que limita el desarrollo de la vida en estos
ambientes. La vía por la cual la escasa molécula de fosfato llegó a jugar un papel biológico tan central, resulta
bien intrigante. Una posible respuesta es la acidez, propiedad física asociada con lo amargo del vinagre o del jugo
de limón, y con el fuerte poder corrosivo de los ácidos nítrico y sulfúrico. El mineral apatita libera fosfato
fácilmente cuando se expone a cualquier medio ligeramente ácido. ¿Quizás las aguas primitivas en las que se
originó la vida tuvieran esta propiedad?.
¿Cuál era la temperatura del mundo prebiótico?. Existe poca evidencia sólida, lo cual es desafortunado, pues
la temperatura es un factor crítico para la existencia de biomoléculas relativamente frágiles como las proteínas, los
ácidos nucleicos y muchos de sus componentes. Con esto en mente, muchos químicos estudiosos del origen de
la vida han optado por un ambiente frío, aún por debajo del punto de congelación. Los geoquímicos, por otra
parte, no están a favor de un mundo prebiótico frío y sus cálculos se sitúan más hacia la temperatura del agua
hirviendo o aún más alta, compensada por una presión atmosférica adecuada para evitar que los océanos
hirvieran. Así las altas temperaturas y las altas presiones eran más comunes en el planeta joven y convulsionado
por los volcanes. Otro hecho que respalda la idea de que la cuna de la vida era caliente, es el hallazgo de que la
mayoría de los organismos antiguos son bacterias que hoy viven en tales agujeros o en manantiales volcánicos a
temperaturas de hasta 110º C.
¿Y la luz del sol?. El sol era menos caliente y emitía menos energía lumínica hacia la Tierra hace cuatro mil
millones de años. Es posible que esta situación fuese consecuencia del efecto invernadero producido por el
dióxido de carbono de la atmósfera que probablemente fue unas cien veces más abundante en las épocas
prebióticas que en las actuales. La radiación ultravioleta era fuerte a pesar de que el sol fuera menos caliente,
pues al no haber oxígeno, tampoco había capa de ozono (el ozono está compuesto por tres átomos de oxígeno).
Existe un punto adicional sobre el escenario prebiótico que merece la pena mencionar: no existía la vida. Esto
suena redundante pero tiene implicaciones importantes, establecidas hace más de un siglo por Charles Darwin.
En una carta que escribió a un amigo, Darwin escribía: “Con frecuencia se dice que las condiciones para producir
un organismo vivo están presentes hoy como pudieron estar presentes en el pasado. ¿Pero, qué tal si
concibiéramos un pequeño estanque tibio, con toda clase de amoníacos y sales fosfóricas dentro, luz, calor,
electricidad, etc., de manera que se formara un compuesto químico que pudiera sufrir cambios aun más
complejos?. En la actualidad estos compuestos serían devorados o absorbidos instantáneamente, a diferencia de
lo que debió suceder antes de que se formaran las criaturas vivientes”. Darwin hace allí una afirmación muy
pertinente, y es que en el mundo prebiótico no había nada que pudiera “biodegradar” las moléculas orgánicas.
Estas podían permanecer y acumularse durante mucho tiempo, sometidas a degradaciones físicas y químicas
mucho más lentas.
También podemos decir que cuando se originó la vida había una gran cantidad de agua sobre la Tierra, y es difícil
que eso no sea cierto porque el agua es el elemento vital por excelencia. Aunque probablemente las aguas
prebióticas no tuvieran las mejores condiciones para permitir la vida ya que se supone que eran hirvientes y
penetrantemente ácidas, cargadas de minerales arrancados de las entrañas de la Tierra.
Origen de las primeras células
He aquí entonces el escenario. Compuestos sencillos, que contienen carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y
fósforo, en disolución en el agua de mar, bombardeados continuamente por los relámpagos y las radiaciones
ultravioletas. Como consecuencia de ello, se ven forzados a unirse en combinaciones varias, algunas de las
cuales resultan estables y duraderas. A medida que el proceso continuó durante cientos y cientos de millones de
años, el mar se fue enriqueciendo cada vez más en combinaciones complejas de elementos – moléculas –
incluidos nucleótidos, aminoácidos y azúcares simples.
Luego, estas moléculas orgánicas se agruparon formando moléculas más complejas (como ácidos nucleicos,
proteínas y polisacáridos), y estas a su vez se asociaron formando una especie de “membrana”. Oparín planteaba
así la formación de “coacervados”, es decir, gotas de proteínas que absorben agua, dando lugar a células
primitivas, capaces de alimentarse, producir energía y reproducirse. Se supone que dichas células habrían sido
heterótrofas (se alimentaban de otras sustancias del medio) y anaeróbicas (respiraban sin oxígeno ya que este no
estaba presente en forma libre en la atmósfera). Con el tiempo aparecieron células capaces de producir su propio
alimento utilizando la energía solar por medio de la fotosíntesis. Como consecuencia de dicho proceso estos
organismos autótrofos liberaban oxígeno gaseoso a la atmósfera, que se fue acumulando a lo largo de millones de
años, modificando las condiciones ambientales originarias.
La importancia del tiempo
Resulta importante considerar el significado del tiempo en el proceso que estamos examinando. Cuanto más
tiempo se disponga, es más probable que aquello que pueda acontecer ocurra. De este modo, en el dominio de
las reacciones químicas, incluso aquellas más improbables podrán desarrollarse si no hay límite de tiempo. Y si
los productos de aquellas reacciones son estables, podrán convertirse en componentes permanentes de las aguas
oceánicas.
A partir del texto responde:
1. ¿Qué permite explicar la hipótesis de Oparín y Haldane?.
2. De acuerdo al texto ¿qué características presentaba la atmósfera primitiva?.
3. Sobre el texto subraya con diferentes colores las hipótesis planteadas por la Teoría de Oparín – Haldane y
las evidencias sobre las que se apoyan dichas hipótesis.
4. En forma de cuadro resume cuáles son los ingredientes necesarios para que se forme la vida.
5. ¿Por qué crees que resulta fundamental para la formación de compuestos orgánicos complejos que en el
escenario de la Tierra primitiva no existiera la vida?.
6. Ordena la siguiente secuencia de acontecimientos que resuma la evolución química y biológica de las
primeras formas de vida. Coloca un número de orden al comienzo de cada frase.
(…) Formación de moléculas orgánicas cada vez más complejas (proteínas, hidratos de carbono, etc.)
(…) Origen de los coacervados.
(…) Reacciones químicas entre compuestos simples de la atmósfera y los océanos.
(…) Surgimiento de los primeros heterótrofos anaerobios.
(…) Formación de una membrana primitiva.
(…) Aparición de los heterótrofos y autótrofos aerobios.
(…) Creación de células fotosintéticas anaerobias.
7. ¿Qué características tuvieron los coacervados, las primeras estructuras que darían lugar a los seres vivos
más primitivos de acuerdo a esta hipótesis?. ¿Cómo se supone que era su nutrición?. Justifica.
8. Plantea qué cambios crees que se habrán producido en las condiciones ambientales originarias como
consecuencia de la aparición de la fotosíntesis como proceso liberador de oxígeno gaseoso a la
atmósfera.
9. ¿Qué importancia tiene el Tiempo en todo este proceso?.
10. ¿Puedes asegurar que la explicación/hipótesis de Oparín – Haldane es la correcta?. Justifica.
11. ¿Podría concluirse que la formación de las primeras células si ocurrió por Generación Espontánea?.
Justifica.
Experiencia de Miller y Urey
1. Investiga y explica de qué se trató la experiencia de Miller y Urey.
2. ¿Qué quisieron poner a prueba?.
3. ¿Qué permite comprobar el experimento de Miller y Urey?.
4. ¿Qué no responde el experimento de Miller y Urey?.
5. Investiga ¿Qué otras hipótesis existen acerca del origen de la vida?. Descríbelas brevemente.