Actúan espontáneamente y con una cierta intencionalidad




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El ser vivo y el origen de la vida.
Los seres vivos y la vida.

Los seres vivos u organismos vivos son aquellos que poseen una estructura material muy compleja y que son capaces de nutrirse, relacionarse y reproducirse, es decir, de realizar las tres funciones vitales. La vida se puede definir como el conjunto de esas tres cualidades o funciones.

La ciencia que estudia los seres vivos es la Biología. Lo hace a todos los niveles, desde el molecular hasta el de ecosistema.
Características de los seres vivos.

Actúan espontáneamente y con una cierta intencionalidad.

Esta actuación tiene como objetivo realizar las funciones vitales.

– La nutrición es la función de captar materia y energía del exterior, con el fin de mantener su estructura, crecer, desarrollarse y realizar las funciones vitales.

– La relación es la función de captar estímulos del exterior y elaborar respuestas adecuadas a los mismos. Sin ella, los seres vivos serían incapaces de nutrirse y de reproducirse.

– La reproducción es la función de originar nuevos individuos, iguales o parecidos a los progenitores.

- Son seres muy complejos. Esto se debe a que tienen que regular muchas reacciones químicas internas diferentes y responder adecuadamente a un gran número de sustancias externas. Los seres vivos están constituidos por materia orgánica e inorgánica.

– La materia orgánica es aquella que está constituida, básicamente, por átomos de carbono (C) y de hidrógeno (H). La mayoría, además, presenta átomos de oxígeno (O) y de nitrógeno (N). En la naturaleza solo se encuentra constituyendo organismos y sus derivados naturales, como el petróleo.

– La materia inorgánica es la que no está constituida, básicamente, por átomos de carbono y de hidrógeno. También se la denomina materia mineral, ya que forma los minerales, las rocas y el agua.

- Están constituidos por una o más células. Los primeros son los seres unicelulares y los segundos, los pluricelulares. Desde el punto de vista estructural, la célula es una estructura de materia viva constituida por una membrana, un citoplasma y material genético (el ácido desoxirribonucleico o ADN), que contiene la información sobre su estructura y funcionamiento.

Desde el punto de vista funcional, la célula es la unidad más sencilla de materia viva autónoma, ya que es capaz de nutrirse, reproducirse y relacionarse por sí misma.

- La información biológica sobre su estructura corporal (anatomía) y su funcionamiento (fisiología) se halla en los ácidos nucleicos. Cada una de las unidades de información se denomina gen. Los genes de un ser vivo son hereditarios, por lo que pasan del progenitor a sus descendientes.

- Los seres vivos mantienen relativamente constante su medio interno. Su objetivo es intentar que no les afecten las variaciones del medio ambiente. Esta propiedad se llama homeostasis.

El origen de la vida y de los primeros organismos.

Las primeras explicaciones históricas sobre el origen de la vida y los seres vivos sostienen que los diversos seres vivos fueron creados por algún ser superior. En la actualidad se entiende que los textos religiosos pretenden mostrar la intervención divina en la creación de la vida, pero no explicar cómo se ha originado la materia viva, lo cual pertenece al ámbito de los textos científicos.
La teoría de la generación espontánea.

Esta teoría defiende que algunos seres vivos podrían originarse a partir de materiales inertes, como el barro, el sudor, la carne en corrupción, etc. Esta hipótesis fue aceptada en el mundo científico durante siglos. Entre otros, fue sostenida por Aristóteles (384-322 a. C.). Se pensaba que del barro se generaban las anguilas; de la lluvia, las ranas; de la carne en putrefacción, los gusanos y las moscas; etc. Incluso se llegaron a proponer fórmulas para obtener seres vivos. Así, J. B. Helmont (1577- 1644) afirmó que para conseguir ratones bastaba con envolver granos de trigo en una camisa sucia y sudada y esperar unos 21 días. El médico italiano Francesco Redi (1626-1698) realizó varios experimentos que demostraban que la idea de la generación espontánea era errónea.



Posteriormente, A. Leeuwenhoek (1632-1723), el inventor del microscopio, comunicó que había observado organismos microscópicos vivos en el agua de lluvia que había recogido en su tejado.

Esto llevó a que algunos científicos admitieran la posibilidad de que los microorganismos se originasen por generación espontánea.

En 1745, J. T. Needham (1713-1781) introdujo tejidos vegetales y animales en frascos herméticos y los calentó. Varios días después observó la aparición de microorganismos, lo que le llevó a defender la hipótesis de la generación espontánea de los microbios.

Años después, en 1769, L. Spallanzani (1729-1799) repitió el experimento y demostró que, si se impedía la entrada de aire en los frascos calentados, no aparecían microbios. El argumento en contra era que, debido a la falta de aire, no aparecían los microbios. Por tanto, la controversia entre defensores y detractores de la generación espontánea seguía abierta.

En 1860, el microbiólogo francés Louis Pasteur (1822-1895) realizó un experimento similar al que efectuó Redi doscientos años antes y demostró que la teoría de la generación espontánea de la vida era falsa.

Pasteur explicó que los microbios y las esporas de hongos que contenía el aire y que se depositaban continuamente sobre los objetos eran los causantes de la descomposición de los cadáveres de los organismos.



Si el matraz se mantenía vertical, no se producía la contaminación microbiana del caldo, incluso después de mucho tiempo, debido a que los microorganismos no podían ascender por el cuello del recipiente. Pero si este se inclinaba hasta poner en contacto el caldo con la abertura del cuello (llena de microbios), se producía la contaminación microbiana de dicho caldo. Por tanto, la ausencia de vida en el recipiente vertical no se debía a la destrucción de algún principio vital por el calentamiento del caldo, sino a que se impedía su contaminación.

Con este experimento, Pasteur demostró que «todos los seres vivos proceden de otros seres vivos» y que la teoría de la generación espontánea de vida no era cierta.
La hipótesis de los coacervados.

Después de los experimentos de Pasteur, se propuso que la generación espontánea de vida sí podría haberse dado en las condiciones iniciales del planeta. El científico ruso A. Oparin (1894-1980) sostenía que la aparición de la vida estuvo precedida de una evolución química. Según él, la atmósfera terrestre primitiva estaba constituida por hidrógeno (H2), agua (H2O), amoníaco (NH3), algunos hidrocarburos como el metano (CH4), etc.; no consideró que presentase dióxido de carbono. A partir de estos elementos, al enfriarse la Tierra, se originó una gran cantidad de moléculas orgánicas (de C, H, O y N) que se acumularon en la hidrosfera y constituyeron el caldo primitivo (denominado así por J. B. Haldane).

Algunas de estas moléculas pequeñas (monómeros) debieron de combinarse y formar moléculas de elevado peso molecular (polímeros), las cuales, a su vez, se unirían espontáneamente para constituir microscópicas estructuras cerradas, llamadas coacervados, formadas por una envoltura de polímeros y un medio interno que podría presentar enzimas. Los coacervados tendrían un metabolismo muy sencillo que les permitiría crecer y dividirse.



Oparin logró obtener coacervados en el laboratorio que crecieran y que se dividieran. En 1924 llegó a la conclusión de que los coacervados eran los precursores de los seres vivos. En 1929, el inglés J. B. Haldane llegó a unas conclusiones similares a las de Oparin, por lo que se suele hablar de la teoría de Oparin-Haldane.

La hipótesis de Oparin explica cómo se pudo pasar de la materia inorgánica a la orgánica, pero no cómo se pasa de la no vida a la vida, ya que ni explica el origen de las enzimas internas de los coacervados ni cómo podrían evolucionar, al carecer estos de información genética.

La síntesis experimental de materia orgánica sencilla.

En 1952, S. Miller confirmó experimentalmente la hipótesis de Oparin. En un matraz esférico introdujo los gases que presumiblemente constituían dicha atmósfera primitiva (metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua) y los sometió durante una semana a descargas eléctricas que simulaban las posibles tormentas eléctricas. Mantuvo el recipiente a una temperatura próxima a la de la ebullición del agua.

Posteriormente, comprobó que en el recipiente habían aparecido moléculas orgánicas sencillas como glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.





La síntesis artificial de materia orgánica compleja.
El científico americano S. Fox consideró la posibilidad de que, en las regiones volcánicas próximas al mar de la Tierra primitiva, las mezclas de aminoácidos del caldo primitivo se calentaron y se desecaron, lo que pudo originar polímeros de aminoácidos, es decir, proteínas. Lo comprobó experimentalmente en 1958. Introdujo en un horno una porción de lava en la que había puesto una mezcla de 18 tipos de aminoácidos y los mantuvo a 170 ºC durante unas cuantas horas.

Obtuvo polímeros de aminoácidos similares a las proteínas que denominó

proteinoides termales, que formaban pequeñas gotitas, a las que llamó

microesferas. Estas podrían ser capaces de captar energía del medio externo y dividirse.

No obstante, los experimentos de Fox no explicaban cómo se originaría la primera estructura viva, ya que las microesferas no presentaban moléculas capaces de contener y transmitir la información biológica.

Actualmente se piensa que estas moléculas debieron de formarse en una de las primeras fases de la evolución protobiológica.

La síntesis de ácidos nucleicos.
A partir de 1959, el científico catalán Joan Oró (1923-2004), siguiendo un protocolo parecido al de S. Miller, pero cambiando la composición de los gases que utilizaba este por otros abundantes en los cometas (ácido cianhídrico, amoníaco y agua), consiguió sintetizar las moléculas que constituyen los ácidos nucleicos. Según Oró, los primeros compuestos orgánicos podrían haberse formado en parte en la Tierra y en parte en los meteoritos y cometas que cayeron sobre nuestro planeta.

Un dato que apoya esta hipótesis es que los elementos que componen las

biomoléculas (carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre y fósforo) se encuentran entre los más abundantes en el universo, después del hidrógeno, el helio y el neón.
Hipótesis actuales sobre el origen de la vida.
Se concibe al protobionte o célula primitiva como un agregado de moléculas producidas de forma abiótica, rodeado de una membrana o de una estructura similar a ella, provisto de un cierto metabolismo y que era capaz de replicarse.
Actualmente no se conoce en qué orden aparecieron las estructuras que formaron la primera unidad autónoma viva o protobionte, que sería el antepasado común a todos los seres vivos. Pero lo que sí podemos constatar que se dieron dos grandes etapas:

  • Evolución química o abiótica: se trata de aquellos procesos que tuvieron que darse para que a partir de materia inorgánica se formase materia orgánica y su posterior organización para constituir el primer protobionte.

  • Evolución biótica: una vez constituida la primera forma de vida o protobionte, esta evolucionaría para dar lugar primero a las células procariotas, luego a los organismos eucariotas (tanto animales como vegetales) y, por último, éstas últimas se agregarían para constituir los organismos pluricelulares como nosotros.


1ª. Hipótesis de Oparin actualizada

La atmósfera primitiva no era completamente reductora, sino que presentaba una cierta cantidad de oxígeno, como demuestran los carbonatos y óxidos de hierro que se han encontrado en rocas de hace 3 800 millones de años, cuando apareció la vida en la Tierra. Estas sustancias no se podrían haber formado en una atmósfera reductora. Se supone que una caída incesante de meteoritos provocó la salida de gases pesados del interior de la Tierra, modificando la composición de la atmósfera primitiva, constituida por gases muy ligeros. Los meteoritos aportarían gran parte de los primeros compuestos orgánicos.

Según esta teoría, los componentes del protobionte que primero se formaron fueron las membranas; luego, los coacervados; después, las proteínas enzimáticas y, por último, los genes.

2ª. Hipótesis de Eigen o del ARN primitivo

M. Eigen, en 1981, propuso que, a partir de nucleótidos sueltos, se constituyó la primera molécula (ARN) con capacidad de contener información genética, de autorreplicarse y de controlar los demás procesos biológicos.

Actualmente ya se ha constatado que el ARN es capaz de contener información, como sucede en muchos virus.

Durante el proceso evolutivo, la función de contener la información genética pasaría del ARN al ADN, que es una molécula más estable; y las funciones catalíticas, a las proteínas enzimáticas.

Tal y como afirma esta hipótesis, primero aparecieron los genes en forma de ARN; luego, las enzimas y, por último, la membrana plasmática.


3ª. Hipótesis de Cairns-Smith o de los cristales de arcilla.

En 1982, A. Cairns-Smith propone la siguiente hipótesis: los iones metálicos de los minerales de la arcilla, al ordenarse espontáneamente durante la cristalización, provocarían una ordenación determinada de los aminoácidos que constituyeron las primeras proteínas enzimáticas.

Después, la arcilla y las enzimas quedaron envueltas por una membrana.

Durante el transcurso del proceso evolutivo, la información (ordenamiento) pasaría de los minerales de arcilla al ARN.

Según esta hipótesis, primero se formaron los cristales de los minerales de la arcilla; luego, las enzimas; posteriormente, las membranas y, finalmente, los genes en forma de ARN.

Conclusión:
En cada una de las teorías expuestas hemos podido observar que para que se produjese la aparición del primer ser vivo (protobionte o célula primitiva) es necesario que ocurra:

  1. Una concentración de las primeras moléculas orgánicas sencillas obtenidas a partir de la materia inerte.

  2. Las reacciones químicas de conversión de los aminoácidos en proteínas o de los glúcidos en polisacáridos como el almidón.

  3. La formación de capas de lípidos que formen las estructuras básicas de las posteriores membranas celulares.

  4. El desarrollo de un mecanismo para proveer de energía al organismo.

  5. La formación de ARN y ADN que permitan la transferencia de información y, por consiguiente, la reproducción.



Los primeros organismos.
La primera célula procariota.

La evolución protobiológica, la cual originó la primera célula, fue un proceso muy rápido que duró entre 200 y 500 millones de años, aproximadamente.

Hasta que apareció la primera célula eucariota, la Tierra estuvo habitada únicamente por organismos procariotas (bacterias).
La primera célula eucariota.

Los primeros fósiles (no seguros del todo) de células eucariotas son de hace 2 100 millones de años (mina Empire, en Míchigan, Estados Unidos). Los primeros fósiles seguros son de hace 1 500 millones de años (dolomía de Amelia, en Australia). Con estos datos se puede afirmar que la evolución desde los procariotas hasta los primeros seres unicelulares eucariotas fue un proceso muy lento que duró entre 1 400 y 2 300 millones de años. Sobre cómo se origino la primera célula eucariota hay dos hipótesis que no son excluyentes:

- Hipótesis autógena de Taylor y Dobson. Al compartimentarse una gran célula procariota mediante membranas se formaron algunos orgánulos de la célula eucariota (núcleo, retículo endoplasmático, aparato de Golgi y vacuolas).

- Hipótesis de la endosimbiosis en serie de Lynn Margulis.

Según ella, la célula eucariota procede de una célula ancestral anaerobia que habría englobado varias células procariotas entre las que se habría establecido una relación de simbiosis. Cada una de estas se habría transformado en un orgánulo celular. Así, las cianobacterias originarían los cloroplastos; las bacterias aeróbicas, las mitocondrias; las bacterias espiroquetas, los cilios y los flagelos; etc.



Los primeros eucariotas pluricelulares.

Se considera que se formaron a partir de organismos eucariotas unicelulares, que formaban colonias temporales, en el momento que perdieron la capacidad de separarse. Las células que integraban estas colonias se especializaron en funciones distintas, dando lugar a los tejidos. Así se formaron los organismos pluricelulares tanto vegetales como animales.

Los primeros posibles fósiles de eucariotas pluricelulares son unas algas relativamente pequeñas de hace 1 200 millones de años. Los primeros fósiles seguros son unos animales blandos y de formas muy diferentes a las actuales encontrados en Ediacara (Australia) de hace entre 700 y 570 millones de años y una serie abundante de organismos, unos extraños y otros parecidos a los actuales, encontrados en los esquistos de Burgess (Montañas Rocosas, en Canadá) de hace 530 millones de años. El paso de organismos eucariotas unicelulares a pluricelulares fue un proceso muy lento, de unos 800 millones de años.
La evolución del metabolismo.

Según se ha deducido, los primeros organismos eran procariotas heterótrofos fermentadores. La fermentación, al no precisar de oxígeno, es el proceso metabólico óptimo para obtener energía de las moléculas orgánicas, que constituían el caldo primitivo, en una atmósfera sin oxígeno, como era la primitiva.

Cuando estas moléculas empezaron a agotarse, resultaron más aptos aquellos organismos, surgidos antes de que esto sucediera, que tenían la capacidad de utilizar la luz como fuente de energía, es decir, los que eran capaces de realizar la fotosíntesis.

Hace unos 3 000 millones de años aparecieron las cianobacterias, microorganismos que ya podían realizar una fotosíntesis más eficaz y que desprendía oxígeno. Mediante este proceso descomponían el agua (H20) para obtener hidrógeno (H), con el cual reducían el dióxido de carbono y así sintetizaban materia orgánica y liberaban oxígeno (O2). Este gas no deseado enriqueció la atmósfera primitiva. Los rayos ultravioletas del Sol provocaron la transformación de parte de este oxígeno en ozono. Este gas constituye una pantalla que no deja pasar los rayos ultravioletas, que son muy nocivos para las células, contenidos en las radiaciones del Sol y posibilitando así la vida fuera del agua.

Evidencias de todo ello son los estromatolitos de hace 3 000 millones de años, que son formaciones laminares superpuestas en forma de cúpulas de decenas de centímetros que forman las cianobacterias.

También se deben destacar las formaciones de óxidos de hierro en bandas de hace 2 200 millones de años originadas al combinarse el oxígeno con el hierro presente en las rocas.

La presencia de oxígeno en la atmósfera favoreció el predominio de los seres vivos que realizan la respiración aeróbica, en la que se obtiene una gran cantidad de energía.


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