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LA VIDA Y LOS SERES VIVOS Sobre el origen de la vida. Teoría de Oparin
Los nuevos conocimientos en Biología, Química y Geología desarrollados a finales del siglo xix y comienzos del xx permitieron al científico ruso Alexander Oparin, elaborar una teoría coherente que plasmó en una publicación de 1924 y constituyó el fundamento de su famoso libro El origen de la vida, en el que sentó las bases del origen abiótico de los primeros seres vivos por un mecanismo de evolución química. En definitiva, esta tesis significó una vuelta a la teoría de la generación espontánea, aunque referida exclusivamente a las primeras formas de vida y no a los seres vivos actuales. Oparin formuló su hipótesis basándose en la posibilidad de que se hubieran producido reacciones químicas espontáneas entre los componentes de la atmósfera primitiva, a partir de las cuales pudieron formarse las sustancias orgánicas. La energía necesaria para desencadenar estas reacciones procedería de varias fuentes: Las descargas eléctricas producidas en las numerosas tormentas que debieron tener lugar al existir mucho más vapor de agua que en la actualidad. • Las radiaciones ultravioletas procedentes del Sol y que serían muy intensas al no existir una capa de ozono. • La energía geotérmica procedente de la actividad volcánica. Se cree que la atmósfera existente hace más de 4000 millones de años estaba formada por metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno. No contenía oxígeno y, por tanto, era reductora, condición imprescindible para que los compuestos orgánicos originados no se destruyeran rápidamente.
El oxígeno es, como sabes, un elemento electronegativo, por lo que tiende a reaccionar con los compuestos orgánicos descomponiéndolos en sustancias sencillas como dióxido de carbono y agua. Por eso, la ausencia de oxígeno permitiría que las moléculas orgánicas formadas permanecieran intactas durante mucho tiempo.
El vapor de agua atmosférico se condensó, en parte, al descender la temperatura,y se produjeron lluvias torrenciales que originaron los océanos primitivos. Estos contendrían un 10% de la cantidad de agua que tienen los océanos actuales, y serían más calientes y mucho menos profundos. Las reacciones químicas entre las moléculas atmosféricas condujeron a la formación de compuestos orgánicos simples, como el formaldehído, el ácido cianhídrico y el acetileno. A partir de estos compuestos orgánicos se pudieron formar sustancias típicamente biológicas, como los monosacáridos, los aminoácidos y las bases nitrogenadas. El formaldehido puede dar lugar a azúcares; del ácido cianhídrico pueden derivar aminoácidos y adenina, y a partir del acetileno pueden formarse bases pirimidínicas. Todas estas moléculas pasarían a los océanos, donde se irían acumulando progresivamente y formaron lo que Oparin denominó sopa o caldo primitivo, ya que constituirían mares cálidos con la materia orgánica sintetizada en concentraciones crecientes. Este sería el lugar de aparición de los primeros seres vivos. El siguiente paso debió de ser la unión de las moléculas orgánicas sencillas para formar cadenas largas del tipo de los polímeros actuales. Se obtendrían, en primer lugar, oligosacáridos, oligopéptidos y oligonucleótidos. Posteriormente, los polímeros se harían semejantes a las macromoléculas biológicas mayores: polisacáridos, proteínas y polinucleóridos. De esta forma se originarían los componentes básicos de los seres vivos, aunque se encontrarían dispersos en el medio acuático. Estos compuestos debieron aislarse del medio, creando compartimentos que constituirían un sistema físico-químico estable. Oparin denominó a estas estructuras coacervados , las cuales no estarían completamente aisladas, sino que permitirían la entrada y la salida de ciertas moléculas del medio. Los coacervados serían gotitas coloidales con un diámetro muy variable (desde 2 a 760 u) y sobre ellos habría una gran presión selectiva, de manera que los menos estables serían eliminados. Sin embargo, algunos pudieron mantenerse y dar lugar a reacciones químicas en su interior que estarían relacionadas con los aportes de nuevas moléculas del exterior. Los coacervados recuerdan mucho a un sistema metabólico simple. La última condición necesaria para que se originara un sistema biológico sería la aparición de la capacidad de autoperpetuarse. Para ello sería precisa la presencia de una molécula capaz de producir
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réplicas estables de si misma y controlar al resto. Este primer sistema físico-químico estable y autorreplicable, denominado progenota, sería el origen de todas las células. Algunos de los puntos de la teoría de Oparin han sido demostrados experimentalmente. Ya en el siglo XIX, un químico alemán, Wóhler, consiguió sintetizar un compuesto orgánico, urea, a partir de reactivos inorgánicos. El propio Oparin demostró la posibilidad de la formación de coacervados al obtener pequeñas gotitas coloidales mezclando proteínas y polisacáridos en un medio acuoso. Estas estructuras presentaban una permeabilidad selectiva frente a pequeñas moléculas presentes en el medio. También Sidney W. Fox obtuvo en 1956 microesferas de polipéptidos con un diámetro variable de 1 a 80 micras, que acumulaban las sustancias que entraban en ellas procedentes del exterior. Sin embargo, el experimento que con más claridad apoyó la teoría de Oparin fue el realizado en 1953 por el científico norteamericano Stanley Miller (figura 15.4.). Este introdujo en un recipiente una mezcla de los gases que supuestamente se encontraban en la atmósfera primitiva: vapor de agua, metano, hidrógeno y amoníaco. Conectó unos electrodos al recipiente y produjo descargas eléctricas de 60000 voltios sobre la mezcla de gases. Conectado a ese recipiente había un matraz que contenía agua en ebullición. El vapor de agua arrastraba los productos obtenidos en el recipiente de los gases y, después de dejarlos enfriar y analizarlos, Miller pudo constatar la presencia de varios aminoácidos y cierto número de compuestos orgánicos. Experimentos similares con diferentes gases y fuentes energéticas permitieron sintetizar otras moléculas orgánicas, como bases nitrogenadas y ATP. Hay que tener en cuenta que estos experimentos no han demostrado que los compuestos orgánicos se formaran de esta manera en la Tierra primitiva; sólo reflejan el modo en que pudieron haberse originado. Los experimentos realizados con posterioridad, sin embargo, confirman esta posibilidad y muchos bioquímicos consideran que dadas las condiciones existentes en la Tierra, en aquellos momentos, era inevitable que se produjeran reacciones químicas que dieran lugar a diversos compuestos orgánicos (aminoácidos y nucleótidos). Hipótesis actual sobre el origen de la vida Gracias a los nuevos conocimientos alcanzados en Termodinámica y en diversas ramas de la Biología, ha sido posible completar y perfeccionar la teoría de Oparin. Aunque existen diversas opiniones sobre el origen de la vida en la Tierra, la mayoría de los investigadores coinciden en aceptar, actualmente, que la vida, tal y como la conocemos hoy, se originó a lo largo de una serie de fases que pueden agruparse en dos etapas: prebiótica y biótica. Etapa prebiótica En esta etapa se formarían los componentes fundamentales de los seres vivos, ya que se disponía tanto del tiempo suficiente como de las condiciones adecuadas (medios reductores y fuentes energéticas) para una síntesis química. Se habrían formado así moléculas orgánicas sencillas que, posteriormente, se polimerizarían en macromoléculas, como ya expuso Oparin. Actualmente, se admite que debieron ser necesarios unos procesos que permitieran la polimerización. Quizá se tratase de cambios de temperatura que provocaran la evaporación o la congelación de1 agua. Esto conduciría a la eliminación de agua líquida del lugar de reacción, lo cual favorecería los procesos de condensación, en los cuales se pierde esta molécula. Además, dado que aún no existían los enzimas necesarios, serían precisos otros catalizadores, como iones metálicos o ciertos minerales. Todo esto y la idea de que, quizá, los lugares en que se originaron los primeros polímeros biológicos fueron zonas arcillosas que facilitarían la concentración de moléculas orgánicas por adsorción , y que actuarían como centros catalíticos de reacción al poseer iones y otros componentes. Entre las macromoléculas originadas se encontrarían polinucleótidos de ARN, los cuales, de un modo aún desconocido, adquirirían la capacidad de replicarse; es decir, hacer copias de sí mismos. Posteriormente se desarrollarían unos mecanismos por los que las moléculas de ARN dirigirían la síntesis de proteínas, convirtiéndose, por tanto, en las moléculas codificadoras de la información. En una etapa posterior aparecería el ADN, más estable, sustituyendo al ARN como molécula codificadora. Para que estos sistemas autorreproducibles se pudieran mantener debieron individualizarse del medio a partir del cual se formaron. En primer lugar, aparecerían estructuras coloidales (los coacervados de Oparin) y, posteriormente, membranas lipídicas semipermeables que permitirían la constitución de un
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organismo autorreplicable e individualizado, pero que mantendría intercambios con el medio exterior. Un organismo con estas características es lo que denominamos ser vivo. Etapa biótica Las primeras células probablemente fueron heterótrofas y obtenían la energía por fermentación de moléculas orgánicas que flotaban en la superficie de los océanos primitivos, verdaderos caldos nutritivos capaces de alimentar a microorganismos dotados de un metabolismo rudimentario. Se cree que los componentes moleculares de la sopa primitiva no solo aportaron los elementos a partir de los cuales se formaron las células sino también la energía necesaria para su perpetuación y mantenimiento. Este jugoso alimento empezó a escasear conforme crecía la población de células heterótrofas y llegó a convertirse en un recurso escaso y preciso. Todos estos primitivos seres vivos hubieran desaparecido muertos por el hambre una vez agotadas las reservas alimenticias, o devorados unos por otros, de no ser porque algunas estirpes descubrieron otro sistema de obtener materia y energía- La fotosíntesis- . Este proceso utiliza la energía de la luz solar, obtenida gracias a la clorofila para convertir el dióxido de carbono en hidratos de carbono, mediante una reacción que elimina oxígeno como producto residual. La fotosíntesis fue la única oportunidad para sobrevivir ya que liberó a las primitivas células de su enorme dependencia alimentaria, sin embargo el oxígeno liberado se convirtió poco a poco en un veneno mortal para las células heterótrofas cuyos mecanismos de fermentación anaerobia eran destruidas en presencia de este gas que presenta un elevado poder oxidante. La utilización de la luz solar por parte de los organismos fotosintéticos proporcionó una fuente ilimitada de energía y modificó drásticamente la composición de la atmósfera a causa de la aparición de una gran cantidad de oxígeno, a partir del cual se originó el ozono O3 , debido a la acción de la radiación ultravioleta y las descargas eléctricas sobre las moléculas de O2 . La disminución de la intensidad de la radiación ultravioleta permitió a las primitivas formas vivas colonizar áreas más superficiales pues ya no estaban obligadas a vivir protegidas por capas de agua, debajo de rocas o de otros objetos que servían de pantalla frente a la radiación letal. Esta explosión demográfica supuso la aparición de una enorme variación de formas de vida, aparecieron formas capaces de utilizar el oxígeno para obtener energía de los nutrientes orgánicos de forma más eficaz. A partir de los primitivos heterótrofos anaerobios se desarrollaron otros nuevos heterótrofos aerobios que ya no empleaban la fermentación en su metabolismo y usaban el oxígeno para extraer más energía de la misma cantidad de alimento mediante un proceso químico llamado respiración celular que desprende CO2 como gas residual. A lo largo de cientos de millones de años heterótrofos y fotosintéticos han evolucionado conjuntamente y han sabido reciclar con beneficio mutuo, los productos de desecho de su metabolismo; los animales y demás heterótrofos utilizan residuos fotosintéticos y las plantas y otros fotosintéticos consumen el dióxido de carbono que aportan a los heterótrofos. La vida constituye, pues, un fenómeno tal vez inevitable en las condiciones iniciales y que resulta irrepetible, ya que, cuando hizo su aparición en la tierra, modificó la atmósfera del planeta y destruyó así las condiciones que habían hecho posible su propia aparición.