Surgimiento de la vida compleja en la Tierra

Si alguien pregunta qué es la vida, podríamos decirle que es el destello de una luciérnaga en la noche, el aliento de un búfalo durante el invierno o esa pequeña sombra que corre a través de la hierba y se pierde con la puesta del sol. En este artículo hablaremos acerca de cuándo y cómo surgió la vida en la tierra, qué tipo de evidencia y teoría nos ha hecho avanzar en la comprensión del origen de la vida y cuáles son los principales avances evolutivos que han tenido lugar a nivel celular.

Introducción

Cómo surgió la vida, a partir de la no existencia de la misma, es una pregunta extremadamente difícil. Como preludio a los detalles, vamos a revisar las características distintivas de los sistemas vivos en el contexto de esta pregunta. Los organismos vivos tienen tres propiedades esenciales. En primer lugar, capturan y utilizan la energía proveniente de fuentes externas para alimentar la energía química del crecimiento y el metabolismo. Los organismos “autótrofos” sintetizan compuestos de carbono (“comida”) con la energía del ambiente físico, como la luz del sol o el calor geotérmico. Los organismos “heterótrofos” procuran la energía comiéndose a otros organismos. En segundo lugar, los sistemas vivos crecen mediante la adición de materiales y los cambios en la organización, y por último se reproducen mediante una estructura de información que pasa de generación en generación. Esta información dirige la síntesis y el crecimiento de los compuestos orgánicos en la célula. Los sistemas no vivos pueden presentar algunas de estas propiedades, pero no todas a la vez.

Otra consideración a tener en cuenta son las propiedades de la Tierra como planeta donde es posible el milagro de la vida. Estas propiedades incluyen su tamaño (masa), ya que es lo suficientemente grande para contener una atmósfera por la fuerza de la gravedad, y la temperatura de su superficie, que mantiene el agua en forma líquida.

image1Figura 1. El agua en la orilla del lago Superior (en Ontario), que fluye sobre las rocas del Precámbrico. Fuente: Catherine Badgley.

Parte del reto en la investigación sobre los orígenes de la vida en la Tierra es que los registros de las rocas más antiguas del planeta son escasos, además de que las condiciones en la superficie de la tierra primitiva diferían enormemente de las de hoy en día, con una mayor concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera, temperaturas superficiales más cálidas, así como océanos y un ambiente anaeróbicos.

La evidencia de la vida más temprana: ¿Cuándo?

Las pruebas químicas (isótopos de carbono que implica la fotosíntesis) indican que la actividad biológica se presentó por primera vez hace aproximadamente 3 800 millones de años. Las células fósiles más antiguas han sido conocidas a partir de ciertas rocas sedimentarias en Australia. Estos fósiles representan formas unicelulares, de crecimiento esférico, fibroso y agrupado. Tal evidencia se ha disputado como el resultado de procesos inorgánicos, pero la co-ocurrencia de microestructuras similares a las células, junto con las señales químicas de compuestos orgánicos, la convierte en un hallazgo de peso para pensar en procariotas fosilizadas. Dada la baja probabilidad de preservación de las rocas de este período inicial, las células vivas posiblemente habrían aparecido incluso antes que los fósiles más antiguos. Por lo tanto, la vida en la Tierra surgió probablemente entre 4 000 y 3 500 millones de años atrás.

Aproximadamente hace 3 500 – 2 000 millones de años, los fósiles más comunes eran los estromatolitos, rocas microbianas que crecen en pequeños montículos al atrapar lodo fino en superficies pegajosas. La siguiente figura  ilustra los estromatolitos modernos en un entorno de marea. Los ecosistemas microbianos similares persisten en la actualidad en contextos marinos y de agua dulce más profundos.

image2Figura 2. Estromatolitos modernos. (Fuente: BBC / Ciencia / Earth)

La evidencia de la vida más temprana: ¿Dónde?

Tres hipótesis
1. Océano. Las ideas del científico ruso Oparin y del científico británico Haldane desde el siglo 20, postularon que un rayo o la radiación ultravioleta que interactuaba con la atmósfera primitiva habrían conducido a la formación de pequeñas moléculas orgánicas, las cuales se concentraron para vivir en los océanos. De acuerdo con esta hipótesis, los grupos de moléculas orgánicas fueron adquiriendo propiedades de las células primitivas, tales como membranas externas semipermeables. Eventualmente, algunas de estas proto-células se convirtieron en células reales mediante un proceso de selección.

Los coacervados, entidades similares a las amebas que contienen y liberan compuestos, proporcionan una pista de cómo podrían haber surgido las propiedades de las células. Esta hipótesis y las modificaciones posteriores que se le han hecho, reciben el sobrenombre de “sopa primordial.” El ambiente de la vida primitiva, bajo esta hipótesis, fue el antiguo océano, donde se acumularon las primeras moléculas orgánicas, tras su formación en la atmósfera.


El famoso experimento de Miller-Urey demostró la verosimilitud de esta hipótesis. En la década de 1950, Miller y Urey probaron con éxito la hipótesis Oparin / Haldane. Usando una simulación de la “atmósfera primitiva” con metano, amoníaco, hidrógeno y una chispa eléctrica, se pudo observar la formación de aminoácidos en un ambiente de laboratorio. Otros experimentos han sustituido el CO2 por CH4 y NH3, así como la chispa eléctrica por luz ultravioleta y han documentado una serie de moléculas orgánicas en el recipiente de condensación.

image3Figura 3. El experimento de Miller-Urey. (Fuente: Wikipedia, Wikimedia)

2. Ubicaciones extraterrestres. La detección de carbono, oxígeno y nitrógeno, así como compuestos orgánicos simples en el gas y polvo interestelar llevó a algunos científicos a determinar si la vida se originó en otro lugar del sistema solar y fue “sembrada” en la Tierra a través de cometas y meteoritos. Algunos cometas y meteoritos contienen compuestos orgánicos simples, lo que apoya la verosimilitud de esta hipótesis. Aunque no es la más aceptada, se considera probable que los cometas y meteoritos hayan contribuido con grandes cantidades de carbono, oxígeno y nitrógeno para la superficie de la tierra primitiva, durante un período de intenso bombardeo.

image4Figura 4. La nebulosa de Orión fotografiado por el telescopio Hubble. El gas y el polvo interestelar, así como los cometas y meteoritos pueden contener los elementos comunes de los compuestos orgánicos y pequeñas moléculas orgánicas. (Fuente: NASA)

3. Tierra profunda o fuentes hidrotermales submarinas. El descubrimiento de abundantes bacterias muy por debajo de la superficie de la tierra y chimeneas submarinas circundantes llevó a algunos científicos a proponer estos ambientes como el lugar de origen de la vida. Lejos de ignorar las investigaciones sobre la radiación ultravioleta y los procesos violentos en la superficie de la tierra primitiva, estos ambientes profundos fueron propuestos como posibles sitios donde podrían formarse reacciones orgánicas y las proto-células. Los compuestos de azufre y el calor geotérmico habrían proporcionado sustratos y fuentes de energía para el metabolismo celular, tal como ocurre actualmente en dichos entornos.

image5Figura 5. Chimeneas hidrotermales. (Fuente: Woods Hole Oceanographic Institution)

La evidencia de la vida más temprana: ¿Cómo?

La pregunta clave aquí es qué apareció primero en las proto-células, la replicación o el metabolismo. Los experimentos que demuestran que los polímeros orgánicos pueden formarse en capas de arcilla-mineral o que algunas formas de ARN pueden actuar como un catalizador, así como un medio de transferencia de información, han investigado posibles escenarios para la replicación.

Origen único para la vida en la Tierra

Todos los organismos actuales, desde los microbios más pequeños hasta los árboles y los vertebrados más grandes, poseen una serie de características bioquímicas en común, que apoya la idea de que todas estas formas tienen un ancestro común. Algunas de estas características comunes son:

• Un conjunto común de 20 aminoácidos
• ADN y ARN como la base de la transferencia de información de generación en generación
• ATP como moneda universal de energía
• La fermentación como el primer paso del metabolismo de los carbohidratos.

Los análisis genéticos de los organismos existentes indican que la vida se compone de tres grandes ramas: la Eubacteria, la Archea y la Eucarya. Eubacteria y Archae son procariota y Eucarya es eucariota. Los procariotas son los grandes elementos cíclicos de la superficie de la tierra y son fundamentales para los ecosistemas. Exhiben asombrosa diversidad metabólica y pueden utilizar diferentes tipos de sustratos para la síntesis y el metabolismo. Los eucariotas tienen caminos metabólicos bastante limitados, pero incluyen a todos los organismos multicelulares y muestran una gran diversidad morfológica.

image6Figura 6. Los tres dominios de la vida según lo revelado por análisis genéticos. (Fuente: Wikipedia, Wikimedia)

La célula eucariota

La célula eucariota es más grande y estructuralmente más organizada que la célula procariota. Esta última carece de membranas internas y el ADN de una sola cadena se encuentra en el citoplasma. En cambio, la célula eucariota contiene un núcleo y otros orgánulos. El núcleo está rodeado por una membrana e incluye al ADN de doble cadena dentro de los cromosomas. La célula eucariota muestra evidencias de mayor organización subcelular y un funcionamiento más eficiente. Por ejemplo, dentro de las mitocondrias se organizan varias enzimas que liberan energía y en el caso de las plantas, contienen cloroplastos, que es donde se produce la fotosíntesis.

El origen de la célula eucariota hace más de 2 mil millones de años fue un paso evolutivo importante. Protozoos, hongos, plantas y animales, son todos eucariotas. La teoría de la endosimbiosis propone que al menos dos orgánulos que sólo se encuentran en las células eucariotas, las mitocondrias, donde se sintetiza la molécula de transferencia de energía (ATP) y los cloroplastos, donde ocurre la fotosíntesis; se originaron como huéspedes procariotas envolviendo otras células procarióticas con caminos metabólicos particulares. Esta hipótesis endosimbiótica, originalmente propuesta por Lynn Margulis en 1967, proporciona un mecanismo para entender la evolución de las estructuras de las células complejas a partir de precursores más simples.

1 nucléolo
2 membrana nuclear
3 ribosoma
4 vesícula
5 retículo endoplasmático (rugoso)
6 aparato de Golgi
7 citoesqueleto
8 retículo endoplásmico (liso)
9 mitocondria
10 vacuola
11 citoplasma
12 lisosoma
13 centriolos

image7Figura 7. Representación de una célula animal eucariota. (Fuente: Wikipedia, Wikimedia)

Resumen

Varias líneas de evidencia indican que la vida ha estado presente durante la mayor parte de la historia de la Tierra. Las hipótesis sobre los orígenes de la vida varían en términos de contexto ambiental y de si en las primeras células surgió primero el metabolismo o la replicación. Los ecosistemas procariotas dominaron los primeros 2 mil millones de años de vida en el planeta y se cree que los eucariotas surgieron a partir de ancestros procariotas mediante etapas de la endosimbiosis.

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