EN LA TIERRA PRIMITIVA SE FORMARON - SILADIN Oriente

LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD.
EN LA TIERRA PRIMITIVA SE FORMARON
MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Puesto que las moléculas orgánicas son los componentes esenciales para los organismos vivos,
es razonable considerar primero el modo en que aquéllas pudieron haberse originado. El
concepto de que moléculas orgánicas sencillas como azúcares, nucleótidos y aminoácidos
pudieron formarse de manera espontánea a partir de materia prima más simple fue propuesto por
vez primera en el decenio de 1920 por dos científicos que trabajaban de manera independiente: A.
l. Oparin, bioquímico ruso, y J. B. S. Haldane, fisiólogo y genetista escocés.
Su hipótesis fue sometida a prueba en el decenio de 1950 por los bioquímicos
estadounidenses Stanley Miller y Harold Urey, quienes diseñaron un aparato cerrado que
simulaba las condiciones que entonces se pensaba prevalecieron en la Tierra primitiva.
Sometieron una atmósfera rica en hidrógeno (H2), metano (CH4), agua (H2O) y amoniaco (NH3) a
una descarga eléctrica, que simulaba relámpagos. El análisis de las sustancias producidas en
una semana reveló que se habían formado aminoácidos y otras moléculas orgánicas. Aunque
investigaciones más recientes sugieren que la atmósfera terrestre primitiva no era rica en metano
ni amoniaco, experimentos similares con diferentes combinaciones de gases han producido una
amplia variedad de moléculas orgánicas importantes para los organismos actuales. Entre éstas
se incluyen los 20 aminoácidos, varios azúcares, lípidos, las bases nucleotídicas de RNA y DNA,
y ATP (cuando hay fosfato presente). Así, antes de que la vida comenzara, es posible que hayan
venido acumulándose sus constituyentes químicos como un paso necesario en la evolución
química.
Oparin concibió que durante largos periodos las moléculas orgánicas pudieron acumularse en
los mares someros, como un "mar de sopa orgánica". Consideró que en tales condiciones las
moléculas orgánicas más pequeñas (monómeros) se habrían combinado para formar moléculas
grandes (polímeros). Las pruebas acumuladas desde la época de Oparin indican que los
polímeros orgánicos pudieron haberse formado y acumulado en superficies rocosas o de arcilla y
no en los mares primordiales. La arcilla, que consiste en partículas microscópicas de roca
intemperizada, reviste particular interés como posible sitio de polimerizaciones primigenias porque
capta monómeros orgánicos y contiene iones zinc y hierro, que pudieron haber actuado como
catalizadores. En experimentos realizados en el laboratorio se ha confirmado la formación
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espontánea de polímeros orgánicos a partir de monómeros en superficies de roca o arcilla
calientes.
En otro escenario posible de la evolución química, las polimerizaciones primitivas que llevaron
al origen de la vida pudieron haber ocurrido en fisuras en el piso oceánico profundo donde brotan
agua caliente y minerales, como sulfuros metálicos. Tales chimeneas hidrotermales habrían
estado mejor protegidas que la superficie terrestre de los catastróficos efectos del bombardeo de
meteoritos. En la actualidad, dichas fuentes termales producen precursores de moléculas
biológicas y de "alimento" rico en energía, como sulfuro de hidrógeno y metano.
Una vez que se produjeron los primeros polímeros, ¿pudieron haberse ensamblado de manera
espontánea en estructuras más complejas? Los científicos han sintetizado varios protobiontes
distintos, que consisten en ensamblajes de polímeros orgánicos producidos abióticamente (es
decir, sin participación de organismos). Han podido producir protobiontes parecidos en varios
sentidos a células vivas, lo que contribuye a dilucidar la manera en que agregados de moléculas
complejas no vivas dieron el salto gigantesco para convertirse en células vivas. Los protobiontes
exhiben muchas de las propiedades funcionales y estructurales de las células vivas. A menudo se
dividen en dos (fisión binaria) después de que han "crecido" lo suficiente. Mantienen un ambiente
químico interno distinto del ambiente externo (homeostasis), y algunos de ellos presentan los
rudimentos de un metabolismo (actividad catalítica). Están muy organizados, si se considera su
composición relativamente simple.
Un tipo de protobiontes, las microsferas, se formaron agregando agua a polipéptidos que se
habían producido de manera abiótica. Algunas microsferas presentan excitabilidad; producen una
diferencia de potencial eléctrico de un lado a otro de su superficie, que hace recordar los
gradientes electro químicos de las células. Las microsferas también pueden absorber materiales
de sus alrededores (permeabilidad selectiva) y reaccionar a cambios en la presión osmótica, como
si estuvieran rodeadas por membranas, aunque no contienen lípidos.
LAS PRIMERAS CELULAS PROBABLEMENTE SE FORMARON A PARTIR DE MOLECULAS
ORGANICAS
El estudio de los protobiontes permite apreciar el hecho de que "precélulas" relativamente
sencillas pueden presentar algunas de las propiedades de los seres vivos actuales. Sin embargo,
se necesita un gran paso (o varios pasos) para ir de los agregados moleculares simples, como los
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protobiontes, hasta las células vivas. Aunque se ha aprendido mucho acerca de cómo pudieron
haberse formado moléculas orgánicas en la Tierra primitiva, sigue sin resolverse el problema de
cómo las precélulas se transformaron en células vivas.
No se sabe con exactitud cuándo apareció la vida en la Tierra. Los microfósiles (restos
antiguos de vida microscópica) indican que ya prosperaban células hace 3 500 millones de años, y
pruebas no fósiles publicadas en 1996 indican que ya existía vida inclusive antes, cuando menos
hace 3 800 millones de años. (La importancia de la antigüedad de esta fecha se considera en
Temas relacionados: Fecha más antigua de la vida y especulaciones sobre el modo en que ésta
surgió.)
Las primeras células en surgir fueron procarióticas. En rocas de Australia y Sudáfrica se han
obtenido fósiles microscópicos de células procarióticas con 3 100 a 3 500 millones de años de
antigüedad. Los estromatolitos, otro tipo de prueba fósil de la existencia de las primeras células,
son rocas en forma de columna constituidas por muchas capas muy delgadas de células
procarióticas, por lo general cianobacterias. Con el tiempo, alrededor de las células se acumula
sedimento que se mineraliza poco a poco. Mientras tanto, una nueva capa de células vivas se
forma sobre la anterior, de células muertas. Los arrecifes de estromatolitos fósiles se encuentran
en varios lugares del mundo, incluyendo el Gran Lago de los Esclavos en Canadá y las
Formaciones Gunflint Iron en el Lago Superior en Estados Unidos. Algunos estromatolitos fósiles
son en extremo antiguos. Un grupo en Australia occidental, por ejemplo, tiene varios miles de
millones de años. Aún hay arrecifes de estromatolitos vivos en aguas termales y en lagunas
someras cálidas de aguas dulce y salada.
Hemos dicho que el origen de las células a partir de ensamblajes macromoleculares fue un
paso importante en el origen de la vida. En realidad, el surgimiento de las células tal vez ocurrió en
una serie de pasos cortos. Una de las partes más importantes de ese proceso pudo haber sido el
origen de la reproducción molecular.
La reproducción molecular fue UN PASO CRUCIAL
para la aparición de las células
En las células vivas, la información genética se almacena en el ácido nucleico DNA, el cual se
transcribe en el mensaje en RNA, el cual a su vez se traduce a la secuencia adecuada de
aminoácidos en las proteínas. Las tres macromoléculas en la secuencia DNA → RNA → proteína
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contienen información precisa, pero sólo DNA y RNA son capaces de experimentar la
autoduplicación (es decir, de copiarse a sí mismas), si bien es imperativa la presencia de las
enzimas adecuadas. Puesto que tanto RNA como DNA pueden formarse de manera espontánea
en arcilla de modo muy parecido ha como ocurre con otros polímeros orgánicos, la pregunta pasa
a ser cuál molécula, DNA o RNA, apareció primero en el mundo prebiótico.
Algunos científicos han sugerido que el RNA fue la primera molécula portadora de información
que surgió en el camino hacia la célula autosustentada y autorreproductora, y que las proteínas y
el DNA vinieron después. Conforme al modelo propuesto de mundo de RNA, la química de la
Tierra prebiótica dio origen a moléculas de RNA autoduplicantes que funcionaban a la vez como
enzima y sustrato de su propia duplicación. Tal duplicación se representa aquí por medio de una
flecha circular:
RNA
Una de las características sorprendentes del RNA es que a menudo tiene propiedades catalíticas.
Tales RNA enzimáticos se denominan ribozimas. En las células actuales ayudan a catalizar la
síntesis de RNA ya procesar precursores para convertidos en rRNA, tRNA y mRNA. Antes de la
aparición de las células verdaderas, las ribozimas pudieron haber catalizado su propia
duplicación en las arcillas, pozas someras de roca o chimeneas hidrotermales donde se originó la
vida. Si se agregan cadenas de RNA a un tubo de ensayo que contenga nucleótidos de RNA pero
no enzimas, los nucleótidos se combinan para formar cadenas cortas de RNA. Esta reacción se
acelera si se agrega zinc como catalizador. (Recuérdese que el zinc se une a la arcilla.)
En el mundo de RNA, las ribozimas (RNA catalíticos) catalizaron en un inicio la síntesis de
proteínas; sólo más tarde la síntesis de RNA fue catalizada por enzimas proteínicas.
RNA → proteína
Resulta interesante el hecho de que el RNA pueda dirigir la síntesis de proteínas catalizando la
formación de enlaces peptídicos. Algunas moléculas de RNA monocatenario se pliegan en sí
mismas debido a interacciones entre los nucleótidos que constituyen la cadena. A veces la
conformación (forma) de la molécula plegada es tal que se une débilmente a un aminoácido. Si los
aminoácidos son mantenidos en estrecha cercanía entre sí por moléculas de RNA, pueden unirse
uno a otro y formar un polipéptido.
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Ya hemos considerado cómo es que la evolución de las moléculas portadoras de información
pudo haber dado origen al DNA y más tarde a las proteínas. Si un RNA autoduplicante capaz de
codificar proteínas apareció antes que el DNA, ¿cómo llegó a formar parte del proceso de la
traducción el DNA, la molécula universal de la herencia? Quizá el RNA hizo copias bicatenarias de
sí mismo que con el tiempo se transformaron en DNA.
DNA ← RNA → proteína
La incorporación del DNA en el sistema de transferencia de información habría sido ventajosa
porque la conformación de doble hélice del DNA es más estable (menos re activa) que la
conformación monocatenaria del RNA. Tal estabilidad en una molécula que almacena información
genética habría representado una ventaja definitiva en el mundo prebiótico (como ocurre en la
actualidad).
En el mundo de DNA/RNA/proteína, entonces, el DNA se convirtió en la molécula de
almacenamiento de información, el RNA siguió participando en la síntesis de proteína, y enzimas
proteínicas catalizaban la mayor parte de las reacciones celulares, incluyendo duplicación de DNA,
síntesis de RNA y síntesis de proteínas.
DNA → RNA → proteína
El RNA sigue siendo un componente necesario del sistema de transferencia de información,
porque el DNA no es catalítico. De este modo, la selección natural en el nivel molecular favoreció
la secuencia de información DNA → RNA → proteína. Una vez que el DNA se incorporó en esta
secuencia, las moléculas de RNA asumieron su función actual como intermediarias en la
transferencia de información genética.
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TODO LO ANTERIOR LO PODEMOS SINTETIZAR
EN LAS SIGUIENTES IMÁGENES.
Fueron necesarios varios pasos más antes de
que pudiera desarrollarse una verdadera célula
viva a partir de agregados macromoleculares.
Por ejemplo, el código genético debe haber
surgido en una fase muy temprana en el mundo
prebiótico, porque todos los organismos lo
poseen, pero, ¿cómo se originó? Además,
¿cómo es que una membrana plasmática de
lípido y proteína envolvió los ensamblajes
precelulares y permitió así la acumulación de
algunas moléculas y la exclusión de otras?
Es probable que las primeras células
hayan sido
heterótrofas, no autótrofas
Las primeras células tal vez obtenían del medio
las moléculas orgánicas que requerían, en lugar
de sintetizadas. Estos heterótrofos primitivos tal
vez consumían muchos tipos de moléculas
orgánicas que se habían formado de manera
espontánea:
aminoácidos,
azúcares,
por
nucleótidos
nombrar
sólo
y
algunos.
Conseguían la energía necesaria para la vida
fermentando estos compuestos orgánicos. La fermentación es, por supuesto, un proceso
anaerobio (que ocurre en ausencia de oxígeno), y casi con toda certeza las primeras células
fueron anaerobios.
Cuando la existencia de moléculas orgánicas generadas de manera espontánea disminuyó,
sólo determinados organismos sobrevivieron. Tal vez ya habían ocurrido mutaciones que
permitieron a algunas células obtener energía directamente de la luz solar (quizá para sintetizar
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ATP). Estas células, que no requerían los compuestos orgánicos ricos en energía que menguaban
en el ambiente, tuvieron una clara ventaja selectiva.
Para la fotosíntesis se requiere no sólo energía solar, sino también una fuente de electrones,
que se utilizan para reducir el dióxido de carbono cuando se sintetizan moléculas orgánicas, como
la glucosa. Lo más probable es que los primeros autótrofos (organismos que producen su propio
alimento a partir de materias primas simples) fotosintéticos emplearan la energía de la luz del sol
para romper moléculas ricas en hidrógeno, como las de sulfuro de hidrógeno (H 2S), y liberaran
azufre elemental (no oxígeno) en el proceso. En efecto, las sulfobacterias verdes y las púrpuras
todavía utilizan H2S como fuente de hidrógeno para la fotosíntesis.
Los primeros autótrofos fotosintéticos en romper moléculas de agua a fin de obtener hidrógeno
fueron las cianobacterias. El agua era muy abundante en la Tierra primitiva (como lo es en la
actual), y la ventaja selectiva de romper estas moléculas permitió a las cianobacterias prosperar.
En el proceso de descomposición del agua se liberaba oxígeno gaseoso (O 2). Al inicio, el
oxígeno liberado por la fotosíntesis oxidó minerales del océano y la corteza terrestre, por lo cual
tardó un largo periodo en comenzar a acumularse en la atmósfera. Sin embargo, con el tiempo lo
hizo en los océanos y la atmósfera.
Los momentos en que los sucesos recién descritos ocurrieron han sido estimados según
pruebas geológicas y fósiles. Los fósiles de ese periodo, entre los que se incluyen rocas que
contienen restos de clorofila, así como los estromatolitos antes descritos, indican que los primeros
organismos fotosintéticos aparecieron hace unos 3 100 a 3 500 millones de años. Estas pruebas
hacen pensar que incluso antes existían formas heterótrofas.
Los aerobios aparecieron después de que aumentó
el contenido de oxígeno de la atmósfera
Hace unos 2 000 millones de años, las cianobacterias habían producido oxígeno suficiente para
comenzar a modificar en grado significativo la composición de la atmósfera. El incremento del
oxígeno atmosférico tuvo un profundo efecto en la vida. Los anaerobios obligados (aquellos
organismos que no pueden utilizar oxígeno para la respiración celular) fueron dañados por el
oxígeno, y sin duda muchas especies murieron. Sin embargo, algunos anaerobios sobrevivieron
en ambientes donde el oxígeno no penetra; otros desarrollaron modos de neutralizarlo, para que
no los dañara. Algunos organismos, llamados aerobios, desarrollaron una vía respiratoria que
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utilizaba el oxígeno para extraer más energía del alimento y convertida en ATP. La respiración
aerobia se incorporó en el proceso anaerobio ya existente de la glucólisis.
La aparición de seres vivos que podían emplear oxígeno en su metabolismo tuvo varias
consecuencias. Los organismos que respiran de manera aerobia obtienen mucho más energía de
una sola molécula de glucosa de la que extraen los anaerobios mediante la fermentación. Como
resultado, los aerobios recién surgidos fueron más eficaces y competitivos que los anaerobios.
Aunada a la naturaleza tóxica del oxígeno para los anaerobios, la eficiencia de los aerobios
confinó a aquéllos a funciones relativamente menores en la Tierra. En la actualidad, la vasta
mayoría de los organismos utilizan la respiración aerobia, incluyendo vegetales, animales y la
mayor parte de hongos, protistas y procariotes, mientras que sólo unas cuantas bacterias e incluso
menos protistas y hongos son anaerobios.
El surgimiento de la respiración aerobia tuvo 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. Tal materia prima se
habría agotado de la atmósfera en un periodo relativamente corto de no haber aparecido la
respiración aerobia, que libera dióxido de carbono como subproducto de la degradación completa
de las moléculas orgánicas. Por ello, el carbono comenzó a circular en la ecosfera, pasando del
ambiente físico (inanimado) a los organismos fotosintéticos y de aquí a los heterótrofos que se
alimentan de las plantas. El carbono era liberado de regreso al ambiente físico como dióxido de
carbono por la respiración aerobia, y el ciclo continuaba. De manera similar, el oxígeno era
liberado en la fotosíntesis y usado en la respiración aerobia.
Otra consecuencia importante de la fotosíntesis se dio en la atmósfera superior, donde el
oxígeno molecular reaccionó para formar ozono, O3. Con el tiempo se formó una capa de ozono
que envolvió a la Tierra, lo que impidió que gran parte de la radiación ultravioleta proveniente del
sol llegara a la superficie terrestre. Con la protección de la capa de ozono contra el efecto
mutágeno de la radiación ultravioleta, los organismos pudieron vivir más cerca de la superficie en
los ambientes acuáticos y luego colonizar las tierras emergidas. Sin embargo, debido a que la
energía de la radiación ultravioleta había sido necesaria para la formación de moléculas orgánicas,
la síntesis abiótica de éstas disminuyó.
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Bibliografía usada:
 Alexander, Piter, Biología, Editorial, lingüística, EE.UU., 1992. QH303.2 A44
 Biggs, A.,Kapicka, C. y Lundgren.L., Biología. McGraw-Hill, 2000. Colocación: QH307.2, -B544318.
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 Muñoz H., E., Velasco, S. T., Albarrachin et al. Biología. McGraw-Hill, 2000. Colocación: QH315, B53 Solomon, P., E., Berg, R., L., y Martín, W., D., Biología. McGraw-Hill, Quinta Edición, 2001.
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