Biología 2. Un enfoque ecoevolutivo by AZ Editora

Biología 2

Biología 2 Un enfoque ecoevolutivo

Un enfoque ecoevolutivo

n la actualidad, el estudio de las ciencias de la naturaleza está articulado alrededor de alguna teoría científica que incluye los conocimientos específicos alcanzados hasta el presente. En este sentido, la geología, por ejemplo, lo hace en torno de la teoría de tectónica de placas; y la física y la química, por su parte, en relación con la teoría cuántica. En lo que respecta a la biología, la articulación se organiza sobre la base de la teoría de la evolución. Y si a ello se le suma el punto de vista ecológico, el resultado es el camino hacia una excelente percepción de la realidad de nuestra cultura actual. Con ese objetivo como meta, la presente obra –una continuación esencial de Ciencias Naturales/Biología 1. Un enfoque ambiental– ofrece los contenidos mediante un lenguaje científico y un enfoque ecoevolutivo, enfatizando los rasgos tecnológicos, sociales e históricos. Este modo de considerar a la biología constituye una herramienta imprescindible para comprender el mundo natural y nuestra propia naturaleza. Por medio de actividades de comprensión, de aplicación de conocimientos, de experimentos, se busca promover en los alumnos no solo la adquisición de conceptos sino una actitud reflexiva, crítica y participativa.

Biología 2 · Un enfoque ecoevolutivo

Alberto Onna Diana C. Rosenberg Paula Lipko

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Índice general Capítulo 1

El origen de la vida .............................................. 9

Astrobiología.......................................................... 28

La biología y los estudios sobre el origen de la vida .............................................................. 10

Actividad grupal final......................................... 30

Antecedentes históricos de explicaciones sobre la biogénesis . .............................................. 11 Los orígenes según el Popol Vuh ....................... 11 El surgimiento de la vida en la Tierra .................... 14 La dinámica geológica y la posibilidad del establecimiento de la vida ........................... 14 Actividad experimental Simulación del movimiento de placas tectónicas .......................................... 14 La edad de las rocas .......................................... 15 © A-Z editora. Fotocopiar libros es un delito.

Del mundo ARN a la primera célula . ................... 28

Eventos prebióticos y sus interpretaciones teóricas . ............................................................ 16 Fuentes extraterrestres de la vida ....................... 16

Capítulo 2

La evolución de la vida . ................................... 31 El problema del tiempo: ¿tienen historia la Tierra y los seres vivos que la pueblan? . .......... 32 La cronología de Ussher-Lightfoot ..................... 33 Los primeros intentos de teorías evolutivas ........... 34 Lamarck y el transformismo . ............................. 35 Aciertos y desaciertos de la teoría de Lamarck . ...................................................... 36 Charles Darwin y El origen de las especies ........... 37 Influencias sociales en la gestación de las teorías científicas . ................................... 37

¿Qué es la vida? .................................................... 17

El origen de las especies, el libro . ..................... 39

Características de la vida ................................... 18

¿Qué significa evolución hoy? .............................. 40

¿Cómo se diversificaron los seres vivos? ............ 19

Teoría sintética de la evolución o neodarwinista . .............................................. 40

Teorías sobre el origen de la vida ......................... 20 Generación espontánea ..................................... 20 En algún mar caliente ........................................ 20 Panspermia . ...................................................... 21 Caldo primigenio: la teoría de Oparin-Haldane ........................................... 21 ¿Vida en Marte? . ............................................... 21 Miller y la síntesis abiótica de aminoácidos ...... 22 Las primeras células .............................................. 23 Protobiontes: microsferas y coacervados ........... 23 Actividad experimental Formación y observación de microsferas . ......... 23 Actividad experimental Formación y observación de coacervados ......... 24 Nuevas hipótesis sobre el origen de la vida .......... 25 Procariotas y eucariotas . ................................... 26 Del mundo ARN al mundo ADN/Proteínas ........... 26 ARN, molécula autorreplicante ........................ 26

Extinciones masivas de especies ........................... 42 Dinosaurios y meteoritos ................................... 43 Los procesos evolutivos continúan operando: la selección natural ............................................... 44 Actividad experimental Simulación de selección natural ........................ 46 La clasificación de los seres vivos ......................... 48 ¿Qué es una especie? ....................................... 49 La clasificación de Dioscórides ......................... 49 El perro, ¿un viejo amigo del hombre? .............. 50 Las especies ¿existen o son convenciones del lenguaje humano? ....................................... 52 La biodiversidad sistematizada............................... 52 Clasificación en cinco reinos . ........................... 54 Clasificación en seis reinos . .............................. 54 Clasificación en tres dominios ........................... 55 ¿Qué son los virus? . .......................................... 55

Información (genotipo) y función (fenotipo) . ..... 27

El cladismo ........................................................... 56

Modelo teórico de la formación de protobiontes ................................................ 27

La historia de la biodiversidad en la Tierra ........... 58

La biodiversidad y la selección natural ................. 56

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Las eras geológicas ............................................ 59 La era Arcaica: la edad de los procariontes ....... 60

Otra manera de obtener energía de los alimentos ................................................ 90

La era Proterozoica: la edad de los eucariontes ........................................................ 62

Los microorganismos y la importancia de lavarse las manos.............................................. 91

Las eras Paleozoica y Mesozoica: la edad de los animales ..................................... 63

Pasteur, Lister y la asepsia.................................. 91 La insistencia de Semmelweis ........................... 92

La era Cenozoica: la edad de los mamíferos...... 66

Actividad grupal final......................................... 93

El origen de Homo sapiens: la historia natural de “los recién llegados”......................................... 67 Vivir en los árboles . .......................................... 67 Actividad grupal final......................................... 70

Capítulo 4

La reproducción ................................................. 95 La reproducción ................................................... 96

La célula............................................................... 71 La teoría celular..................................................... 72 Protistas bajo la lupa ......................................... 73 Organismos unicelulares y pluricelulares............... 74 Actividad experimental Observación de protistas ................................... 74 Células procariotas y eucariotas ............................ 76

Características generales de la reproducción . ....... 97 Reproducción celular: mitosis................................ 98 Reproducción de los seres vivos ......................... 100 Las abejas, insectos sociales ............................ 100 La neotenia . .................................................... 101 Reproducción asexual ......................................... 103 División binaria ............................................... 103

La célula procariota: la bacteria............................. 76

División múltiple ............................................. 103

La membrana celular de las bacterias termófilas ......................................................... 77

Gemación . ...................................................... 103 Gemulación . ................................................... 104

Galaxias de microbios en nuestros intestinos ........................................................... 78

Fragmentación . ............................................... 104

Actividad experimental Construcción de un modelo de flagelo bacteriano ......................................................... 78

Reproducción sexual . ......................................... 105

La célula eucariota: origen y teoría endosimbiótica ..................................................... 79 Líquenes, un caso de simbiosis . ........................ 79 Estructura de la célula eucariota . ...................... 80 Funciones en los organismos eucariotas ............ 84

¿Todo ser vivo proviene de un huevo?................... 97

Capítulo 3

La reproducción de las plantas ........................ 104 Meiosis................................................................. 106 Tipos de reproducción sexual ............................. 108 Reproducción biparental ................................. 109 Hermafroditismo . ............................................ 109 Células sexuales: masculinas y femeninas . ......... 110 La ontogénesis ................................................. 110

Actividad experimental Intercambio de sustancias . ................................ 86

Estrategias reproductivas en vertebrados ............. 111

Tamaños y formas celulares................................... 87

Peces catádromos y anádromos . ..................... 111

Funciones celulares . ............................................. 88

Reproducción en anfibios . .............................. 112

Autoconservación y automantenimiento . .......... 88

Reproducción en reptiles y aves ...................... 112

Transformadores de energía: mitocondrias y cloroplastos .................................................... 88

Cuidados paternos ........................................... 113

Reproducción en peces ................................... 111

Reproducción en mamíferos . .......................... 113

Índice general

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Diversidad en las estrategias reproductivas: ciclos de vida . .................................................... 114 Ciclos de vida en el reino Plantae........................ 114

Las leyes de Mendel, ¿dos o tres? .................... 143

Briofitas ........................................................... 115

El surgimiento de la genética en el siglo xx ......... 144

Pteridofitas . ..................................................... 116

El mito de Mendel, un “sabio maldito” . .......... 145

Gimnosperas ................................................... 117

Mapas cromosómicos ......................................... 147

Angiospermas .................................................. 118

Herencia ligada al sexo . ..................................... 147

El saco embrionario y la doble fecundación en angiospermas . ............................................ 119

Dominancia incompleta o codominancia ........... 149

Ciclos de vida en el reino Animalia .................... 119

Los grupos sanguíneos humanos: un caso de codominancia . ........................................... 149

Ranas . ............................................................. 121

La importancia de la meiosis en la evolución de organismos eucariotas .................................... 150

Actividad experimental Búsqueda de cromosomas ............................... 122

¿Existen las razas humanas? Una pregunta entre lo biológico y lo cultural ............................ 151

Mariposas ........................................................ 120

Actividad grupal final....................................... 123 © A-Z editora. Fotocopiar libros es un delito.

Segunda ley de Mendel o de segregación o distribución independiente de caracteres ..... 143

Deriva génica .................................................. 152 Reproducción humana y sexualidad ................... 153

Capítulo 5

Los mecanismos de la herencia...................... 125 Herencia mendeliana . ........................................ 126 De la herencia continua a la herencia discontinua ......................................................... 126 La genealogía de los Habsburgo, herencia política y biológica ........................... 127 Atavismo ......................................................... 128 Mendel y el jardín del monasterio ...................... 129 El diseño experimental de Mendel . ................. 131 Los experimentos de Mendel .............................. 132 El escrito de Mendel ........................................ 134

Cortejo en animales, entre la exhibición y el camuflaje . ................................................ 153 Aspectos biológicos de la reproducción humana . ............................................................. 154 De la menarca a la menopausia ...................... 157 Aspectos culturales de la reproducción humana . ............................................................. 158 Métodos anticonceptivos .................................... 159 Métodos mecánicos de bloqueo ...................... 159 Métodos químicos ........................................... 160 Métodos de emergencia .................................. 160 Métodos quirúrgicos ........................................ 160 Enfermedades de transmisión sexual (ETS) .......... 161

Cruza monohíbrida ......................................... 135

Sida ................................................................. 161

Introducción de cambios en el diseño experimental ....................................................... 136

VPH . ............................................................... 162 Sífilis . .............................................................. 162

¿Cómo interpretó Mendel los resultados de sus experimentos? . ..................................... 138

Gonorrea o blenorragia ................................... 163

Albinismo, presencia de alelos recesivos . ....... 138 La contrastación del modelo................................ 140

Métodos de fecundación artificial en los seres humanos .......................................... 164

Cruza dihíbrida ............................................... 141

Fecundación in vitro . ...................................... 164

Retrocruza ....................................................... 141

Inseminación artificial ..................................... 164

Las leyes de Mendel . .......................................... 143

Los niños de probeta ....................................... 164

Primera ley de Mendel o de segregación . ....... 143

La biotecnología y sus límites ecoevolutivos ....... 165

Triconomiasis .................................................. 163

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Viejas técnicas con ropaje nuevo . ...................... 165

Células madre ................................................. 170

Fermentación . ................................................. 165 Los antiguos egipcios y la cerveza . ................. 165

Una contribución biotecnológica al problema energético ....................................... 171

Hibridación ..................................................... 166

La ingeniería genética ......................................... 172

Clones y clonación ............................................. 167

“Bioterrorismo” . .............................................. 172

Clones naturales .............................................. 167

El “tambo farmacéutico” de Biosidus . ............. 173

Clones artificiales ............................................ 167

Aprender de un incidente olvidado, el episodio de Azul ......................................... 173

Actividad experimental Una manera de conseguir “plantas de probeta” . ...................................... 168

La soja transgénica .......................................... 174

Algunos aspectos bioéticos de la clonación ........ 168

El avance de la frontera agropecuaria y sus consecuencias ............................................ 175

Dolly, una oveja especial ................................ 169

Actividad grupal final....................................... 176

Los anticuerpos monoclonales y un premio Nobel argentino .................................................. 170

Índice general

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El origen de la vida biogénesis

• Mitos y teorías acerca de la • Los primeros seres vivos • La vida y la astrobiología

Fósil de trilobites característico de la era Paleozoica.

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• ¿Cómo habrá sido el origen de la vida y su evolución? –– Observen bien las imágenes humorísticas de esta página. Cada una ilustra tres situaciones imaginarias que dan comienzo a la vida. Escriban un pequeño artículo periodístico que acompañe cada ilustración y responda la pregunta que titula esta actividad.

¡Profesor! ¿No le puso demasiado fertilizante?

La biología y los estudios sobre el origen de la vida posible estudiar el problema del origen de la vida, es ¿Esdecir, cuándo, cómo y por qué comenzaron a existir los

primeros seres vivientes? A lo largo de la historia de la humanidad, hubo varios intentos de abordar la cuestión. Por supuesto que no siempre las respuestas fueron las mismas, ni las conclusiones a las que se arribó satisficieron a todos. Recién a partir del siglo xx, algunas ramas de la ciencia alcanzaron cierto desarrollo y permitieron entrever un tipo de explicaciones fundamentadas que consideraban el surgimiento de la vida en nuestro planeta como un problema abordable desde el punto de vista científico. De este modo, se fueron planteando diversas teorías científicas. Es importante distinguir con claridad dos problemas diferentes que, aunque fuertemente relacionados, exigen abordajes distintos. Uno de ellos se refiere a la evolución de las especies –con una gran cantidad de evidencias fácticas que permiten su estudio y que se presentarán en el siguiente capítulo– y el otro es el problema del origen de la vida –aún poco aclarado y con múltiples escenarios por investigar–. Todos esos posibles escenarios plantean un origen natural de la vida, y descartan supuestas causas sobrenaturales. Establecer una clara distinción entre procesos evolutivos y el origen de la vida permite entender que no son partes necesarias de un mismo proceso, ya que aquellos que originaron la vida en la Tierra pudieron ser bien diferentes de los que causan y controlan su evolución posterior. Es posible que la fuerte asociación entre ambos procesos provenga de las raíces culturales de la tradición occidental. En la interpretación bíblica de la creación del mundo, bajo el concepto de “creación especial”, se combinan los dos procesos mencionados. Esta interpretación postula que las especies vivientes fueron

Actividad disparadora

¡Vamos a colonizar estas tierras!

Capítulo 1. El origen de la vida

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creadas por el poder divino de una vez y así permanecen, sin modificaciones. Pero si se puede fundamentar científicamente que la evolución produce la diversidad de formas vivientes, entonces se podrá intentar resolver por separado el problema de cómo comenzó la vida. Resulta claro que es posible atribuir a Dios que, una vez creadas las especies, ordenó que “evolucionaran”. Si bien esta es una posibilidad, las teorías científicas tratan de evitar la inclusión de fuerzas sobrenaturales en sus interpretaciones, y solo intentan encontrar explicaciones naturales. De este modo, los científicos buscan respuestas que los lleven a proponer y explorar escenarios plausibles, que permitan explicar cómo la vida pudo aparecer en alguno de ellos de modo natural.

Antecedentes históricos de explicaciones sobre la biogénesis

Actividad

• Lean atentamente el frag-

Una de las primeras contribuciones (siglo vii a. C.) en torno al concepto de la biogénesis, es decir, el origen de la vida y los seres vivos, en Occidente, proviene del filósofo Tales de Mileto (capital de Jonia, Asia Menor). Tales sostuvo que el mundo estaba dotado de una fuerza creativa a la que llamó physis, y que el principio constitutivo de la materia era el agua. Esta sustancia se mueve fácilmente fluyendo y siempre está presente en los seres vivos y en los líquidos seminales que los generan. Los seres vivos estaban animados, poseían alma que los dotaba de movimiento (claramente evidenciado en los seres denominados “animales”). En este sentido, la vida era comprendida como movimiento. Pero tal concepción arrastraba algunas dificultades para alcanzar una definición de vida; así, por ejemplo, Tales creía que la piedra imán (magnetita) tenía alma (y, por eso, vida) porque atraía al hierro. Los

orígenes según el

“Entonces vinieron juntos Tepeu y Gucumatz; entonces conferenciaron sobre la vida y la claridad, cómo se hará para que aclare y amanezca, quién será el que produzca el alimento y el sustento. ”¡Hágase así! ¡Que se llene el vacío! ¡Que esta agua se retire y desocupe [el espacio], que surja la tierra y que se afirme! Así dijeron. ¡Que aclare, que amanezca en el cielo y en la tierra! No habrá gloria ni grandeza en nuestra creación y formación hasta que exista la criatura humana, el hombre formado. Así dijeron. […] ”Primero se formaron la tierra, las montañas y los valles; se dividieron las corrientes de agua, los arroyos se fueron corriendo libremente entre los cerros, las aguas quedaron separadas cuando aparecieron

mento del Popol Vuh, libro sagrado del pueblo mayaquiché. –– ¿Cuál es el origen de los seres vivos según la interpretación de este pueblo? –– ¿Qué tipo de causas se proponen en este caso?

Popol Vuh

las altas montañas. […] ”Así fue la creación de la tierra, cuando fue formada por el Corazón del Cielo, el Corazón de la Tierra, así son llamados los que primero la fecundan cuando el cielo estaba en suspenso y la tierra se hallaba sumergida dentro del agua. ”De esta manera se perfeccionó la obra, cuando ejecutaron después de pensar y meditar sobre feliz terminación. ”Luego hicieron a los animales pequeños del monte, los guardianes de todos los bosques, los genios de la montaña, los venados, los pájaros, leones, tigres, serpientes, culebras, cantiles [víboras], guardián de los bejucos.”

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Anaximandro (610-546 a. C.), un discípulo de Tales, no aceptaba que el agua fuera la única sustancia de la que derivan los seres vivos; sostenía que, además de agua, los seres vivos estaban constituidos por tierra. Como principio de todo, Anaximandro postulaba un infinito o indefinido que llamaba apeiron, del cual se generaron y se separaron lo caliente y lo frío. El apeiron es la naturaleza infinita de la que provienen los cielos y los mundos que en él existen. La cosmología de Anaximandro explica cómo se generó el mundo a partir del frío (condensado en materia fluida) y del calor (que, al rodear al anterior, lo modifica y transforma). A modo de resumen, les presentamos el esquema de la generación de los “elementos” y los seres vivos a partir del apeiron, según Anaximandro. Frío Apeiron

Tierra

Aire

Fuego

Lodo

Seres acuáticos

Seres terrestres

Calor

Otro discípulo de Tales, Anaxímenes (588-524 a. C.), propuso que el principio de todo era el aire, lo infinito, que genera mediante expansiones y condensaciones lo finito: agua, tierra, fuego y el resto de las cosas. Anaxímenes entendía al mundo como un ser vivo que respira (que tiene alma), que nace y muere. El hombre (microcosmos), al igual que el mundo (macrocosmos), tiene alma, constituida por aire; esta es la que le da unidad al ser vivo y al mundo, la que mantiene las partes integradas en un todo: cuando deja de hacerlo, el ser vivo muere y sus partes se desorganizan. Otro pensador que en la Antigüedad meditó acerca de la vida y su origen fue Empédocles (490-430 a. C.) de Akragas (hoy Agrigento, Sicilia). Su interés por la vida lo llevó a reflexionar sobre la esencia y la razón de la vida y la muerte. En sus escritos comenta que una visión lo llevó a concebir la doctrina de la intervención de los cuatro grandes dioses, que representaban las raíces o principios de todas las cosas. Estos eran el fuego (Zeus), el aire (Hera), el agua (Poseidón) y la tierra (Hades). Bajo el influjo de dos grandes fuerzas, el amor y el odio, los cuatro principios se encuentran en permanente movimiento y mezcla, y dan origen a todos los cuerpos naturales, entre ellos, los seres vivos. Según Empédocles, los seres vivos no se habrían originado repentinamente, tal como se presentan en la actualidad, sino que se fueron conformando como producto de un proceso de cambio: al principio aparecieron solo partes aisladas de los cuerpos de animales y de humanos; luego, esas partes comenzaron a unirse entre sí de modo azaro-

Agua

Anaximandro, en el detalle de Escuela de Atenas, de Rafael.

Capítulo 1. El origen de la vida

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so, configurando en muchos casos entidades sin capacidad para la vida, por lo que rápidamente perecían y se desorganizaban. Algunas de las combinaciones formadas resultaron armoniosas, funcionales, y lograron sobrevivir y reproducirse. La tentación de interpretar esta doctrina ingenua como la prefiguración de las teorías evolucionistas del siglo xix ha motivado algunas formulaciones anacrónicas, al considerar a Empédocles como el primer evolucionista, al menos en el Empédocles. plano filosófico. Sin embargo, las ideas que dominaron desde la Antigüedad concibieron a la vida tan eterna como el mundo, ambos sometidos a ciclos sin principio ni fin. De este modo, la vida se generaba espontáneamente a partir de la materia inerte en el caso de muchos tipos de seres vivos (por ejemplo, insectos, gusanos) o provenía de otros de formas similares (el cordero, de la oveja). Aunque la naturaleza y el origen de la vida han sido una preocupación de los filósofos naturales desde la Antigüedad, el concepto de vida como fenómeno natural que comprendía a todos los seres vivos (animales, vegetales, hongos y otros organismos) recién se comenzó a desarrollar en el siglo xix. En esa época, también comenzaron a desprenderse, a partir de la Historia Natural, las modernas ciencias naturales, entre ellas, la biología. Los científicos del siglo xix intentaron caracterizar la vida a partir de la identificación de las propiedades comunes que presentaban los seres vivos y que los distinguían de los objetos inanimados. Percibían que tales diferencias tenían que ver con la organización que presentaban los organismos vivientes. Sin embargo, aún persistieron viejas polémicas respecto de si se debía interpretar la vida desde una posición vitalista o una mecanicista. También se polemizaba acerca de si la vida residía en algún sitio particular del ser vivo o era una propiedad difusa de este.

Vitalismo Es la doctrina que afirma que los fenómenos vitales no se explican por las leyes generales de la física y la química. Sin un principio vital que actúe sobre el cuerpo de los seres vivos, estos carecerán de vida.

Mecanicismo biológico Es la doctrina que sostiene que los fenómenos vitales se pueden explicar por las leyes de la física y la química. La organización y la función de las partes de los seres vivos se asemejan al ensamblaje de las partes mecánicas de una máquina y a su puesta en funcionamiento.

Actividad

• Completen en la carpeta el siguiente cuadro comparativo. Filósofos

Tales

Anaximandro

Anaxímenes

Empédocles

Origen de la vida Características de la vida

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El surgimiento de la vida en la Tierra

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6 1. Manto. 2. Placas submarinas. 3. Placas continentales. 4. Zona de subducción. 5. Zona de acreción. 6. Corrientes de convección.

Nuestro mundo es un planeta geológicamente activo. Lo demuestran la actividad volcánica y los terremotos, que pueden provocar terribles destrucciones e inundaciones con pérdidas materiales enormes y también de vidas humanas, como el ocurrido en Japón, en marzo de 2011. La explicación de estos fenómenos que actualmente admite la mayoría de los 3 geólogos recibe el nombre de teoría de tectónica de placas. Esta teoría parte de reconocer que en la Tierra 4 existe un núcleo metálico (principalmente de hierro y níquel), con una parte central sólida y otra, más externa, algo fluida. Rodeando el núcleo terrestre, se encuentra el manto, de naturaleza rocosa y altamente viscosa, que forma lentas corrientes convectivas en permanente movimiento. Estas corrientes hacen circular material caliente y fundido desde las profundidades hacia la superficie, donde se ubica la delgada corteza terrestre de naturaleza sólida. Esta se halla dividida en

Actividad experimental

Simulación del movimiento de placas tectónicas A través del siguiente ejercicio, podrán ver e imaginar cómo son y cómo se producen los movimientos de la Tierra causados por las corrientes del manto, simulados mediante corrientes de agua fría y caliente.

La dinámica geológica y la posibilidad del establecimiento de la vida

Materiales

• Dos pequeñas placas de telgopor • Un recipiente de vidrio térmico • Un trípode con tela metálica • Un cristalito de permanganato de potasio

• Una vela de cera o parafina • Un mechero de alcohol o Bunsen • Agua

Procedimiento

• Dibujen el contorno de Sudamérica y África en cada uno de los trozos de telgopor y recórtenlos. • Junten los recortes haciendo coincidir la “costa este de Sudamérica” con la “costa oeste de África”. • Derramen cera derretida de la vela sobre los bordes de los trozos de telgopor, de modo que queden unidos al solidificarse la cera.

• Enciendan el mechero; luego coloquen agua en el recipiente de vidrio térmico y pónganlo sobre el trípode para comenzar a calentarlo.

• Coloquen los “continentes unidos” en la superficie del agua y arrojen el cristal de permanganato de potasio al agua.

• Observen la formación de corrientes convectivas a medida que el agua se va calentando, y los efectos sobre los trozos de telgopor.

• Registren lo ocurrido en un breve informe. Interpreten la analogía entre el modelo que se empleó y el proceso geológico que se pretendía modelar.

Capítulo 1. El origen de la vida

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varias placas tectónicas que se mueven lentamente a razón de varios centímetros por año. Estas placas, movilizadas por las corrientes convectivas del manto, pueden chocar o separarse unas de otras. Al chocar, una de ellas se encima sobre la otra, la cual se sumerge y se funde en el manto (zona de subducción). En otras zonas, las placas se separan al moverse horizontalmente debido a que, de las profundidades del manto, emerge nuevo material fundido que da lugar a nueva corteza oceánica (dorsales submarinas). Las tensiones creadas por el choque y las fricciones entre placas se acumulan hasta que en determinados momentos se produce una inmediata liberación de energía mecánica al reacomodarse las placas. Esto produce la formación de cordilleras, los terremotos y el vulcanismo, con emisión de gases a la atmósfera, entre ellos el dióxido de carbono (CO2). Sin ese aporte continuo, producto de los procesos tectónicos, no existiría CO2 atmosférico, ya que este es usado en parte para transformarse en rocas carbonatadas o en materia orgánica de los seres vivientes. Posteriormente, al morir los organismos, se va acumulando materia orgánica en los sedimentos, y así se forman los denominados combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo). Sabemos que la vida en nuestro planeta está basada en compuestos de carbono. De no existir el permanente reciclaje de materiales carbonáceos, la vida se hubiera extinguido hace tiempo. La

edad de las rocas

En 1904, el físico Rutherford planteó que el origen del calor interno de la Tierra se debía a la desintegración de los elementos radiactivos que poseía desde su constitución. Esto hizo presumir que la edad de nuestro planeta era bastante mayor que las cifras aceptadas desde el siglo xix, cuando otro físico, lord Kelvin, la había establecido en unos 20 millones de años. El descubrimiento de la desintegración de los elementos radiactivos no solo permitió resolver el origen del calor interno, sino que también posibilitó desarrollar un método de datación absoluta de las edades de las rocas. Este fue el método radiométrico, que se basa en el fenómeno natural por el cual átomos de ciertos elementos químicos inestables se desintegran con el tiempo hasta convertirse en átomos de otros elementos químicos estables. La velocidad con la que ocurre este proceso varía según el material radiactivo del que se trate. Se puede disponer de un método para determinar la antigüedad de una roca conociendo el tiempo que tarda la masa del elemento radiactivo en desintegrarse hasta la mitad –lo que se denomina vida media del elemento radiactivo o período de desintegración–. Se mide cuánto hay del elemento radiactivo y cuánto del elemento estable en que se ha transformado, para calcular la proporción en la que se encuentran. De esa relación, se deduce la edad de la roca analizada. Por ejemplo, el uranio (138U) tiene una vida media de 4.510 millones de años, o sea que ese es el tiempo que tarda en transformarse en plomo (206Pb) la mitad de la masa inicial de uranio. De modo similar, se determinó la edad de la Tierra en 4.500 millones de años, a partir del análisis del meteorito más antiguo datado encontrado en 1992, en México. Se presume que este meteorito, proveniente de las regiones más externas del Sistema Solar, se El Cañón del Colorado, en Estados Unidos. formó en el momento en el que también lo hizo nuestro planeta.

Biología 2 • Un enfoque ecoevolutivo

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Eventos prebióticos y sus interpretaciones teóricas Fuentes

extraterrestres de la vida

En 1969, se analizó un meteorito caído en Murchinson (Australia) y se encontró una mezcla de hidrocarburos y aminoácidos similares a los obtenidos en los experimentos de simulación de atmósferas primitivas. Esos hallazgos fueron confirmados con el análisis de otros meteoritos, y se comprobó que no se trataba de casos de contaminación a partir de compuestos terrestres en el momento del impacto. También se han detectado compuestos orgánicos en Titán, satélite de Saturno, en nubes intergalácticas y en la composición de cometas. Es decir que las fuentes de materiales orgánicos bien pueden ser extraterrestres.

Mediante la técnica de la datación absoluta de rocas, se ha estimado la edad de la Tierra en 4.500 millones de años. Se piensa que durante los primeros 600 millones de años nuestro planeta se vio sometido a una intensa lluvia de meteoritos y cometas que, al chocar con él, dejaban sus huellas en forma de cráteres similares a los que se pueden observar actualmente en la superficie lunar. ¿Cuál es la razón de que en la Tierra se observen escasos cráteres causados por impactos de cuerpos siderales mientras que en la Luna abundan? Simplemente, se debe a que la Luna carece de actividad tectónica y también de atmósfera; esta situación preserva los cráteres lunares. En cambio, en la Tierra, estos cráteres han sido eliminados por los ciclos geológicos provocados por los movimientos convectivos del interior del planeta. Cuando cesó el intenso bombardeo meteorítico –que importó desde el espacio exterior grandes cantidades de compuestos químicos que no estaban presentes en la superficie terrestre–, en los siguientes 600 millones de años ocurrieron los procesos naturales que condujeron a la aparición de las primeras células vivas. Estos procesos debieron posibilitar la síntesis de compuestos orgánicos sencillos, para dar paso a la formación de moléculas más complejas a partir de las simples.

Filamentos de Lyngbya, una cianobacteria actual similar a los fósiles de 3.600 millones de años de antigüedad.

Por otra parte, el continuo reciclaje de materiales de la corteza va destruyendo paulatinamente los estratos rocosos por erosión, de modo tal que es difícil encontrar rocas de una antigüedad mayor de 3.000 millones de años. Con la destrucción de las rocas, también desaparecen las huellas fósiles de antiguas biotas que, al morir, se integran a los sedimentos. Esos restos de organismos vivos luego sufren transformaciones hasta convertirse en rocas que preservaron las pruebas de su efímera existencia en la Tierra. Sin embargo, en algunos lugares se han podido encontrar antiguas rocas sedimentarias que conservan restos fósiles. Así, en la planicie de Isua (Groenlandia) se hallaron las rocas sedimentarias más antiguas hasta el momento, de 3.800 millones de años. El tipo de relaciones isotópicas del carbono encontrado en ellas hace sospechar un origen biológico de este. En otras rocas sedimentarias de 3.500 millones de años de antigüedad, encontradas en Oceanía y África, se descubrieron estructuras denominadas estromatolitos, que se interpretan como sucesivas capas superpuestas de organismos microscópicos similares a las actuales cianobacterias. Actualmente es posible encontrar en ambientes especiales (zonas de costas marinas, lagunas hipersalinas, etc.) la formación de sucesivas capas de organismos microscópicos (biodermas) que, al superponerse, dan lugar a estructuras similares a la de los estromatolitos hallados.

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En algún momento, también debieron de aparecer moléculas orgánicas capaces de autoensamblarse y replicarse, dejando copias de ellas, del modo en que sucede en los seres vivos de hoy. Esto quizás ocurrió en sistemas rodeados por membranas que posibilitaran el aislamiento respecto del medio externo y, a la vez, un intercambio activo de materiales desde y hacia el interior de esos sistemas membranosos. Aparece aquí la objeción acerca del “corto” tiempo transcurrido. Las actuales teorías del origen de la vida también pueden responder a estas objeciones mediante ingeniosas hipótesis apoyadas en abundantes pruebas empíricas fundadas en sólidas bases experimentales y en notables hallazgos científicos. Por ejemplo, el descubrimiento de formas vivientes a varios kilómetros de profundidad, tanto en los continentes como en los fondos oceánicos, permite conjeturar que los primeros organismos vivos pudieron haberse originado en el interior de la corteza terrestre o haber migrado tempranamente hacia el interior. Para desarrollarse en ambientes con altas temperaturas, debieron haberse formado moléculas muy estables también a altas temperaturas, como ocurre en la actualidad en los microorganismos adaptados a ambientes extremófilos (como son, por ejemplo, las fuentes termales muy calientes).

¿Qué es la vida? La pregunta del título de este apartado es de muy difícil respuesta. Los científicos –físicos, químicos o biólogos– han intentado definir este concepto tan elusivo. Por ejemplo, en 1945 el físico Erwin Schrödinger publicó un libro ya clásico titulado ¿Qué es la vida? Allí, planteaba que una propiedad característica de los sistemas vivientes era la que les permitía autoensamblarse y mantenerse fuertemente organizados, en contra de la tendencia natural de todo sistema material a alcanzar el máximo desorden (máxima entropía). Otras definiciones pueden ser de corte funcional, como la expresada por Gerald Joyce, que plantea que la vida aparece en un sistema químico autosostenible con capacidad de evolucionar. Algunas definiciones cibernéticas sostienen que el organismo vivo es un sistema complejo, capaz de transmitir y procesar información de acuerdo con un código universal. Cada una de las definiciones privilegia algún aspecto particular del fenómeno vital e intenta abarcar todos los casos, pero todas se enfrentan con contraejemplos. En el caso de la última definición, su contraejemplo es el de la existencia de los virus. Estos carecen de metabolismo propio y, obligatoriamente, deben “parasitar” una célula viva. Así, se apropian del control del metabolismo celular en beneficio propio y obligan al huésped a fabricar compuestos químicos virales, para reproducirse y reinfectar otras células.

Microorganismos termófilos colorean las aguas termales de la laguna del parque nacional Yellowstone, en Estados Unidos.

Actividad Se ha argumentado que la evolución química prebiótica debió de ser muy lenta, por lo que los 600 millones de años parecieran ser un lapso escaso.

• ¿Qué hipótesis y datos fueron planteados para salvar esa objeción?

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Par de bases

Adenina

Timina

Guanina

Citosina

Estructura de doble hélice de la molécula de ADN.

Tal vez una de las características más asombrosas que presenta la vida terrestre tenga que ver con la diversidad específica (el número de especies distintas), con la altísima variedad de formas y funciones con la que se muestran los seres vivos, es decir, su biodiversidad o diversidad biológica. Su percepción a escala macroscópica se ve incrementada cuando se analizan los niveles microscópicos y moleculares. Pero, dentro de esa inmensa biodiversidad, la vida reconoce ciertas propiedades generales, compartidas por todo ser vivo en la Tierra. Estas son: • Organización celular. La organización de la vida se produce en forma de sistemas discretos y autónomos, Esqueleto azúcar fosfato en buena medida diferenciados de su entorno: las células. Las células están limitadas por una membrana plasmática que permite diferenciar un medio interno del externo. Esto posibilita que, aun cuando el medio externo varíe, el interno mantenga una relativa constancia físico-química. • Almacenamiento de la información. Para mantener la constancia morfológica-funcional y la composición Base físico-química, los seres vivos almacenan la informanitrogenada ción genética en moléculas biológicas denominadas ácidos nucleicos, principalmente, bajo la forma de ADN (ácido desoxirribonucleico) y, secundariamente, como ARN (ácido ribonucleico). Todos emplean un mismo sistema de codificación: un código genético basado en cuatro “letras” moleculares. En el caso del ADN, son los nucleótidos C, G, A, T (citosina, guanina, adenina y timina, respectivamente). La información queda codificada en las moléculas de ácidos nucleicos, no en su composición química, sino en la secuencia de nucleótidos que presenta. Así, cada especie, y cada organismo también, presentará una secuencia de nucleótidos diferente. Un rasgo particular de la molécula de ADN es que está formada por dos cadenas unidas entre sí por los nucleótidos. Siempre se une la citosina de un nucleótido de una cadena con la guanina del nucleótido de la otra cadena. Por lo tanto, las dos cadenas del ADN no son idénticas, sino complementarias. • Transmisión de la información. Para que la información genética pueda pasar de una generación a otra, de padres a hijos, es necesario que el material genético (ADN) sea capaz de formar copias exactas. Esta propiedad de duplicación de las moléculas la tiene el ADN mediante un mecanismo que consiste en la separación de las dos cadenas “madres” y la síntesis de las correspondientes cadenas complementarias “hijas”

Características de la vida

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a partir de la unión de nucleótidos sueltos, en la secuencia que indique la cadena “madre”, según la regla de apareamiento ya comentada. De este modo, se obtienen dos nuevas moléculas de ADN, cada una de ellas con una cadena vieja y otra nueva. Se dice que la duplicación del ADN es semiconservativa por esta peculiaridad en su duplicación. • Traducción de la información genética del lenguaje de los ácidos nucleicos al lenguaje de las proteínas. En los seres vivos, las proteínas (en particular, las enzimas) llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares. Las proteínas son grandes moléculas, formadas por una secuencia de unidades básicas denominadas aminoácidos, que se sintetizan dentro de las células empleando la información almacenada en el ADN. El código genético universal establece la forma en la que se traduce la información contenida en una secuencia de nucleótidos de ADN a otra secuencia de aminoácidos de la proteína sintetizada. En este código, una secuencia de tres nucleótidos (triplete) codifica un aminoácido en particular. De ese modo, se pasa del “lenguaje” del ADN al “lenguaje” de las proteínas. Existe una molécula intermediaria en el proceso de traducción: el ARN, un ácido nucleico más pequeño y de cadena simple en el que el nucleótido timina es reemplazado por otro denominado uracilo (U), que se une complementariamente con la adenina. Existen tres tipos de ARN: el ARN mensajero, que copia la información del ADN y la lleva hasta el sitio de síntesis de las proteínas; el ARN ribosómico, compuesto por una estructura denominada ribosoma; y por último, el ARN de transferencia, que atrapa un aminoácido en particular y lo acerca al ribosoma donde se ubicará siguiendo el orden de los tripletes. En el ribosoma, se produce la unión de aminoácidos sucesivos que arman una proteína (o un polipéptido) que es liberada. • La quiralidad de la materia viva. En la naturaleza, los aminoácidos pueden presentarse bajo dos formas quirales –como un par de imágenes especulares–, según desvíen la luz polarizada hacia la derecha (forma dextrógira o D) o hacia la izquierda (forma levógira o L). La vida emplea, para constituir sus proteínas, solo aminoácidos de la serie levógira. Un caso similar se presenta en el azúcar que forma parte de los ácidos nucleicos (ribosa en el ARN y desoxirribosa en el caso del ADN): siempre se emplea la forma D. Las características mencionadas, que poseen todos los seres vivos (con contadas excepciones para alguna de ellas), permiten suponer un origen común. A partir de este, los seres vivos se habrían diversificado mediante procesos de variación biológica y selección, propuestos en 1859 por Charles Darwin, en su teoría de la evolución biológica por medio de la selección natural.

¿Cómo

se diversificaron los seres vivos?

Las fuentes de variación fueron heterogéneas; por ejemplo, la combinación de la información que proviene de los progenitores en el momento de la reproducción sexual; los errores durante el copiado de la información del ADN; la influencia de agentes mutagénicos, y otras que se verán más adelante en detalle. Entonces, teniendo en cuenta las características de la vida analizadas, se puede intentar plantear una definición más completa que exprese que la vida es lo que caracteriza un sistema autosustentable con capacidad para almacenar y transferir información, y capaz de adaptarse a los cambios que tienen lugar en el ambiente, es decir, capaz de evolucionar.

complementaria

Actividad

• En la carpeta, describan las propiedades generales de los seres vivos a modo de resumen de estas páginas.

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Teorías sobre el origen de la vida Si no admitimos como explicaciones válidas que el origen de la vida se produjo por causas sobrenaturales o por el mero efecto del azar, deberemos buscar alternativas que expliquen cómo, a partir de compuestos simples, se llega a sistemas complejos. En la historia de la ciencia, se han propuesto varias teorías, de las cuales las más relevantes fueron las de la generación espontánea, de la panspermia y del caldo primigenio.

La idea clásica fue que la vida se estaría originando, actualmente, a partir de materia no viva influida por algún tipo de principio vital. Debido a la influencia intelectual de Aristóteles, quien apoyaba esta teoría, fue la versión más aceptada hasta mediados del siglo xix. Los experimentos con microorganismos llevados a cabo por Louis Pasteur, Robert Koch y John Lister permitieron concluir que un ser vivo solamente podía provenir de otro ser vivo. Así, culminó el reinado de la teoría de la generación espontánea clásica. Sin embargo, las concepciones en torno a la evolución de las condiciones del planeta, como también a su edad, habían cambiado. Esto permitió suponer que, si bien era imposible que la vida se originara de la materia inerte en el tiempo actual, tal vez hubo un período geológico en el que, mediante procesos naturales, la vida pudo originarse a partir de la materia no viva. El problema del origen de la vida continuó sin ser abordado científicamente durante el siglo xix, aunque hubo autores que arriesgaron algunas hipótesis, por ejemplo, Charles Darwin, de quien nos ocuparemos con más detalle al tratar las teorías de evolución biológica.

Generación espontánea

algún mar caliente

Darwin expresaba en una carta de 1871: “Se dice frecuentemente que las condiciones necesarias para la aparición de los primeros organismos vivos se cumplen en el presente y que siempre se han cumplido. Pero si –¡y qué gran si!– se puede imaginar que en algún mar caliente dotado de todo tipo de sales amoniacales y fosfóricas, en presencia de calor, luz, electricidad, etc., haya podido formarse químicamente un compuesto proteico capaz de soportar modificaciones completas, tal compuesto sería, en nuestros días, instantáneamente devorado o absorbido, lo que no ha podido ser el caso antes de la formación de los seres vivos”. Charles Darwin (1809-1882).

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Panspermia La teoría de la panspermia propone que la vida es un fenómeno expandido por el Universo, que pudo haber tenido origen en algún sitio y luego se propagó a otras regiones, a otros mundos, como, por ejemplo, la Tierra. También puede considerarse que la vida es tan antigua como el Universo. La panspermia fue sostenida por varios autores en el pasado, pero fue popularizada en el siglo xx, hacia 1908, por Svante Arrhenius. La mayor dificultad de la teoría es determinar cómo viajan los microorganismos de un mundo a otro y cómo resisten el embate de la radiación cósmica durante la travesía. Para los detractores de la teoría, esta solo soluciona el origen de la vida en la Tierra al proponer que proviene de otros mundos; el enigma sigue sin ser resuelto. Recientemente, algunos autores afamados, como Francis Crick –codescubridor de la estructura helicoidal del ADN, junto con James Watson–, adhirieron a esta teoría. La evidencia de que sustancias orgánicas podían provenir de la lluvia de meteoritos y cometas posibilitaba, además, la idea de que también llegaran esporas de microorganismos protegidas en el interior de los meteoritos. El descubrimiento de organismos terrestres extremófilos, resistentes incluso a la radiación, permite conjeturar que organismos extra-terrestres pudieron resistir el viaje interplanetario.

Caldo primigenio: la teoría de Oparin-Haldane Durante la tercera década del siglo xx, dos científicos plantearon una teoría del origen de la vida: el bioquímico ruso Alexander I. Oparin y el biólogo británico John B. S. Haldane. Ambos se basaron en los últimos descubrimientos y teorías de su época: • Los astrónomos habían detectado la existencia de hidrocarburos en algunas estrellas. • Los geólogos proponían un origen inorgánico para el petróleo. • Experimentos de E. Baly acerca de la formación de compuestos nitrogenados orgánicos a partir de compuestos inorgánicos de nitrógeno y níquel bajo la influencia de la luz, etcétera. La teoría de Oparin-Haldane proponía que el primer paso para la formación de los primeros seres vivos fue la síntesis abiótica de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas presentes en una atmósfera terrestre primitiva, que carecía de oxígeno molecular, presente en la actual. Esto posibilitó que los compuestos orgánicos formados no fueran destruidos rápidamente por oxidación y pudieran acumularse en el agua de mar. Por evolución química, conformaron un caldo primigenio, rico en moléculas orgánicas, que fueron organizándose espontáneamente en sistemas estables que daban estructuras microscópicas globulares. Eventualmente, podrían encerrar compuestos químicos de naturaleza y concentraciones diferentes de los de su entorno. Se los denominó coacervados.

¿Vida

Marte?

Hace unos años, la NASA anunció que se había encontrado en los hielos antárticos un meteorito de origen marciano que portaba estructuras similares a las formas bacterianas terrestres fosilizadas, pero de menor tamaño. La polémica suscitada, aunque no resuelta, cayó últimamente en el silencio.

Meteorito marciano denominado ALH84001. a) Aspecto general. b) Detalle microscópico que muestra las estructuras con forma de cadenas, que habían sido interpretadas como restos de células de cianobacterias fosilizadas.

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El bioquímico estadounidense Stanley L. Miller junto al dispositivo diseñado para su histórico experimento.

Electrodos

Metano y amoníaco

Descargas eléctricas

Vapor de agua

Esquema del aparato de Miller en el que se obtuvo la síntesis abiótica de aminoácidos en 1953.

En 1953, un joven estudiante de doctorado, Stanley Lloyd Miller, puso a prueba la hipótesis de Oparin y Haldane acerca de la síntesis de sustancias orgánicas a partir de compuestos inorgánicos supuestamente presentes en la atmósfera carente de oxígeno de una Tierra primitiva. Para eso, diseñó un aparato con el que simuló las condiciones de ausencia de oxígeno para evitar la oxidación de los compuestos orgánicos que se formasen mediante el pasaje de una chispa eléctrica continua provocada en un arco voltaico dentro de un recipiente aislado que contenía agua, metano, amoníaco e hidrógeno. Luego de unos pocos días, se analizaron los compuestos formados y se hizo evidente la presencia de moléculas biológicas variadas: algunos aminoácidos, azúcares y bases nitrogenadas (purinas y pirimidinas); componentes básicos de proteínas y ácidos nucleicos. Ese experimento marcó el inicio de la fase experimental en los estudios acerca del origen de la vida. En los años siguientes, se probó con diversas combinaciones de gases (por ejemplo, se empleó monóxido o dióxido de carbono en lugar de metano, ácido sulfhídrico, etc.) y distintas fuentes energéticas (radiación ultravioleta, etc.). Estos nuevos experimentos permitieron estudiar posibles vías de síntesis de las moléculas biológicas, sus compuestos intermediarios, su estabilidad y otras propiedades. Esto dio lugar a nuevas hipótesis sobre los pasos bioquímicos necesarios para constituir sistemas prebióticos que se acumularan y posibilitaran la adquisición de funciones vitales. Sin embargo, no se logra fácilmente la formación de polímeros a partir de sus monómeros, unidades básicas que se repiten, se unen y forman grandes moléculas (por ejemplo, proteínas a partir Refrigerante de aminoácidos o ácidos nucleicos a partir de nucleótidos). En las células de los actuales seres vivos, las reacciones de síntesis, degradación y transformación de sustancias ocurren facilitadas Condensación por la acción de las enzimas, proteínas con capacidad de regular la velocidad de las reacciones Solución obtenida químicas. Aún no queda claro cómo los sistemas prebióticos solucionaron esos problemas.

Miller y la síntesis abiótica de aminoácidos

Actividad

• Relean cada una de las teorías sobre el origen de la vida y discutan en grupos sobre los pros y las contras de cada una.

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Las primeras células Protobiontes: microsferas y coacervados Bajo la denominación de protobiontes, se engloban aquellos sistemas materiales planteados en las hipótesis acerca del origen abiogénico de los seres vivos. Los protobiontes se presentan como estructuras esféricas, limitadas por una membrana que aísla el medio interno del exterior. En su interior, se concentran sustancias orgánicas y se producen reacciones químicas entre ellas; esto, a su vez, permite el intercambio de moléculas con el ambiente externo. Entre estos protobiontes, están las microsferas propuestas por Sydney W. Fox, y también los coacervados propuestos por Alexander Oparin.

Los bioquímicos Alexander Oparin y Sidney Walter Fox.

Actividad experimental

Formación y observación de microsferas Suponemos que, en condiciones apropiadas, se pueden formar microsferas, estructuras semejantes a los hipotéticos primeros sistemas prebióticos, a partir de materiales simples y sin intervención de fuerzas sobrenaturales.

Materiales

• Microscopio, portaobjetos y cubreobjetos • Lecitina • Colorante para comida

• Gotero • Papel secante u hojas de rollo de papel de cocina • Agua

Procedimiento

• Coloquen sobre el centro de un portaobjetos una gota de solución de lecitina y, cercana a ella, una gota de agua coloreada.

• Cubran ambas gotas con un cubreobjetos. • Observen al microscopio la región de contacto entre el agua y la lecitina. Realicen sucesivas observaciones con aumentos pequeños, medios y grandes, y dibujen lo observado en cada caso, con indicación del aumento empleado. En la región de contacto, aparecerá cierta turbidez opaca debido a la formación de gotitas de lecitina dispersas en agua.

• Al cabo de unos 30 minutos, coloquen un trozo de papel absorbente en el borde del cubreobjetos del lado donde predomina el agua coloreada, de modo que esta comience a ser retirada.

• Por el borde opuesto, agreguen gotas de agua limpia (sin colorear), mientras observan al microscopio. Agreguen agua hasta lograr que el agua coloreada sea reemplazada por el agua límpida.

• Observen nuevamente las vesículas de lecitina formadas y el color del contenido que encierran. Dibujen algunas de ellas.

• Redacten un breve informe con las observaciones, los dibujos y las conclusiones a las que arribaron.

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Actividad experimental

Formación y observación de coacervados Suponemos que en condiciones apropiadas, se pueden formar coacervados que, como las microsferas, son estructuras semejantes a los primeros sistemas prebióticos.

Materiales

• Microscopio, portaobjetos y cubreobjetos • Tubos de ensayo y gradilla portatubos • Un gotero • Solución diluida de ácido clorhídrico (HCl) • Tiras de papel para medir el potencial de hidrógeno (pH) • Gelatina en polvo (proteínas) • Goma arábiga (hidratos de carbono) o agar-agar Procedimiento

• Preparen la solución de gelatina y la de goma arábiga. –– Solución al 1% de gelatina: disuelvan 0,5 g de gelatina en polvo en 50 ml de agua destilada caliente, y agiten hasta lograr la disolución completa. y agiten hasta lograr la disolución completa.

• Preparen la solución de gelatina y de goma arábiga en relación 5:3. –– Mezclen 50 ml de solución de gelatina al 1% con 30 ml de solución de goma arábiga al 1%. • Llenen hasta la mitad un tubo de ensayo con la solución preparada. • Controlen el pH de la solución con las tiras de papel para medirlo. • Registren el valor. • Los coacervados se forman mediante la acidificación de la solución de gelatina-goma arábiga con el agregado gota a gota de la solución diluida de ácido clorhídrico (HCl).

–– Con un gotero, agreguen gota a gota ácido clorhídrico diluido a la solución de gelatina-goma arábiga;

–– Solución al 1% de goma arábiga: disuelvan 0,3 g de goma arábiga en 30 ml de agua destilada caliente,

agiten cada vez hasta que la solución deje de ser traslúcida (se opaque en forma de nube blanquecina). Se habrá formado un precipitado en suspensión, que se alcanzará con el agregado de unas tres gotas de HCl.

• Registren el pH alcanzado. • Observen la formación de coacervados. • Preparen el microscopio. Coloquen una gota de la suspensión opacada sobre un portaobjetos, cúbranlo con un cubreobjetos y observen con bajo aumento (40x o 100x). Prueben con aumentos mayores (400x).

• Describan y dibujen las estructuras observadas. Indiquen el aumento empleado en cada caso. • Agreguen más gotas de HCl a la solución y agiten después de cada agregado hasta que desaparezca la opacidad.

• Controlen nuevamente el pH. • Observen la solución bajo el microscopio a distintos aumentos, buscando coacervados. • Redacten un informe con las observaciones, los dibujos y las conclusiones alcanzadas.

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Nuevas hipótesis sobre el origen de la vida

Actividades

Si bien las hipótesis de Oparin, Haldane y otros científicos han generado modelos teóricos, estos no alcanzan para dar, hasta ahora, una explicación acabada sobre el origen de los seres vivos. Las nuevas líneas de investigación abordan la posibilidad de que intervengan sustancias catalizadoras en las reacciones de síntesis de biomoléculas que promoverían la acumulación de las biomoléculas y evitarían su degradación. Se supone que esos catalizadores del pasado no fueron de naturaleza proteica como los actuales, pero cumplieron su papel biogénico. Algunas de las hipótesis que intentan aclarar el proceso de biosíntesis proponen la intervención de catalizadores inorgánicos, por ejemplo, la superficie de las arcillas. Es lo que proponen John Bernal y Alexander Cairns-Smith. Otros autores, como Gunter Wächtershäuser, le adjudican un papel similar a la pirita –mineral brillante color oro–. La gran superficie total de la arcilla le otorga al material mineral propiedades físicas vinculadas con la superficie, como la de la adsorción (la propiedad de ligar sustancias químicas, moléculas o átomos que quedan retenidos sobre la superficie de las arcillas). Esa situación permite que las moléculas adsorbidas permanezcan cierto tiempo retenidas y posibilita la interacción con otras partículas también retenidas; por ejemplo, si se trata de aminoácidos adsorbidos sobre las arcillas, es posible que se unan para formar polímeros. Este modelo podría explicar incluso por qué las proteínas de los seres vivos solo están compuestas por aminoácidos L; tal vez solamente las formas levógiras puedan acomodarse en la superficie de los minerales, mientras que las formas dextrógiras no quedan adsorbidas. Una vez que se configuraron los protobiontes –sean coacervados, microsferas u otras estructuras equivalentes–, estos consiguieron regular las reacciones químicas mediante catalizadores sintetizados en su interior: las enzimas, que asumieron el papel que anteriormente cumplían los catalizadores minerales. Al desaparecer la función de los minerales, porque fue cubierta por otros compuestos, no ha quedado rastro alguno de esa etapa hipotética: el papel de andamiaje de los minerales. Tal vez si pensamos la siguiente analogía se podrá vislumbrar cómo pudo haber ocurrido ese cambio de catalizadores minerales a catalizadores biológicos. Cuando se comienza a construir un edificio, lo primero que aparecen son estructuras provisorias, como andamios, encofrados, pilares, los que, una vez consolidadas las vigas y las paredes, son retirados y ya no forman parte del edificio. Sin embargo, su papel en el proceso de edificación fue clave. Al visitante que ignora cómo se construye le puede resultar asombrosa la presencia de monumentales construcciones.

• ¿De qué modo actúan las arcillas como catalizadores? Hagan un ejercicio de índole matemática. –– Tomen un cubo de 1 cm de arista y 6 cm2 de superficie.

–– Imaginen que, mediante tres cortes por la mitad de cada cara, quedan formados 8 cubitos de 0,5 cm de arista con 1,5 cm2, es decir, con una superficie total de 12 cm2.

–– Las partículas de los minerales de arcilla se denominan micelas y tienen un diámetro menor de 2 µ (1 micrón = 1 milésima parte del milímetro).

• ¿Qué superficie total presentarían los cubitos de 2 µ de arista formados por sucesivos cortes sobre el cubo original?

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Procariotas y eucariotas

Del mundo ARN al mundo ADN/proteínas b

ARN, molécula autorreplicante

Aspecto de los coacervados obtenidos por Oparin mediante el empleo de diferentes materiales: a) Albúmina y goma arábiga. b) Gelatina, goma arábiga y ARN.

Ya se ha mencionado la situación paradójica que se plantea al considerar la necesidad de la actividad enzimática para constituir sistemas vivos y, por otra parte, la necesidad de almacenar, preservar y transmitir la información genética. En los actuales seres vivos, las proteínas y los ácidos nucleicos (fundamentalmente el ADN) llevan a cabo esas dos funciones, pero… ¿cómo se estableció esa división de tareas? ¿Una de esas moléculas comenzó a operar antes que la otra? Se trata de uno de los problemas del tipo ¿quién fue primero, el huevo o la gallina? Los científicos se dividieron en dos grupos: hubo quienes sostuvieron que primero surgió el ADN, capaz de replicarse y almacenar la información genética; mientras que otra parte de la comunidad científica apoyó la idea de que fueron las proteínas las que habrían surgido primero, ya que son las catalizadoras más importantes que permiten que se cumplan los procesos bioquímicos básicos y que el ADN se duplique.

Los experimentos con coacervados y microsferas han permitido estudiar ciertas propiedades interesantes, como la capacidad de incluir en su interior enzimas que catalizan algunas reacciones a partir de la presencia de sustratos presentes en el ambiente externo; es decir que son capaces de iniciar una especie de actividad metabólica, típica de las células vivas. También se ha visto que el crecimiento y división de los coacervados, al alcanzar cierto tamaño, se asemeja al proceso de división celular, que permite la multiplicación y la continuidad de la vida. Por supuesto que la complejidad, de las células más simples hasta las actuales, es inmensamente superior a la presentada por los coacervados obtenidos en los experimentos. Sin embargo, no debemos dejar de tener en cuenta que las células son el producto final de un largo proceso de evolución prebiótica, de naturaleza química, de los coacervados, antes de llegar a constituirse en sistemas biológicos.

Aspecto de las microsferas obtenidas mediante la técnica planteada por Sidney W. Fox. Se observa la bipartición de las microsferas, que quedan separadas por un tabique.

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Un tercer grupo sostuvo que los primeros seres vivos habrían surgido como resultado de la coexistencia de ambos tipos de moléculas, pero esta opción tampoco resolvía el problema planteado. Una posible solución al dilema consiste en el argumento del andamiaje, ya propuesto. Tal vez, esas funciones (actividad catalítica y almacenamiento de la información) fueron cumplidas en épocas primitivas por una tercera molécula que operó en un principio y luego fue reemplazada por otras más eficientes o más especializadas. Las investigaciones apuntan a identificar esa posible molécula con el ARN (ácido ribonucleico). Se ha comprobado que, además de la capacidad de almacenar y transmitir información genética, el ARN es capaz de catalizar reacciones químicas que pudieron conducir a su propia replicación y a facilitar otras reacciones entre moléculas. Es decir que pudo cumplir las funciones que ahora están separadas molecularmente en dos tipos diferentes (proteínas y ADN).

Información (genotipo) y función (fenotipo) Una de las características notables de la molécula de ARN es la capacidad de modificar su forma espacial tridimensional según la secuencia de nucleótidos que la integren y en función de las condiciones fisicoquímicas del medio circundante. Esto posibilita que el ARN sea a la vez portador de la información genética –del genotipo del sistema protobionte–, y que también permita la expresión física –el fenotipo–; esta última propiedad de catalizar reacciones químicas, de funcionar como enzimas, se ha descubierto no hace mucho y ha permitido denominar ribozimas a esas moléculas. Otro argumento que apoya la hipótesis de que el ARN pudo ser la molécula que cumplía la función de almacenamiento de información genética, antes de la aparición de esa función en el ADN, es la existencia de un grupo de virus (los retrovirus) que solo posee ARN. Cierto es que los actuales retrovirus portan, además de ARN, una enzima denominada retrotranscriptasa. Se piensa que la cesión de la función catalítica de ARN 1 hacia las enzimas sucedió de modo gradual, donde cortas cadenas de aminoácidos, asociadas al ARN, comenzaron a tener funciones enzimáticas. El pasaje de la función de almacenamiento de información del ARN hacia el ADN tam5 bién pudo ser gradual; en él pudieron intervenir enzimas como las retrotranscriptasas, que permiten la formación de cadenas de ADN, al copiar las secuencias de ARN, como ocurre en los retrovirus.

Modelo teórico de la formación de protobiontes 1. Los nucleótidos –diversos compuestos orgánicos formados abióticamente sobre la superficie de arcillas– son liberados en un medio acuático con zonas calientes y frías. Allí, son incorporados en esferas formadas por dobles membranas de ácidos grasos que contienen agua. 2. En el interior de las esferas, los nucleótidos se autoorganizan en cadenas de ácidos nucleicos (ARN), y conforman una estructura en doble cadena. 3. Cuando los protobiontes son calentados, se separan las dobles cadenas de ARN en cadenas simples. 4. Las protocélulas incorporan más ácidos grasos en sus membranas y aumentan su volumen. Este proceso pudo ser promovido por la circulación del medio acuático que transporta las esferas de aguas termales a congeladas, y viceversa. 5. El aumento de tamaño desestabiliza las protocélulas e induce a que estas se dividan en “protocélulas hijas”. Cada una porta una hebra de ARN. Así, puede reiniciarse el ciclo de formación de protobiontes.

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Al analizar los ARN de organismos procariontes y eucariontes actuales, en 1977 Carl R. Woese y Sydney W. Fox encontraron que se los podía ubicar en forma de tres grupos que tempranamente se habrían diferenciado. Por un lado, estaba el linaje, del que descienden las actuales bacterias metanógenas (liberan gas metano), capaces de desarrollarse en ausencia de oxígeno (en condiciones anaeróbicas), conocidas como arqueobacterias. De otro grupo, habrían evolucionado las bacterias aeróbicas y las cianobacterias (organismos capaces de fotosintetizar), conocidas como eubacterias. Y del tercer grupo, se habrían originado los eucariontes actuales. O sea que, básicamente, los seres vivos no se dividían en animales y plantas, ni en procariontes y eucariontes, sino que en realidad podían ser agrupados en tres linajes que tempranamente descendían de un ancestro común –en el siguiente capítulo se tratará con más detalle la clasificación de los seres vivos–. Ese hallazgo dio lugar a la formulación de muchos interrogantes: ¿Cómo y por qué se produjo esta división temprana? ¿Cuál fue la naturaleza de los ancestros de esos tres linajes? ¿Cuándo y dónde aparecieron esos ancestros? Woese y Fox sostuvieron que, en la base de la división de los linajes, habría existido un antecesor hipotético llamado progenote, en el que aún no se había producido la separación evolutiva entre genotipo y fenotipo, característico de los seres vivos actuales. A esa entidad hipotética, el ancestro común de todos los seres vivos que habitan y habitaron nuestro planeta, se la conoce también como LUCA (sigla en inglés que significa “último ancestro Eukarya común universal”).

Del mundo ARN a la primera célula

Eubacteria

Archaeabacteria

Luca

Los tres dominios de los seres vivos: Archaea o Archaeabacteria (bacterias primitivas), Eubacteria (bacterias y cianobacterias) y Eukarya (protistas, plantas, hongos y animales). En la base, LUCA, el último ancestro común universal, antes de su diversificación.

Capítulo 1. El origen de la vida

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Astrobiología El término astrobiología engloba un nuevo campo interdisciplinario en plena expansión, que comienza a verse incluido en los programas de estudios universitarios de países altamente industrializados y también de otros en pleno desarrollo. Así, podemos encontrar institutos universitarios, cursos, libros de textos de astrobiología e incluso títulos de posgrado en esta área. En líneas generales, la astrobiología se dedica al estudio de los orígenes, evolución, distribución y futuro de la vida en el universo. ¿Cuál es el sentido de conformar una nueva disciplina? ¿Sus posibles estudios no están atendidos por otras disciplinas científicas ya consolidadas? Hay algunas razones que justifican el desarrollo de nuevas áreas de estudio o, mejor dicho, nuevas formas de enfocar un mismo problema. Las respuestas más firmes a muchas de las hipótesis planteadas en este capítulo podrán ser corroboradas solo si los científicos lograsen sintetizar experimentalmente un ser vivo en los laboratorios o si se llegase a detectar vida fuera de nuestro planeta. Esos son los objetivos que se plantea la astrobiología, reciente disciplina de carácter interdisciplinario. Cuanto mejor se conozcan las características de la vida terrestre, mejores condiciones tendremos para reconocer vida fuera del planeta. Asimismo, si se llegaran a encontrar formas de vida extraterrestres, su estudio permitirá conocer mejor cuáles de las propiedades de la vida son esenciales o básicas, y cuáles son características contingentes, producto de los procesos evolutivos ocurridos en la historia de la Tierra. El término astrobiología tiene como sinónimos exobiología (exo, del griego, “externo”) y xenobiología (xenos, del griego, “extranjero”), pero estas segundas denominaciones presentan el inconveniente de sugerir la existencia real de vida extraterrestre, cuestión aún no comprobada. Sus campos de investigación abarcan el desarrollo de conceptos fundamentales acerca de la vida y los ambientes habitables, que favorecerían el reconocimiento de potenciales biosferas extraterrestres que bien podrían ser muy distintas de las de la Tierra. La astrobiología abarca, asimismo, la búsqueda de planetas (solares y extrasolares) que podrían albergar vida. También se incluyen en las competencias de la astrobiología las investigaciones teóricas y experimentales sobre los orígenes y la evolución de la vida primigenia, y los procesos que afectan el desarrollo de la vida sobre la Tierra, como los impactos o las radiaciones. Además, estudia la capacidad de la vida para adaptarse a los retos del futuro de la Tierra, como el cambio climático global que se estaría produciendo actualmente.

Publicación de los trabajos presentados en la Segunda Escuela de Posgrado Iberoamericana de Astrobiología, desarrollada en Montevideo, Uruguay.

Actividades

• Busquen información actualizada sobre el origen y la evolución de los primeros organismos unicelulares.

• Evalúen la fracción del total de la historia de la vida en la Tierra que fue ocupada exclusivamente por organismos unicelulares.

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Actividad grupal final Áreas temáticas de investigación en astrobiología y planetología –– búsqueda de planetas y satélites con aptitu-

des para albergar vida; –– modelos de la Tierra primitiva (geosfera,

hidrosfera, atmósfera y biosfera); –– biodiversidad: aparición de especies y

extinciones masivas; –– búsqueda de los primeros fósiles; –– biología de organismos extremófilos; –– astroquímica de nubes interestelares, come-

tas y meteoritos.

Interdisciplinariedad en la investigación astrobiológica La búsqueda de la explicación sobre la biogénesis es una línea de investigación interdisciplinaria que involucra varias disciplinas científicas y tecnológicas.

• Investiguen sobre alguno de los temas que se mencionan a continuación. ¿Cuál es la contribución de la astrobiología al desarrollo de las disciplinas? –– Biología: origen de la vida; evolución de la vida; búsqueda de biomarcadores de origen extraterrestre; biología de extremófilos; ecología de ambientes extremos. –– Geología: búsqueda de ambientes extraterrestres análogos a los terrestres; rol de los impactos de cometas y meteoritos; búsqueda de evidencias geológicas de la existencia de agua líquida en el Sistema Solar.

–– Astrofísica: ciclos estelares; formación del

Sistema Solar; búsqueda y observación directa e indirecta de planetas extrasolares. –– Química: estudios experimentales de quí-

mica prebiótica. –– Tecnología: exploración planetaria median-

te sondas orbitales y de superficie; desarrollo de instrumentos de detección.

• Investiguen acerca de algunos de los temas que estudia la astrobiología. Si bien la bibliografía básica de carácter divulgativo resulta aún escasa, es posible encontrar información en Internet. Los temas pueden ser algunos de los siguientes: –– regiones de formación de estrellas, supernovas y reciclado de elementos químicos; –– formación de sistemas planetarios; –– origen de la vida; –– evolución y distribución de la vida en la Tierra;

–– Filosofía: el problema de la vida, defini-

ciones; frontera entre lo vivo y lo no vivo; implicaciones filosóficas del potencial hallazgo de vida extraterrestre; ubicación del Hombre en el Cosmos.

• Preparen un informe con sus investigaciones y expónganlo frente a los restantes grupos a fin de intercambiar el conocimiento adquirido.

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Biología 2

Biología 2 Un enfoque ecoevolutivo

Un enfoque ecoevolutivo

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Alberto Onna Diana C. Rosenberg Paula Lipko

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