El Origen de la vida

La tierra y sus comienzos

El planeta Tierra parece haberse formado a partir de una nube de partículas de polvo que posteriormente se atrajeron alrededor de un centro condensándose cada vez más. De este modo quedó constituido por un núcleo que concentró los elementos más pesados, relegando los más livianos a la zona más superficial. Se data aproximadamente que la tierra tiene unos 4.600 millones de años.

En el transcurso de millones de años, la tierra se enfrió lentamente. Su superficie se hizo más sólida aunque en algunos lugares los volcanes expulsaron roca fundida y gases al exterior. Con la roca se cubrió la superficie de la tierra y los gases expulsados dieron lugar a la Atmósfera. En las alturas el vapor de agua se enfrió y se condensó cayendo como lluvia sobre las rocas calientes que volvieron a evaporarlo. Esto pudo dar origen a ciclos violentos de lluvias tormentosas y así concentrar suficiente agua líquida en mares y océanos.

La atmósfera primitiva pudo haber contenido vapor de agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno, metano y amoníaco. En la atmósfera primitiva no hubo oxígeno ni en su forma atómica, ni el molecular común, ni el ozono. Los gases primitivos reaccionaron rápido con el eliminándolo de la atmósfera como oxigeno libre o no combinado.

Esto nos trae una pequeña encrucijada: todas las formas de vida que existen en la actualidad, ¿pudieron desarrollarse sólo después de que el oxígeno comenzó a formar parte de la atmósfera? ¿O existieron formas primitivas que no necesitaron oxigeno y que se desarrollaron antes de su incorporación en la atmósfera?

El problema del origen de la vida

La creencia general de que las larvas y los gusanos que aparecen entre los desechos de las actividades humanas surgen de la misma basura es un ejemplo de esta hipótesis que plantea que la materia no viviente puede originar por si misma la vida. Siguiendo este razonamiento una forma de vida podría originarse propiamente a partir de otra totalmente diferente.

Hacia el 1600 la generación espontánea era una creencia generalizada, el médico belga Jean Baptiste Van Helmont suponía que existía un principio activo capaz de inducirla y pretendió demostrarlo con el siguiente experimento: colocó una camisa sucia en contacto con algunos granos y espigas de trigo y al cabo de unos pocos días… Obtuvo ratones. La transpiración humana que estaba impregnada en la camisa. En realidad los ratones solamente acudieron al lugar; pero hicieron pensar a Van Helmont que surgieron de allí.

El médico florentino Francesco Redi trató de refutar estas hipótesis diseñando un experimento de la siguiente manera: tomó ocho frascos iguales e introdujo en ellos trozos de carne. Cuatro permanecieron abiertos y cuatro permanecieron cuidadosamente cerrados y sellados. Después de unos pocos días, los frascos abiertos estaban repletos de larvas y moscas mientras que en los cerrados no se observaba nada. Después de semejante demostración y por un tiempo se abandonó la idea de la generación espontánea.

Luis Pasteur realizó cientos de experimentos hasta comprobas que la materia no viva puede contaminarse por microorganismos, bacterias en general, que están en el aire, en el suelo o en los utensilios que manipulamos. Estas bacterias se multiplican a gran velocidad. Pasteur demostró que los organismos no aparecen en los alimentos que han sido esterilizados convenientemente por el calor. La teoría llamada Biogénesis sostiene que siempre es un ser vivo el que produce otro ser vivo.

La vida y sus comienzos

Una hipótesis explica que la vida llegó a la tierra proveniente del espacio exterior. Habría venido bajo la forma de esporas, estructuras resistentes en las que pueden convertirse las bacterias cuando las condiciones no son las adecuadas. Muchos plantean que viajaron en meteoritos o partículas de polvo, pero no alcanzan a explicar como resistieron la fricción y el intenso calor al ingresar en nuestra atmósfera. Esta hipótesis sólo traslada el problema de la vida a otro planeta u otro sistema solar, no explica cómo se originó allí.

Los seres vivos necesitan incorporar materia y energía para llevar a cabo sus procesos metabólicos. Las plantas, por ejemplo, utilizan la energía solar y con la ayuda de unas pocas sustancias nutritivas. Por eso se las llama autótrofas. Por otro lado, los organismos incapaces de elaborar su propio alimento (como los animales) se llaman heterótrofos y dependen de una fuente exterior de provisión de energía. Las hipótesis iniciales acerca del origen de la vida señalan que los primeros seres vivos debían ser capaces de sintetizar sus alimentos, ya que no existía ningún otro ser vivo capaz de proporcionárselos. Estas son las Hipótesis autotróficas.

Existen sin embargo hipótesis alternativas como la llamada Hipótesis heterotrófica, sostiene que en determinadas condiciones ambientales, y después de miles de millones de años, surgió un tipo muy simple de vida a partir de materia no viva. Lo que diferencia esta postura de la que sostenía la generación espontánea es que este hecho singular habría surgido en un momento de la historia evolutiva de la tierra y no continuamente.

Para Oparin, el comienzo fue en la tierra y se trató de una complejización creciente de los compuestos químicos. Como todos los seres vivos están formados por sustancias orgánicas que contienen Carbono, lo primero que debió ocurrir decía Oparin fue su formación a partir de sustancias más simples.

La clave estaría en la composición de lo que llamamos atmósfera primitiva, en la ausencia de oxigeno gaseoso y en las condiciones que reinaban en la Tierra hace 4.600 millones de años.

En esas condiciones y siguiendo a Oparin, los átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógenos pudieron haberse unido entre sí formando en principio vapor de agua, nitrógeno gaseoso, dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano y amoníaco, y luego una cantidad de compuestos orgánicos más complejos, necesarios para la vida aún antes de que existieran seres autótrofos. Es por eso que las primeras fuerzas de vida por fuerza debieron ser heterótrofas.

Para formar moléculas complejas a partir de otras se requiere energía. El sol es la primera fuente de energética para los autótrofos; pero en los comienzos de la tierra, la radiación ultravioleta proveniente del sol llegaba directamente, ya que al no existir el oxígeno gaseoso tampoco existía el ozono constituyendo su capa protectora. Los destructivos rayos ultravioletas aportaron entonces suficiente energía como para romper algunas uniones químicas y permitir la recombinación de los elementos. También existieron fuentes secundarias de energía como la propia radiación de la tierra, el calor generado de la actividad volcánica o la energía eléctrica producida por las tormentas.

Para comprobar esta teoría dos investigadores Urey y Miller intentaron reproducir las condiciones de la atmósfera primitiva que rodeaba a la tierra hace 4.600 millones de años: gases, calor, lluvia, descargas eléctricas. Para ello diseñaron un aparato que consistía básicamente en una esfera cerrada al vacío donde colocaron metano, hidrógeno y amoníaco gaseoso. A través de esta mezcla hacían circular una corriente de vapor de agua al mismo tiempo que producías descargas eléctricas en la esfera. Luego condensaban el vapor que volvía como líquido a enriquecer el agua inicial en ebullición.

Al cabo de una semana, los átomos e las moléculas de los distintos gases se habían combinado entre sí formando aminoácidos.

Estos experimentos no demuestran fehacientemente que la vida pudiera haberse originado de materia no viva, pero si demuestran que algunos compuestos orgánicos esenciales para la vida pudieron formarse a partir de sustancias simples; en las condiciones de la atmósfera primitiva.

El “Caldo Primitivo” y una primera forma de Selección Natural

Según la hipótesis demostrada por Hurey y Miller existieron condiciones especiales en la tierra primitiva que transformaron sustancias simples en otras muy complejas como los aminoácidos. Dichos compuestos orgánicos formados en esa atmósfera tan especial fueron arrastrados por el vapor de agua convertido en lluvia hacia lagos, mares y océanos constituyendo un liquido rico en compuestos orgánicos que algunos bautizaron como el “Caldo Primitivo”. Seguramente en los cuerpos de agua muy pequeños, pudieron encontrarse varios aminoácidos y formar cadenas de polipéptidos o proteínas y de la misma manera formar otros compuestos orgánicos. Estas moléculas grandes se agruparon y constituyendo formas diversas que ya podemos llamara precelulares.

Muchos de estos tipos precelulares adquirieron la forma de pequeñas gotas proteicas rodeadas de una película de agua y Oparin los llamó Coacervados.

Las formas precelulares de las que hablamos fueron heterótrofas. Tuvo que aparecer entonces un microorganismo (quizás una bacteria) que pudiera fabricar sus propios alimentos en una especia de fotosíntesis primitiva, que en un primer momento seguramente no liberaba oxígeno. Más tarde pudo desarrollarse otro organismo que escindiera la molécula de agua como fuente de energía liberando algo de oxígeno. Pero la aparición de las demás formas de vida no fue posible hasta que hubo suficiente cantidad de oxígeno como para formar ozono y proteger a la Tierra de las peligrosas radiaciones ultravioletas. Junto a todos estos procesos fue imprescindible la presencia de una molécula compleja que posibilitara la función de auto perpetuación, esencial para los seres vivos: el ADN.

En sus comienzos el ADN estaba disperso en lo que ya podemos llamar una célula primitiva o Células Procariontes, como la que hoy podemos encontrar en bacterias y algas inferiores. Más tarde aparecerán estructuras más complejas dentro de la célula, como el núcleo en donde el ADN encontrará su lugar. Son las Células Eucariontes.

Luego, las estructuras unicelulares se complejizaron y cedieron su paso a las multicelulares en donde varias células tienden a actuar en conjunto.

Bibliografía:

· María Cristina Di Sarli “Del Big Bang al Homo Sapiens” Una aproximación al proceso evolutivo Edición Aique Colección dirigida por Susana Pironio Capítulo 3 El origen de la vida: principales teorías

Formas De la Célula

A continuación se observarán algunas imágenes que representan ejemplos de distintas formas celulares.

La Célula

Una célula (del latín cellula, diminutivo de cellam, celda, cuarto pequeño) es la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo.^[1] De este modo, puede clasificarse a los organismos vivos según el número que posean: si sólo tienen una, se les denomina unicelulares (como pueden ser los protozoos o las bacterias, organismos microscópicos); si poseen más, se les llama pluricelulares. En estos últimos el número de células es variable: de unos pocos cientos, como en algunos nematodos, a cientos de billones (10¹⁴), como en el caso del ser humano. Las células suelen poseer un tamaño de 10 µm y una masa de 1 ng, si bien existen células mucho mayores.

La teoría celular, propuesta en 1839 por Matthias Jakob Schleiden y Theodor Schwann, postula que todos los organismos están compuestos por células, y que todas las células derivan de otras precedentes. De este modo, todas las funciones vitales emanan de la maquinaria celular y de la interacción entre células adyacentes; además, la tenencia de la información genética, base de la herencia, en su ADN permite la transmisión de aquélla de generación en generación.^[2]

La aparición del primer organismo vivo sobre la Tierra suele asociarse al nacimiento de la primera célula. Si bien existen muchas hipótesis que especulan cómo ocurrió, usualmente se describe que el proceso se inició gracias a la transformación de moléculas inorgánicas en orgánicas bajo unas condiciones ambientales adecuadas; tras esto, dichas biomoléculas se asociaron dando lugar a entes complejos capaces de autorreplicarse. Existen posibles evidencias fósiles de estructuras celulares en rocas datadas en torno a 4 o 3,5 miles de millones de años (giga-años o Ga.).^{[3] [4]} Las evidencias de la presencia de vida basadas en desviaciones de proporciones isotópicas son anteriores (cinturón supracortical de Isua, 3,85 Ga.).^[a]

Existen dos grandes tipos celulares: las procariotas (que comprenden las células de arqueas y bacterias) y las eucariotas (divididas tradicionalmente en animales y vegetales, si bien se incluyen además hongos y protistas, que también tienen células con propiedades características).

La Teoría Celular

El concepto de célula como unidad anatómica y funcional de los organismos surgió entre los años 1830 y 1880, aunque fue en el siglo XVII cuando Robert Hooke describió por vez primera la existencia de las mismas, al observar en una preparación vegetal la presencia de una estructura organizada que derivaba de la arquitectura de las paredes celulares vegetales. En 1830 se disponía ya de microscopios con una óptica más avanzada, lo que permitió a investigadores como Theodor Schwann y Matthias Schleiden definir los postulados de la teoría celular, la cual afirma, entre otras cosas:

• Que la célula es una unidad morfológica de todo ser vivo: es decir, que en los seres vivos todo está formado por células o por sus productos de secreción.
• Este primer postulado sería completado por Rudolf Virchow con la afirmación Omnis cellula ex cellula, la cual indica que toda célula deriva de una célula precedente (biogénesis). En otras palabras, este postulado constituye la refutación de la teoría de generación espontánea o ex novo, que hipotetizaba la posibilidad de que se generara vida a partir de elementos inanimados.^[10]
• Un tercer postulado de la teoría celular indica que las funciones vitales de los organismos ocurren dentro de las células, o en su entorno inmediato, y son controladas por sustancias que ellas secretan. Cada célula es un sistema abierto, que intercambia materia y energía con su medio. En una célula ocurren todas las funciones vitales, de manera que basta una sola de ellas para tener un ser vivo (que será un ser vivo unicelular). Así pues, la célula es la unidad fisiológica de la vida.
• Finalmente, el cuarto postulado de la teoría celular expresa que cada célula contiene toda la información hereditaria necesaria para el control de su propio ciclo y del desarrollo y el funcionamiento de un organismo de su especie, así como para la transmisión de esa información a la siguiente generación celular.^[11

Definición

Por tanto, podemos definir a la célula como la unidad morfológica y funcional de todo ser vivo. De hecho, la célula es el elemento de menor tamaño que puede considerarse vivo. Como tal posee una membrana de fosfolípidos con permeabilidad selectiva que mantiene un medio interno altamente ordenado y diferenciado del medio externo en cuanto a su composición, sujeta a control homeostático, la cual consiste en biomoléculas y algunos metales y electrolitos. La estructura se automantiene activamente mediante el metabolismo, asegurándose la coordinación de todos los elementos celulares y su perpetuación por replicación a través de un genoma codificado por ácidos nucleicos. La parte de la biología que se ocupa de ella es la citología.

Características

Las células, como sistemas termodinámicos complejos, poseen una serie de elementos estructurales y funcionales comunes que posibilitan su supervivencia; no obstante, los distintos tipos celulares presentan modificaciones de estas características comunes que permiten su especialización funcional y, por ello, la ganancia de complejidad.^[12] De este modo, las células permanecen altamente organizadas a costa de incrementar la entropía del entorno, uno de los requisitos de la vida.^[13]

Características estructurales

• Individualidad: Todas las células están rodeadas de una envoltura (que puede ser una bicapa lipídica desnuda, en células animales; una pared de polisacárido, en hongos y vegetales; una membrana externa y otros elementos que definen una pared compleja, en bacterias Gram negativas; una pared de peptidoglicano, en bacterias Gram positivas; o una pared de variada composición, en arqueas)^[6] que las separa y comunica con el exterior, que controla los movimientos celulares y que mantiene el potencial de membrana.
• Contienen un medio interno acuoso, el citosol, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los orgánulos celulares.
• Poseen material genético en forma de ADN, el material hereditario de los genes y que contiene las instrucciones para el funcionamiento celular, así como ARN, a fin de que el primero se exprese.^[14]
• Tienen enzimas y otras proteínas, que sustentan, junto con otras biomoléculas, un metabolismo activo.

Características funcionales

Las células vivas son un sistema bioquímico complejo. Las características que permiten diferenciar las células de los sistemas químicos no vivos son:

• Nutrición. Las células toman sustancias del medio, las transforman de una forma a otra, liberan energía y eliminan productos de desecho, mediante el metabolismo.
• Crecimiento y multiplicación. Las células son capaces de dirigir su propia síntesis. A consecuencia de los procesos nutricionales, una célula crece y se divide, formando dos células, en una célula idéntica a la célula original, mediante la división celular.
• Diferenciación. Muchas células pueden sufrir cambios de forma o función en un proceso llamado diferenciación celular. Cuando una célula se diferencia, se forman algunas sustancias o estructuras que no estaban previamente formadas y otras que lo estaban dejan de formarse. La diferenciación es a menudo parte del ciclo celular en que las células forman estructuras especializadas relacionadas con la reproducción, la dispersión o la supervivencia.
• Señalización. Las células responden a estímulos químicos y físicos tanto del medio externo como de su interior y, en el caso de células móviles, hacia determinados estímulos ambientales o en dirección opuesta mediante un proceso que se denomina síntesis. Además, frecuentemente las células pueden interaccionar o comunicar con otras células, generalmente por medio de señales o mensajeros químicos, como hormonas, neurotransmisores, factores de crecimiento... en seres pluricelulares en complicados procesos de comunicación celular y transducción de señales.
• Evolución. A diferencia de las estructuras inanimadas, los organismos unicelulares y pluricelulares evolucionan. Esto significa que hay cambios hereditarios (que ocurren a baja frecuencia en todas las células de modo regular) que pueden influir en la adaptación global de la célula o del organismo superior de modo positivo o negativo. El resultado de la evolución es la selección de aquellos organismos mejor adaptados a vivir en un medio particular.

Las propiedades celulares no tienen por qué ser constantes a lo largo del desarrollo de un organismo: evidentemente, el patrón de expresión de los genes varía en respuesta a estímulos externos, además de factores endógenos. ^[15] Un aspecto importante a controlar es la pluripotencialidad, característica de algunas células que les permite dirigir su desarrollo hacia un abanico de posibles tipos celulares. En metazoos, la genética subyacente a la determinación del destino de una célula consiste en la expresión de determinados factores de transcripción específicos del linaje celular al cual va a pertenecer, así como a modificaciones epigenéticas. Además, la introducción de otro tipo de factores de transcripción mediante ingeniería genética en células somáticas basta para inducir la mencionada pluripotencialidad, luego éste es uno de sus fundamentos moleculares.[16

Tamaño, forma y función

El tamaño y la forma de las células depende de sus elementos más periféricos (por ejemplo, la pared, si la hubiere) y de su andamiaje interno (es decir, el citoesqueleto). Además, la competencia por el espacio tisular provoca una morfología característica: por ejemplo, las células vegetales, poliédricas in vivo, tienden a ser esféricas in vitro.^[17] Incluso pueden existir parámetros químicos sencillos, como los gradientes de concentración de una sal, que determinen la aparición de una forma compleja.^[18]

En cuanto al tamaño, la mayoría de las células son microscópicas, es decir, no son observables a simple vista. A pesar de ser muy pequeñas (un milímetro cúbico de sangre puede contener unos cinco millones de células),^[12] el tamaño de las células es extremadamente variable. La célula más pequeña observada, en condiciones normales, corresponde a Mycoplasma genitalium, de 0,2 μm, encontrándose cerca del límite teórico de 0,17 μm.^[19] Existen bacterias con 1 y 2 μm de longitud. Las células humanas son muy variables: hematíes de 7 micras, hepatocitos con 20 micras, espermatozoides de 53 μm, óvulos de 150 μm e, incluso, algunas neuronas de en torno a un metro. En las células vegetales los granos de polen pueden llegar a medir de 200 a 300 μm y algunos huevos de aves pueden alcanzar entre 1 (codorniz) y 7 cm (avestruz) de diámetro. Para la viabilidad de la célula y su correcto funcionamiento siempre se debe tener en cuenta la relación superficie-volumen.^[13] Puede aumentar considerablemente el volumen de la célula y no así su superficie de intercambio de membrana lo que dificultaría el nivel y regulación de los intercambios de sustancias vitales para la célula.

Respecto de su forma, las células presentan una gran variabilidad, e, incluso, algunas no la poseen bien definida o permanente. Pueden ser: fusiformes (forma de huso), estrelladas, prismáticas, aplanadas, elípticas, globosas o redondeadas, etc. Algunas tienen una pared rígida y otras no, lo que les permite deformar la membrana y emitir prolongaciones citoplasmáticas (pseudópodos) para desplazarse o conseguir alimento. Hay células libres que no muestran esas estructuras de desplazamiento pero poseen cilios o flagelos, que son estructuras derivadas de un orgánulo celular (el centrosoma) que dota a estas células de movimiento.^[1] De este modo, existen multitud de tipos celulares, relacionados con la función que desempeñan; por ejemplo:

• Células contráctiles que suelen ser alargadas, como las fibras musculares.
• Células con finas prolongaciones, como las neuronas que transmiten el impulso nervioso.
• Células con microvellosidades o con pliegues, como las del intestino para ampliar la superficie de contacto y de intercambio de sustancias.
• Células cúbicas, prismáticas o aplanadas como las epiteliales que recubren superficies como las losas de un pavimento.