Guía de lectura, tomada de Audesirk, 2008. Cap 17. Historia de la Vida.
Continuemos explorando las evidencias científicas disponibles acerca de las primeras formas de vida sobre la Tierra.
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Cuando se formó la Tierra, hace unos 4500 millones de años, estaba sumamente caliente (FIGURA 17-3). Una multitud de meteoritos chocaron contra nuestro planeta en formación y la energía cinética de esas rocas extraterrestres se convirtió en calor por el impacto; se liberó aún más calor por el decaimiento de los átomos radiactivos. La roca que formaba la Tierra se fundió y los elementos más pesados, como el hierro y el níquel, se hundieron hacia el centro del planeta, donde permanecen fundidos en la actualidad. Debió haber tomado cientos de millones de años para que la Tierra se enfriara lo suficiente como para permitir la existencia de agua en su estado líquido. No obstante, parece que la vida surgió justamente poco tiempo después de que había disponible agua en estado líquido. Los organismos fósiles más antiguos que se han encontrado hasta ahora están incrustados en rocas que tienen aproximadamente 3500 millones de años de antigüedad. (Ésta se determinó empleando la técnica de fechado radiométrico; véase “Investigación científica: ¿Cómo sabemos qué tan antiguo es un fósil?”). Los rastros químicos de las rocas más antiguas sugieren a algunos paleontólogos que la vida es aún más arcaica: quizá tan antigua como unos 3900 millones de años. El periodo en que comenzó la vida se conoce como la era precámbrica, cuyo nombre fue dado por geólogos y paleontólogos, quienes desarrollaron un sistema para asignar nombres por jerarquía a eras, periodos y épocas, para delinear la inmensa magnitud del tiempo geológico (tabla 17-1).
Los primeros organismos fueron procariotas anaerobios
Los primeros organismos fueron procariotas anaerobios Las primeras células que surgieron en los océanos de la Tierra fueron los procariotas, cuyo material genético no estaba contenido dentro de un núcleo separado del resto de la célula. Estas células probablemente obtenían nutrimentos y energía al absorber moléculas orgánicas de su ambiente. Como no había gas oxígeno en la atmósfera, las células debieron metabolizar las moléculas orgánicas de forma anaeróbica. Recuerda del capítulo 8 que el metabolismo anaeróbico produce sólo pequeñas cantidades de energía. Así, las primeras células eran bacterias anaeróbicas primitivas. A medida que se fueron multiplicando esas bacterias, con el tiempo debieron acabar con las moléculas orgánicas producidas por reacciones químicas prebióticas. Las moléculas más sencillas, como las del dióxido de carbono, y agua, que debieron de abundar mucho, como también la energía en forma de luz solar. Entonces, lo que hacía falta no eran los materiales ni la energía misma, sino las moléculas energéticas, es decir, las moléculas donde la energía se almacenara en enlaces químicos.
Algunos organismos adquirieron la capacidad de captar la energía solar
Con paso del tiempo, algunas células adquirieron la capacidad para emplear la energía de la luz solar, para impulsar la síntesis de moléculas complejas de alta energía a partir de moléculas más sencillas; en otras palabras, surgió la fotosíntesis, la cual requiere de una fuente de hidrógeno; las bacterias fotosintéticas más primitivas probablemente utilizaron sulfuro de hidrógeno disuelto en agua para ese propósito (como lo hacen actualmente las bacterias fotosintéticas púrpuras). A final de cuentas, sin embargo, tuvo que disminuir el abastecimiento terrestre de sulfuro de hidrógeno (que se produce principalmente por los volcanes). La escasez de sulfuro de hidrógeno preparó el escenario para la evolución de las bacterias fotosintéticas que fueron capaces de usar la fuente de hidrógeno más abundante del planeta: el agua (H2O).
La fotosíntesis aumentó la cantidad de oxígeno en la atmósfera
La fotosíntesis basada en el agua convierte a ésta y al dióxido de carbono en moléculas energéticas de azúcar, liberando así el oxígeno como subproducto. La aparición de este nuevo método para captar energía introdujo, por primera vez, cantidades importantes de oxígeno libre en la atmósfera. Al principio el nuevo oxígeno liberado se consumió rápidamente por las reacciones con otras moléculas en la atmósfera y la corteza terrestre (o capa superficial). Un átomo reactivo especialmente común en la corteza era el hierro y mucho del nuevo oxígeno se combinó con los átomos de hierro para formar enormes depósitos de óxido de hierro (conocido también como herrumbre). Después de que todo el hierro accesible se convirtió en herrumbre, empezó a incrementarse la concentración de gas oxígeno en la atmósfera. El análisis químico de las rocas sugiere que cantidades significativas de oxígeno aparecieron primero en la atmósfera, hace aproximadamente 2200 millones de años, producidas por las bacterias que probablemente eran muy similares a las cianobacterias modernas. (Indudablemente en la actualidad respiras algunas moléculas de oxígeno que fueron expelidas hace unos 2000 millones de años por alguna de esas cianobacterias primitivas). Los niveles de oxígeno atmosférico se incrementaron paulatinamente hasta que alcanzaron un nivel estable hace cerca de 1500 millones de años. Desde ese tiempo, la proporción de oxígeno en la atmósfera ha sido casi constante, ya que la cantidad de oxígeno liberado por la fotosíntesis en todo el mundo se compensa exactamente con la cantidad que se consume en la respiración aeróbica
El metabolismo aeróbico surgió como respuesta a la crisis del oxígeno
El oxígeno es potencialmente muy peligroso para los seres vivos, ya que reacciona con las moléculas orgánicas y las destruye. Muchas de las bacterias anaeróbicas actuales mueren cuando se exponen al oxígeno, el cual resulta un veneno mortal para ellas. La acumulación de oxígeno en la atmósfera de la Tierra primitiva probablemente exterminó a muchos organismos y fomentó la evolución de los mecanismos celulares para contrarrestar la toxicidad del oxígeno. Esta crisis de la evolución de la vida también creó la presión ambiental para el siguiente gran adelanto en la era de los microbios: la capacidad para utilizar el oxígeno en el metabolismo, la cual no solamente brinda una defensa contra la acción química del oxígeno, sino que realmente canaliza el poder destructor del oxígeno a través de la respiración aeróbica, para generar energía útil para la célula. Debido a que la cantidad de energía disponible para la célula se incrementa considerablemente cuando el oxígeno se usa para metabolizar las moléculas de los alimentos, las células aeróbicas tenían una importante ventaja selectiva.
Algunos organismos adquirieron organelos encerrados en membranas
Multitudes de bacterias ofrecerían una fuente rica de alimento para cualquier organismo que pudiera comérselas. No hay fósiles de las primeras células depredadoras que hayan recorrido los océanos; no obstante, los paleobiólogos especulan que si alguna vez apareció una adecuada población de presas (como estas bacterias), la depredación pudo haber evolucionado rápidamente. De acuerdo con la hipótesis de mayor aceptación, estos depredadores primitivos eran procariotas que evolucionaron hasta llegar a ser más grandes que las bacterias comunes. Además, habían perdido la rígida pared celular que rodea a la mayor parte de las células bacterianas, de modo que su membrana plasmática flexible estaba en contacto con el ambiente. Así, las células depredadoras eran capaces de envolver a las bacterias más pequeñas en una bolsa de membrana plegable y, de esa forma, se tragaban a toda la bacteria a modo de presa. Estas depredadoras primitivas tal vez no eran capaces de realizar la fotosíntesis ni el metabolismo aeróbico.Aunque podían captar partículas de alimento grandes, es decir, bacterias, las metabolizaban de manera poco eficiente. Aproximadamente hace 1700 millones de años, un depredador probablemente dio origen a la primera célula eucariótica.
Las membranas internas de las eucariotas pudieron haber surgido a través del plegado hacia dentro de la membrana plasmática
Como sabes, las células eucarióticas difieren de las células procarióticas en que tienen un sistema complicado de membranas internas, incluyendo el núcleo que contiene su material genético. Quizás estas membranas internas hayan surgido originalmente a través del plegado hacia dentro de la membrana celular de un depredador unicelular. Si como sucede con la mayoría de las bacterias actuales, el DNA de los ancestros de las eucariotas estaba adherido al interior de su membrana celular, un pliegue de la membrana cerca del sitio de adherencia del DNA se estranguló y se convirtió en el precursor del núcleo celular. Además del núcleo, otras estructuras eucarióticas fundamentales incluyen los organelos empleados para el metabolismo energético: las mitocondrias y (en plantas y algas) los cloroplastos. ¿Cómo evolucionaron estos organelos?
Las mitocondrias y los cloroplastos pudieron haber surgido a partir de las bacterias englobadas (fagocitadas)
La hipótesis endosimbiótica propone que las células eucarióticas primitivas adquirieron los precursores de las mitocondrias y los cloroplastos al fagocitar a ciertos tipos de bacterias.
Estas células y las bacterias atrapadas en ellas (endo significa “dentro”) entraron gradualmente en una relación simbiótica, es decir, una asociación estrecha entre diferente tipos de organismos durante un tiempo prolongado. ¿Cómo pudo suceder esto? Supongamos que una célula depredadora anaerobia atrapó a una bacteria aerobia para alimentarse, como lo hace a menudo; pero por alguna razón no la pudo digerir. La bacteria aerobia permaneció viva y en buen estado. De hecho, está mejor que nunca porque el citoplasma de su depredadorahuésped estaba atiborrado de moléculas de alimento a medio digerir: los residuos del metabolismo anaeróbico. La bacteria aerobia absorbió estas moléculas y usó el oxígeno para metabolizarlas, por lo tanto, obtuvo enormes cantidades de energía. Tan abundantes fueron los recursos alimentarios del microorganismo aerobio, y tan copiosa la producción de energía, que probablemente el aerobio tuvo fugas de energía, quizá como ATP o moléculas similares, hacia el citoplasma de su huésped. La célula depredadora anaerobia, junto con su bacteria simbiótica, puede metabolizar ahora el alimento en forma aeróbica, obteniendo así una gran ventaja sobre otras células anaerobias, y deja un gran número de descendientes. Con el paso del tiempo, las bacterias endosimbióticas pierden su capacidad para vivir de manera independiente de su huésped, y entonces nace la mitocondria (FIGURA 17-4, 1 y 2).
Una de estas nuevas asociaciones celulares exitosas debió haber logrado una segunda proeza: atrapar a una cianobacteria fotosintética pero, de manera similar, sin digerir a su presa. La cianobacteria floreció en su nuevo huésped y evolucionó gradualmente hacia el primer cloroplasto (FIGURA 17-4, 3 y 4). Quizás otros organelos eucarióticos se hayan originado también por endosimbiosis. Muchos biólogos creen que cilios, flagelos, centriolos y microtúbulos pudieron haber evolucionado por la simbiosis entre una bacteria del tipo espirilo (que se asemeja a un sacacorchos largo) y una célula eucariótica primitiva.
Es fuerte la evidencia de la hipótesis endosimbiótica
Varios tipos de evidencias apoyan la hipótesis endosimbiótica.Algunas muy precisas y específicas son las múltiples características bioquímicas distintivas que comparten los organelos eucarióticos y las bacterias vivas. Además, las mitocondrias, los cloroplastos y los centriolos contienen cada uno su propia dotación diminuta de DNA, que muchos investigadores consideran como un residuo del DNA que contenía originalmente la bacteria fagocitada.
Otro tipo de apoyo proviene de los intermediarios vivientes, es decir, de organismos que están vivos actualmente y que son parecidos a los ancestros hipotéticos, y que ayudan a demostrar que es factible una vía evolutiva propuesta. Por ejemplo, la amiba Pelomyxa palustris carece de mitocondrias, pero aloja a una población permanente de bacterias aerobias que desempeñan una función muy similar. De igual manera, una variedad de corales, algunas almejas, unos pocos caracoles y al menos una especie del Paramecium albergan una colección permanente de algas fotosintéticas en sus células (FIGURA 17-5). Estos ejemplos de células modernas que alojan a bacterias endosimbiotas sugieren que no tenemos razón alguna para dudar de que asociaciones simbióticas similares pudieron haber ocurrido hace casi 2000 millones de años y que originaron las primeras células eucarióticas
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