La energía en crisis y su influencia en la evolución

La energía en crisis y su influencia en la evolución prebiótica
Ya intentamos aclarar, con ayuda de diversas hipótesis, la aparición de los ptotobiontes (punto 3 de la teoría de Oparín-Haldane).
Ahora surgen dos nuevas preguntas en cuanto a la evolución hacia la vida:
1- ¿Cuál habrá sido el camino seguido por los protobiontes para llegar a eubiontes?
Ciertamente, los protobiontes estaban sujetos a procesos de selección. Las diferencias existentes entre ellos permitían que
únicamente los más resistentes a las condiciones del medio subsistieran, en tanto que los que no lo lograban se desintegraban,
reincorporando el material orgánico a la sopa primigenia.
Seguramente fueron favorecidos aquellos protobiontes en cuyo interior, las relaciones entre polinucleótidos y polipéptidos
permitían la adquisición de material del medio orgánico y su síntesis interna. Más importante aún era el hecho de que fueran
capaces de transmitir esta información a sus descendientes formados por fragmentación u otros procesos.
2- Pero ¿Qué hizo falta para que estos protobiontes pudieran sufrir una posterior evolución?
Antes que nada, debieron existir interacciones entre ellos y el ambiente para poder absorber energía y sustancias. O sea,
tuvieron que producirse los primeros procesos metabólicos.
Al parecer, y tal como lo suponía Oparín, los primeros seres vivos (protobiontes) fueron heterótrofos, es decir, se nutrían de
sustancias orgánicas que había en la sopa primigenia. Pero, con el tiempo, parece que la reproducción de los protobiontes fue
mucho más veloz que la síntesis de nuevos compuestos orgánicos. Entonces, se supone que llegó un momento en que se produjo
una crisis de desabastecimiento de materiales y, por ende, de energía.
Hacia la independencia del caldo primitivo
Una vez que los primeros sistemas prebióticos se establecieron y multiplicaron (ya sea bajo la forma de microsferas o de
coacervados), las concentraciones de moléculas orgánicas en la sopa primigenia debió comenzar a disminuir en forma alarmante,
sobre todo, la de ciertos compuestos demasiados “solicitados”, como, por ejemplo, nucleótidos y aminoácidos. Esto se debió
principalmente a dos causas:
Por un lado, las moléculas orgánicas eran utilizadas para formar las estructuras precelulares.
Por otro lado, dichas moléculas servían como fuente de energía para que se produjeran las reacciones químicas que organizaban
las estructuras.
Así, algunos sistemas primitivos debieron comenzar a realizar procesos que, en el presente, todos los organismos realizan con
reiteración asombrosa:
La síntesis de diversos compuestos orgánicos a partir de escasos materiales iniciales menos complejos.
El siguiente es un posible camino que transitaron los sistemas biológicos hasta independizarse del caldo primigenio.
Los pasos hacia el metabolismo actual
Cuando un compuesto es abundante en el medio, el poseer una vía de síntesis no supone ninguna ventaja especial. Pero cuando
el compuesto comienza a escasear, aquellos sistemas que no logren sobreponerse a la “crisis de desabastecimiento” recurriendo
a la transformación de otro compuesto disponible en el entorno, están destinados a desaparecer. En cambio, perdurarán
aquellos que logren la conversión del compuesto.
Veamos, entonces, a través de distintos pasos, cómo se fueron encadenando los diferentes mecanismos hasta llegar al
metabolismo actual
Primer paso: Degradación de moléculas orgánicas
Los primeros sistemas precelulares aprovechaban la energía proveniente de la ruptura de los enlaces químicos “sin grandes
ambiciones”, o sea, sin gran especificidad.
Segundo paso: Degradación catalítica. ¿Cómo se realizan las transformaciones químicas en el interior de los organismos vivos?
Sabemos que los cambios químicos se producen en ciertas direcciones en forma espontánea, favorecidos termodinámicamente.
También, la presencia de ciertas sustancias, los catalizadores, promueven la concreción de dichas reacciones.
Supongamos que el organismo utiliza una determinada sustancia R
para mantener su organización. Esta sustancia R sufre una secuencia
natural de transformaciones durante su descomposición espontánea
A
de lo complejo a lo simple, por las leyes de la termodinámica. Por
B
ejemplo: R A B C X
Cuando la presencia de R en el medio comienza a reducirse,
si un sistema biológico adquiere una enzima E1 capaz de cata
lizar la reacción A E1 R, el organismo sobrellevará la “crisis”
hasta que A comience a escasear en la sopa primigenia.
La selección natural privilegiará la supervivencia de aquellas
formas que adquirieron la E1 y que son capaces de incorporar
otra enzima E2 capaz de catalizar la reacción B E2 A.
De este modo el sistema, ya con dos enzimas especificas,
superará la segunda crisis, pudiendo llevar a cabo las si
guientes reacciones a partir de la sustancia B, ahora abundante
en el entorno: B A R.
C
R
B
C
A
De este modo, muchas sustancias complejas se formaron a partir
1
B
de sustancias muy simples y abundantes, mediante la adquisición
secuencial de enzimas específicas,
C
Además cambió la forma de ganar energía. Primero se hacía en un sólo
paso y luego se debió hacer la transición en varios pasos
con acumulación de energía en cada uno de ellos
¿Qué ocurre cuando incluso las moléculas simples comienzan a escasear?
C
Tercer paso: Síntesis biótica o fotosíntesis anaeróbica (aparición de autótrofos)
En esta situación crítica, aparece otro mecanismo que permitiría sintetizar sustancias orgánicas a partir de compuestos carbonados
muy abundantes (como el CO2), gracias a la presencia de una fuente energética (como la lumínica) o química (obteniendo los
protones y electrones de sustancias inorgánicas, como el SH2).
La adquisición de este mecanismo permitió la independencia total de la sopa primigenia como fuente de materia orgánica, e instaló
el camino hacia una vida basada en la existencia de autótrofos. Sobre esta base es que se hizo posible la instauración de relaciones
tróficas entre productores, consumidores y descomponedores.
Recordemos que, en principio, la atmósfera era reductora, es decir, no había O 2 en ella
Se supone que este hecho importante en la evolución del metabolismo, la fotosíntesis, se produce a partir de la fuente SH2 que se
encontraba ampliamente disuelto en el océano primitivo. (El enlace SH es más fácil de romper que el OH).
En este proceso se produce Azufre libre.
Para la vida en la Tierra, siempre fue importante la presencia de Nitrógeno, por ser componente de elementos esenciales, como los
aminoácidos y las proteínas. Por lo tanto, con la fotosíntesis, no era suficiente para la síntesis de las sustancias químicas
fundamentales de la vida
Cuarto paso: Fijación del Nitrógeno
Este proceso permite reducir el nitrógeno transformándolo en amonio (NH 4+), En esta forma puede ser incorporado y hacerlo formar
parte de aminoácidos y proteínas.
Actualmente las bacterias fijadoras de Nitrógeno tienen todas características anaerobias.
Quinto paso: Fotosíntesis aeróbica
Es el único proceso que permite liberar O2 lo suficientemente rápido como para permitir que éste se acumule en forma gaseosa en la
atmósfera.
La fotosíntesis que produce O2 utiliza H2O en vez de SH2. Hemos visto que la unión HS es más fácil de romper que la HO, por lo tanto,
estos organismos ganaron en competitividad debido a la gran disponibilidad de H 2O respecto del sulfhídrico. Por otra parte, al
romper enlaces con más energía, queda más energía disponible. El oxígeno afecta a los organismos que utilizan el SH 2. Además es
posible decir que el sulfhídrico se oxidaría.
Debido a estas ventajas, organismos como las cianobacterias, que poseen este tipo de metabolismo, pasaron a dominar la escena de
la vida.
A lo largo de varios millones de años, el O2 llegó a saturar todos los iones Fe libres en el océano y el gas comenzó a dispersarse en la
atmósfera. Así, comienza a producirse la atmósfera actual que hoy posee un 21% de este preciado gas.
Este fue el más importante paso en la evolución del metabolismo.
Al formarse la capa de ozono en la atmósfera primitiva y disminuir el flujo de radiación ultravioleta, hasta entonces una fuente muy
importante de energía para la síntesis abiótica de compuestos orgánicos, los organismos heterótrofos existentes se encontraron con
una fuerte presión de selección que , seguramente, provocó la desaparición de todos aquellos que no desarrollaron un mecanismo
que les permitiera sintetizar autotróficamente materia orgánica o aprovechar los productos formados por los autótrofos.
Con la aparición de sistemas fotosíntéticos aerobios, comienza, en el curso de la evolución del metabolismo, una etapa de
producción de energía más eficiente para los organismos.
Como residuo de la fotosíntesis anaeróbica (tercer paso) que utilizaba SH 2, se produce un exceso de S en los océanos. Hubo
organismos que evolucionaron aprovechando ese exceso de S como fuente de energía. Estos organismos se denominan
quimioautótrofos y obtienen compuestos orgánicos a partir de CO 2 usando como fuente de energía la oxidación de compuestos
inorgánicos, como el S o el N.
No fueron muchos los que sobrevivieron. Los actuales cumplen un importante papel en el ciclo del Nitrógeno y del Azufre.
Sexto paso: La respiración aeróbica
Probablemente, esta evolución se produjo a partir de la fotosíntesis, como una modificación de la maquinaria fotosintética básica.
Pero… ¿cuál es la gran diferencia con la maquinaria básica?
El rasgo absolutamente diferencial es que sus H+ y los electrones asociados no se obtienen del SH2 o del H2o, sino de la
descomposición de materia orgánica, por ejemplo, la glucosa.
2
En este mecanismo, los electrones son extraídos de la molécula de glucosa sintetizada por los organismos fotosintetizadotes y
empleados para hacer funcionar la síntesis de ATP, fuente energética para todos los procesos metabólicos. El papel del oxígeno en
este proceso consiste en ser el último aceptor de electrones.
Esto optimizó la extracción de energía de los compuestos orgánicos en relación con los procesos anaeróbicos de degradación
catalítica (fermentación). La mayor disponibilidad de energía abrió las puertas para la pluricelularidad.
Actividad
Para sintetizar los aspectos esenciales que fueron encontrando en cada nuevo paso de la evolución del metabolismo, completen el
siguiente
SOPA PRIMIGENIA
¿Hay suficiente cantidad y diversidad
de sustancias orgánicas?
SI
NO
Aparecen: …………………………….....
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
¿Se agotan las sustancias
orgánicas simples?
SI
NO
Aparecen: ……………………………….
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
¿Se agota la fuente de
ácido sulfhídrico (SH2)?
SI
NO
Aparecen: ……………………………….
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
……………………………………………
¿Aumenta la concentración de
oxígeno en la atmósfera?
SI
NO
Aparece: ………………………………………….
……………………………………………………
……………………………………………………
……………………………………………………
……………………………………………………
…………………………………………………..
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