sábado, 10 de septiembre de 2011

La atmósfera primitiva: El primer Protobionte

Cuando hablamos de tierra primitiva debemos tener en cuenta las condiciones existentes que hubo Aquellas épocas, no son las mismas que las actuales. Pero ante todas las condiciones en que se encontraba la tierra primitiva durante sus inicios, es un poco incierto ya que no ha quedado señales en su registro geológico. Tampoco se tiene una evidencia directa de la composición de la atmosfera primitiva. 

Esta teoría está relacionada con el origen químico de la vida (biogénesis) propuesta por bioquímico ruso  Oparin, que la tierra estuvo condicionada a la existencia de las primeras formas de vida. Pero ¿Cómo se pudo crear vida a partir de materia no viva? ¿Qué factores influyeron el  surgimiento de las primeras formas de vida?

Las condiciones primitivas de la Tierra

Las condiciones iniciales en la Tierra habrían sido inhóspitas para casi todos los seres vivos de la actualidad. La atmósfera altamente reductora carecía de oxígeno. La erupción de volcanes y el consecuente desprendimiento de gases contribuyeron a la formación de la atmósfera. Violentas tormentas eléctricas produjeron lluvias torrenciales que erosionaron la superficie de la Tierra.

La formación de la Tierra y de todo el sistema solar está relacionada con la formación del Universo. Se cree que la distribución no siempre ha sido la que se conoce actualmente. Hace 10.000 o 20.000 millones de años, el Universo era una masa densa y compacta que explotó (el Big Bang), dispersando en el espacio polvos, residuos y gases. A partir de entonces, aún se expande de modo que se encuentra en expansión constante.

Al enfriarse tales materiales, se formaron átomos de diferentes elementos, ante todo helio e hidrógeno. La disminución de la temperatura y la compresión de la materia dieron lugar a la formación de estrellas y planetas.

El sol de nuestro sistema es una estrella de segunda o tercera generación, formada hace cinco mil o 10 mil millones de años. Las fuerzas gravitacionales que actuaban sobre la materia solar provocaron la compresión de ésta, la cual dio lugar a gran cantidad de calor. Este indujo la formación de elementos distintos al helio y al hidrógeno. Parte de este material fue expulsado del sol y, uniéndose a restos, polvos y gases que lo rodeaban, formó los planetas.

De acuerdo a los astrofísicos y geólogos, la Tierra tiene una edad de 4600 millones de años de antigüedad. La materia que la conforma se compactó como resultado de la acción de fuerzas gravitatorias; los elementos más pesados, como níquel y hierro, formaron el núcleo central; los elementos de peso medio formaron el manto, y los ligeros quedaron cerca de la superficie.

 La primera atmósfera, compuesta en gran parte por los elementos más ligeros, helio e hidrógeno, se perdió debido a que las fuerzas gravitacionales de la Tierra no fueron capaces de retenerla.

Se piensa que al inicio, la temperatura de la Tierra era baja, pero al continuar la compactación gravitacional se produjo calor. Este aumentó en respuesta a la energía de la desintegración radiactiva. El calor se liberó en manantiales térmicos o volcanes, que a su vez produjeron gases, los cuales formaron la segunda atmósfera en el inicio de la Tierra. 

La atmósfera era reducida, con poco oxigeno libre o sin él. Los gases producidos incluían dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), vapor de agua (H20), hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Probablemente esta atmósfera contenía también un poco de amoniaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y metano (CH4), aunque estas moléculas reducidas bien pudieron haberse degradado por la radiación ultravioleta del sol. Es probable que la atmósfera primitiva contuviera poco o nada de oxígeno libre (O2).

Con el enfriamiento gradual de la Tierra, el vapor de agua se condensó, produciendo lluvias torrenciales que formaron océanos. Además, estas lluvias erosionaron la superficie de la Tierra, agregando minerales a los océanos, haciéndolos "salados".

Hay cuatro requisitos de la evolución química. Primero, la vida sólo podía evolucionar en ausencia de oxígeno libre. Como tal elemento es muy reactivo, su presencia en la atmósfera habría producido la degradación de las moléculas orgánicas necesarias en el origen de la vida. Sin embargo, la atmósfera de la Tierra tenía gran capacidad de reducción, por lo que el oxígeno libre habría formado óxidos con otros elementos. 

Un segundo requerimiento para el origen de la vida debió ser la energía. La Tierra era un lugar con gran cantidad de energía, tormentas violentas, volcanes e intensa radiación, incluso la radiación ultravioleta del sol (figuras 2a y 2b). Probablemente "aquel" sol producía más radiación ultravioleta que el actual, y la Tierra no poseía una capa protectora de ozono para bloquear esta radiación.

Tercero, los elementos químicos que constituyen las piezas necesarias para la evolución química debían estar presentes. Estos elementos incluyen agua, minerales inorgánicos disueltos (presentes en forma de iones) y gases presentes en la atmósfera; como último requisito, tiempo. 

Tiempo para que las moléculas pudieran acumularse y reaccionar entre sí. La edad de la Tierra proporciona el tiempo necesario para la evolución química. La Tierra tiene unos 4600 millones de años, y se cuenta con pruebas geológicas que hacen pensar en la aparición de formas simples de vida, hace 3500 millones de años.


Las moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas

Es necesario considerar el origen de las moléculas orgánicas debido a que constituyen la materia prima de la formación de los seres vivos. El concepto de formación espontánea de moléculas orgánicas simples, como azúcares, nucleótidos y aminoácidos, a partir de materia no viva, se propuso en 1920 por dos científicos que trabajaron de modo independiente: Oparin, un bioquímico ruso, y Haldane, un genetista escocés. 

Su hipótesis fue puesta a prueba en 1950 por Urey y Miller, quienes diseñaron un aparato que simulaba las condiciones que se cree prevalecían en el inicio de la Tierra (figuras 3 y 4). La atmósfera con que iniciaron sus experimentos era rica en H2, CH4, H20 y NH3. Los científicos expusieron esta atmósfera a una descarga eléctrica que simulaba la luz y la actividad eléctrica de la atmósfera. 

El análisis de los elementos químicos producidos en una semana reveló la síntesis de aminoácidos y otras moléculas orgánicas. En la actualidad, se piensa que la atmósfera, en su fase inicial, no contenía gran cantidad de metano (CH4) ni amoniaco (NH3). Sin embargo, otros experimentos similares, en los que se utilizó diferentes combinaciones de gases, produjeron una variedad de moléculas orgánicas, incluso bases de nucleótidos de ARN y ADN.


Oparin supuso que las moléculas orgánicas se acumularon durante algún tiempo, en mares poco profundos, en forma de un "mar de sopa orgánica”. Este investigador consideró que en tales circunstancias, las moléculas orgánicas más grandes (polímeros) se formarían por la unión de moléculas más pequeñas (monómeros). 

Con base en los datos acumulados desde entonces, casi todos los científicos consideran que la polimerización necesaria para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas orgánicas no pudo haber ocurrido en esas circunstancias. 

Muchas reacciones de polimerización involucran una síntesis por deshidratación, en la que dos moléculas se unen por la eliminación de agua y es poco probable que una reacción en la que se produce agua ocurra en el agua, en ausencia de las enzimas necesarias. 

Además, tampoco es posible que los monómeros orgánicos en el océano hayan alcanzado niveles, o cantidades lo suficientemente elevados como para estimular su polimerización.

Es más probable que los polímeros orgánicos se hayan sintetizado y acumulado en rocas o en superficies de arcilla. La arcilla es un sitio favorable para la polimerización porque contiene iones de hierro y zinc, que pueden actuar como catalizadores. Además, la arcilla enlaza las formas exactas de azúcares y aminoácidos encontrados en los organismos vivos. También pueden presentarse otros aminoácidos y azúcares, pero éstos no se unen a la arcilla.

Los primeros Protobiontes

A partir de los componentes de esta atmósfera se crearon las primeras moléculas orgánicas: los aminoácidos (elementos constituyentes de las proteínas), la purina, la pirimidina, el azúcar (elementos constituyentes de los ácidos nucleicos) y los lípidos (elementos constituyentes de las membranas celulares). 

Micrografía de células fósiles de tipo bacteriano, descubiertas en un depósito de 
cuarzo negro en Australia. Su data es de 3500 m. de años.
Para que la primera fase de la aparición de la vida pudiera ocurrir, se requiere: una o varias fuentes de energía, una concentración local de macromoléculas orgánicas y efectos catalíticos para acelerar y dirigir el proceso.

Antes de que surgiera la primera célula, debieron de producirse cuatro etapas:
·         Formación de moléculas de ARN capaces de dirigir su propia síntesis, es decir, autocopiativas.
·         Desarrollo de mecanismos por los que el ARN pudiera dirigir la síntesis de proteínas.
·         Formación de una membrana lipídica y su ensamblaje para poder rodear a la mezcla autorreplicante de ARN y proteínas.
·         En una fase posterior del proceso evolutivo el ADN pasó a ocupar el puesto del ARN como material genético.

Los compuestos orgánicos abiógenos (formados sin vida como condición previa) se unieron para dar lugar a las primeras unidades vivas: los protobiontes.

Los protobiontes se desintegraban muy rápidamente a causa de influencias mecánicas. Es probable que los primeros protobiontes solo crecieran, ya que las sustancias determinadas en su interior eran sintetizadas cada vez en cantidades mayores. Una vez llenas de dichas materias explotaban.

Por evolución de protobiontes surgen los Eubiontes = verdaderas células (por tanto, con vida) capaces de crecer al tomar sustancias del medio y de fragmentarse al alcanzar un tamaño determinado.

Los protobiontes siguieron creándose pero no podían reproducirse de modo regularizado. Los primeros eobiontes con metabolismo y mecanismos de crecimiento y automultiplicación funcionales, se alimentaba de los protobiontes. Allí donde los protobiontes y moléculas orgánicas libres empezaban a escasear, aparecía la competencia por dichos recursos entre los eobiontes. 

Los eobiontes evolucionaron, dividiéndose en dos vías de alimentación. Una de ella desarrollo un sistema efectivo de ingestión de partículas orgánicas por fagocitosis. De este grupo resultaron posteriormente los organismos multicelulares.

El estudio de los protobiontes es útil para reconocer que las “pre-células” pueden presentar algunas propiedades de los seres vivos, Sin embargo, fue necesario un salto mayor para pasar de los agregados moleculares, como los protobiontes, a las células vivas. Los datos obtenidos de los registros fosiliferos muestran que las primeras células prosperaron hace 3500 millones de años. Sin duda alguna, las primeras células que evolucionaron fueron las procarióticas.

Podría decirse que el origen de las células a partir de macromoléculas fue un gran avance en el origen de la vida. Quizá no haya sido un gran avance, sino una serie de pequeños avances. Dos etapas cruciales de dicho proceso fueron el origen de la reproducción molecular y del metabolismo.

CONCLUSIONES

·        Resulta muy interesante de como  la tierra primitiva ha ido cambiando por millones de años, hasta encontrarnos con la actual y como se crearon las primeras formas de vida.

·    El experimento probado por Miller con la teoría del origen químico de la vida (biogénesis) tuvo resultados estupendos ya que pudo sintetizar algunos ácidos nucleicos en solo unos días y además así probar la teoría de Oparin.

·         Para que la primera fase de la aparición de la vida pudiera ocurrir, se requirió de varias fuentes de energía, una concentración local de macromoléculas orgánicas y efectos catalíticos para acelerar y dirigir el proceso.

·     El estudio de los protobiontes es útil para reconocer que las “pre-células” pueden presentar algunas propiedades de los seres vivos. Sin embargo, fue necesario un salto mayor para pasar de los agregados moleculares, como los protobiontes, a las células vivas.

·       Podría decirse que el origen de las células a partir de macromoléculas fue un gran avance en el origen de la vida. Quizá no haya sido un gran avance, sino una serie de pequeños avances. Dos etapas cruciales de dicho proceso fueron el origen de la reproducción molecular y del metabolismo.

REFERENCIAS LINKOGRÁFICAS

·         “Introducción al origen de la vida”.

·         “Origen y Evolución de los Seres Vivos”.


·         “la tierra primitiva”

·         “El origen del universo y de la vida”.




Elaborado por:
- Fernández La Torre, Camila & Miñano Mendoza, Edward.
Estudiantes de Medicina Humana de la Universidad de San Martín de Porres
Chiclayo - Perú