La Vida (ll)

La Vida (ll)

 
El desarrollo de la vida en la Tierra (1)

Procariotas (Bacterias y Archaeas, izquierda), fueron los primeros seres vivientes en la Tierra, la formación de las eucariotas (a la derecha una célula de una planta), creó la base para la formación de vida más desarrollada. La figura no está a escala, las células eucariotas son aproximadamente 10 000 más grandes que una célula procariota. Imagen de Wikipedia

El mundo de las bacterias  

  

Hoy se organiza la vida en la Tierra en tres grandes ámbitos: Las bacterias, las archaeas y las eucariotas, a las cuales pertenecen las plantas, los hongos y los animales. Las archaeas recién fueron descubiertas en 1977 por el microbiólogo estadounidense Carl Woese quien descubrió, que los organismos, que hasta entonces se habían tomado como bacterias, consisten de dos linajes completamente diferentes, las “auténticas bacterias”  y las archaeas (esta palabra provienen del griego archaios muy antiguo). Ambos tienen en común, que son unicelulares y que su ADN no está encerrado en el núcleo celular. Las diferencias entre las bacterias y las archaeas se encuentran en las membranas celulares, los ribosomas y el metabolismo. No son posibles de detectar externamente mediante un microscopio, lo que explica su tardío descubrimiento. Estas diferencias pueden dar un importante indicio referente al origen de la vida. Por ejemplo las membranas que rodean las células se diferencian notoriamente. Bill Martin y el bioquímico norteamericano Eugene Koonin ve en esto una confirmación, que una primera etapa de vida, el ancestro común de estos dos grupos, no poseía una membrana pero si un aparato ADN-proteína común para ambos grupos ¿Pero cómo pudieron haber funcionado estas complejas reacciones sin una membrana que hoy mantienen juntos estos compuestos químicos gracias a una membrana? Martin Y Koonin creen, que las burbujas de de sulfuro de hierro, de las fuentes hidrotermales de la época temprana de la Tierra, haya actuado como “membranas celulares inorgánicas”. El ancestro común, entonces habría su aparato proteína-ADN en estas burbujas, y recién en conexión a esto, dos veces y en forma independiente se llegó a originar la membrana – y con esto se explican las diferencias fundamentales entre las bacterias y las archaeas.

Las arqueas hoy provocan hoy un gran interés porque también viven. - junto a los mares, aguas dulces y suelos – en varios hábitats, fuentes termales o ácidos concentrados y soluciones salinas. Allí a0artecen bajo condiciones que se acercan a las condiciones de la Tierra al comenzar la vida, y por esto los investigadores tienen la esperanza, al estudiar las archaeas, encontrar indicios sobre la vida primitiva de la Tierra. .Hoy se ven a las bacterias de forma totalmente diferente, como se hacía hace sólo unos pocos años, debido a los conocimientos mejorados de los procesos al nivel bioquímico: Las archaeas junta a las bacterias reales y las eucariotas, son clasificadas como una de los tres “dominios” fundamentales de la vida; frente a los tres grandes reinos de los multicelulares (plantas, animales y hongos), se encuentran varias docenas de reinos de bacterias, que se  diferencian entre sí, cómo las plantas, animales y hongos.

Kapsel = Cápsula
Zellwand = Pared celular
Menmbran = Menbrana
Cytoplasma = Citoplasma
Ribosomen = Ribosomas
Plasmid = Plásmidos
Pili = Pili
Flagellum = Flagelo

DNS = ADN

Célula bacteriana. La materia hereditaria ADN no se encuentra encerrado enun núcleo de la célula. La imagen de Mariana Ruiz Villareal de wikipedia commons, (Bajada el 23.7.2008), Public Domain.

 ¿Pero como de estos orígenes humildes se formó la actual diversidad de la vida? La respuesta es: La evolución darwiniana. Charles Darwin publicó en el año 1859 probablemente el libro más influyente en la historia de la biología: “El origen de las especies”. Este libro incluso hoy aún la base para todas las explicaciones de los cambios de seres vivientes y la formación de nuevas especies, lo que Darwin en aquellos tiempos no pudo saber, fueron las bases genéticas para esto eventos, estos fueron ingresados en la teor+ia de Darwin en los años 30 y 40, del siglo pasado, por Theodosius Dobzhansky y Ernst Mayr y otros, con lo cual se formó la moderna “teoría sintética de la evolución”. Darwin sabía, que todos los individuos de una especie se diferenciaban entre si y que estas diferencia son considerables (lo que es la base de la cría de animales y el cultivo de plantas; Darwin era criador de palomas); y que en la vida se produce un excedente de descendencia. Pero la cantidad de individuos no aumentan en la misma medida, sólo una parte de la descendencia sobrevive. Aquel que sobrevive, según Darwin no era casual: Más bien fuerzas selectivas de la naturaleza,  cómo la disponibilidad de alimentos o depredadores, tomaron el papel del criador en la selecci’0on de los “mejores” ejemplares. Por esto Darwin también habló de la selección natural. La causa de la variación inicial fue descubierta posteriormente por los genetistas: Son pequeños cambios (Mutaciones) en el ADN que se producen por fallas en las copias o por influencias ambientales. Decisiones para nuestras reflexiones:: Apenas cuando en las primeras pre-etapas de la vida comenzaron a actuar juntos  el ARN y las proteínas, que con esto se controlaban reacciones y estos controles también pasaban a las células hijas (se hacían “hereditarias”) comenzó la selección natural. Entonces pueden aparecer nuevas especies, cuando una “comunidad reproductiva” (se refiere  a todos los organismos que intercambian entre sí material hereditario) es separada: Entonces la selección natural puede llevar a direcciones diversas. Generalmente sucede esto por separación territorial de los organismos (a esto los biólogos lo denominan “especiación geográfica”), la separación también se puede originar por una especialización en determinados factores ambientales (“especiación simpátrica”). De las chimeneas de las fuentes hidrotermales, deben haber sido transportado  formas de vida hacia el mar. Probablemente aquí no tenían ninguna chance de sobrevivir, ya que en el mar había carencia de fuentes de energía. Otra pudo haber sido la situación en el fondo del mar: Allí había hidrógeno y dióxido de carbono, pero si en menor cantidad que en la chimeneas. Así pudo haberse formado la biósfera en la costra terrestre debajo de los océanos (un hábitat  que recién fue descubierto e investigado hace unos pocos años: Incluso en la roca plutónica de la Tierra, hasta profundidades de más de 3.000 metros viven bacterias y hongos). 

Durante los primeros 1,5 mil millones de años la vida en la Tierra se componía exclusivamente de bacterias y archaeas

Los primeros 1,5 mil millones de años después de la generación de la vida en la Tierra, sólo existían bacterias y archaeas y dominaban la vida en la Tierra otros mil  millones de años. Las bacterias y las archaeas son muy pequeñas y sólo en casos excepcionales son visibles a simple vista; pero aparecen en cantidades gigantescas y se pueden reproducir de forma muy rápida. En este enorme espacio de tiempo, durante el cual dominaron la vida en forma exclusiva, las bacterias y las archaeas pudieron “probar” innumerables reacciones bioquímicas – de las soluciones, que sobrevivieron a la selección natural, y que se fundan ante todo en 20 aminoácidos y de los cien a doscientas proteínas formado esto aminoácidos, que catalizan a las otras reacciones, aun hoy se consiste la vida en lo esencial. Formas de vida posteriores combinarían estas soluciones que habían inventado estas bacterias, pero sin añadir escasamente algo nuevo. En esto se originaron la gran variedad de bacterias arriba descrita. Las bacterias se podrían considerar como un “modelo exitoso” de la evolución:

Las bacterias, incluyendo las de la Tierra primitiva anóxica, constituyen estimativamente más de la mitad de la biomasa de la Tierra, juegan un  rol central en muchos procesos de la vida: Entre otras cosas, ellos viven en el rumen de las vacas y novillos, donde degradan la celulosa de las hierbas y con esto hacer accesibles a los animales los nutrientes; purifican nuestras aguas; producen la descomposición de desechos orgánicos (y muchos otros); producen vitaminas en nuestro intestino y extraen el hidrógeno del aire, que de otra manera no podrían utilizar. Su fuerte pareciera ser su rápida reproducción: Si hay alimento suficiente, algunas especies en 20 minutos pueden duplicarse. Una diminuta bacteria en dos días podrías producir más biomasa, que el total del peso de la Tierra… (en la praxis esto naturalmente no puede suceder, ya que no hay la cantidad suficiente de alimento). 

¿Vida o no vida? – Virus  Presumiblemente junto a las bacterias y a las archaeas se desarrollaron los virus, que son cien veces más pequeños que las bacterias: Los virus en realidad solo se componen de materia hereditable y un envoltorio de proteínas, pero no disponen de un metabolismo propio (por lo cual, según la definición no siempre son considerados como seres vivientes). Pero pueden adherirse a las células e inyectar en estas su materia hereditaria, con lo cual, dicho de esta manera, toman el mando en la célula y producir nuevos virus. Sobre el origen de los virus existen diversas hipótesis: Podrían ser restos de las primeras moléculas auto replicantes, que después de de la aparición de las primeras células, se convirtieron en “parásitos”; podrían ser una fase mermada de ex seres vivientes (por ejemplo, de parásitos que han perdido todos los elementos superfluos) o pudieron haber sido moléculas de ADN que se “independizaron” de la célula madre. Algunos virus son patógenos (gripe, viruela, SIDA, …) sin embargo muchos virus no causan daño. En el genoma humano un porcentaje considerable de material genético, que evidentemente provienen de virus, que infectaron las células germinales. Muchos de estos genes, mientras tanto han adoptado funciones en el cuerpo humano, así por ejemplo, un gen de un virus participa de la producción del pigmento de la sangre humana, la hemoglobina  Ocasionalmente los virus puede transferir material genético de una especia a otra; con la ayuda de ellos los genes pueden vencer las barreras entre las especies

El invento de la reacción química más importante del mundo:

 
La fotosíntesis

Las primeras bacterias obtenían energía de sustancias orgánicas o de compuestos químicos simples. Hoy detrás de la vida en la Tierra ante todo se encuentra la energía de la luz solar. La transformación de la luz solar en energía química aprovechable y al mismo tiempo la transformación del dióxido de carbono inorgánico en los compuestos de carbono orgánicos de la vida so produce por la fotosíntesis. A partir del agua y del dióxido de carbono gaseoso, en este proceso se forman energía y azúcar, que son las sustancias precursoras para todas las reacciones de la vida: Sin duda alguna, la más importante es la fotosíntesis es la reacción química más importante del mundo. Para poder entender cómo pudo lograrse el invento de la fotosíntesis, debemos mirar más de cerca, que es esto exactamente y como funciona. En el capítulo anterior en: “La obtención de energía en los seres vivientes” hemos visto, que la obtención de energía en seres vivientes se basa en la reacción del hidrógeno con dióxido de carbono. La fotosíntesis es la reacción, que mediante el auxilio de lo radiación solar libera hidrógeno del agua. Este es un gran logro, que técnicamente aún no lo hemos logrado: Todos los procesos para la obtención de hidrógeno a partir del agua, consumen más energía que la que se obtiene; si alguna vez aprendamos, lo que la naturaleza sabe hace miles de millones de años – obtener hidrógeno del agua mediante la energía solar, la solución a nuestros problemas energéticos estaría a la vista. Para esto la naturaleza inventó un catalizador, que con un mínimo uso de energía, puede desintegrar el agua, un compuesto muy estable, en hidrógeno y oxígeno, el “complejo productor de oxígeno”. En la fotosíntesis, en una serie de reacciones redox, en dos foto-sistemas se transportan electrones y con la ayuda de la energía protones, que aquí se genera, (átomos de hidrógeno de carga positiva) son bombeados en un lado de una membrana, y por otro lado es generado el medio reductor NADPH [nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, (el traductor)], que reduce al dióxido de carbono a carbohidratos orgánicos (Una descripción detallada sobre la fotosíntesis próximamente en un capítulo aparte). En esto son cruciales los foto-sistemas, pues estos pueden variar su potencial redox según la influencia de la luz. El foto-sistema II actúa entonces como un oxidante (se liberan electrones). Foto-sistema I como medio reductor. Con esto queda entendido porqué deben existiré dos foto-sistemas: Un sistema no puede ser al mismo tiempo un fuerte oxidante y un fuerte reductor. ¿Pero cómo pudo originarse un sistema ton complejo con la evolución?

Los inventores de la fotosíntesis son las cianobacterias (anteriormente conocido como algas verde-azules). Foto-sistemas también se presentan en otras bacterias, nunca  el foto-sistema I y el foto-sistema II juntos. El foto-sistema I , también aquí sirve como medio seductivo y genera NADPH, donde los electrones provienen de moléculas, que los entregan con mayor facilidad  que el agua, por ejemplo, del hidrógeno sulfurado. El foto-sistema II sirve para generar ATP (trifosfato de adenosina, el traductor), mediante la ayuda de la energía eléctrica de los electrones. Ambos foto-sistemas usan energía lumínica: Químicamente, esto no es una gran hazaña – la coloración de todos los pigmentos se basa en, que los electrones son excitados por la radiación de luz, y el grupo de pigmentos, al cual pertenece la clorofila, se encontró tanto en el espacio como también fue elaborado en el laboratorio bajo las condiciones de la tierra primitiva. Las estructuras del foto-sistema I y II se parecen tanto, que se considera como seguro, que ambos se formaron a partir de un antecesor común. La pregunta más emocionante en esta parte es: ¿Cómo llegaron a contactarse con la luz los seres vivientes que sólo pudimos encontrar en las fuentes marinas profundas u en el suelo marino? Una posible respuesta son los procesos geológicos de la tectónica de las placas continentales: El movimiento de las placas de la corteza oceánica movía al suelo marino en dirección de los continentes, con la subducción partes fueron desgastadas y adosados a los continentes. Con esto llegaron a zonas marinas someras, donde les llegaba la luz solar.
 

Para que se pudiera generar la fotosíntesis, tuvieron que juntarse  el foto-sistema I y el II, pero los investigadores aún no saben cómo sucedió esto. Una hipótesis aún muy debatida es la del bioquímico británico John Allen: Él sospecha que alguna vez hubo bacterias, Él sospecha, que alguna vez hubo bacterias, que en ambientes inestables temporalmente generan tanto el foto-sistema I – para el procesamiento de hidrógeno sulfurado y la conformación  de sustancias orgánicas – como también el foto-sistema II – en épocas poco favorables, para formar, mediante la ayuda de electrones, ATP para la sustentación del organismo. A la sazón cuando en la atmósfera aún no existía la capa de ozono, que ofrecía una protección contra la radiación UV, esta radiación era destructiva. Por suerte en los mares originarios había mucho manganeso y este elemento absorbe la radiación UV, con lo cual se libera un electrón. Seres vivientes que absorbían manganeso, estaban mejor protegidos contra los rayos UV; sin embargo los electrones liberados iban a “congestionar” al foto-sistema II. La solución: Si hubiese existido una estructura que habría sido capaz de unir al foto-sistema II con el foto-sistema I por medio de un transporte de electrones, estaríamos casi en la fotosíntesis… Casi, ya que el manganeso como proveedor de electrones debe  ser reemplazado por el agua. Una posible vía 2006 se ha destacado por la elucidación de la estructura del "complejo de producción de oxígeno": En si centro recibe un clúster de manganeso compuesto p0r cuatro átomos. Posiblemente los minerales de manganeso fueron incorporados en el foto-sistema II, y estos pudieron haber – al igual que el actual complejo – desintegrado el agua en el momento cuando, por la acción de la luz, hayan entregado sus electrones y de esta manera “recuperar” sus electrones. Compilado firmemente en un complejo enzimático, este mecanismo se hizo hereditario; y con esto tendríamos un camino plausible hacia la fotosíntesis. Hasta ahora todo esto es una hipótesis, pero muestra que reacciones complejas como la fotosíntesis puede formarse a partir de simples pasos, .o sea, que claramente puede ser explicada con la evolución. 

La fotosíntesis es sin duda la reacción química de la naturaleza, la luz solar es abundante en la Tierra y así la fotosíntesis pronto se convirtió en la vía dominante de cómo en la naturaleza estructurada la materia orgánica. Organismos capaces de efectuar fotosíntesis, algunas bacterias y la mayoría de las plantas, se denominan foto-autótrofos, que junto con las bacterias  quimioautotróficos, forman los productores primarios, la base de todos los otros procesos de la vida. Aún hoy prácticamente la mitad del oxígeno es producido por bacterias (y la otra mitad de la producción se basa esencialmente en "bacterias inmigrantes); y también los combustibles fósiles, que gatillaron la revolución industrial, es energía solar almacenada por la fotosíntesis.

Aún hoy aproximadamente la mitad del oxigeno  atmosférico es producido por bacterias

La fotosíntesis quizás ya fue inventada hace 3,8 mil millones de años, con bastante seguridad ya existía hace 2,7 mil millones de años: La edad de las cianobacterias fósiles y a la sazón comenzó la liberación de oxígeno en el agua de mar. El oxigeno fue la “basura” que se produjo con la fotosíntesis, y cambiaría el mudo. Antes la atmósfera y el agua sólo tenían trazas de oxígeno libre (que, por ejemplo provenía del agua que era degrada por la radiación UV del Sol) y existen indicios bioquímicos, que la vida ya en tiempos prístinos aprendió usar este oxígeno y mediante respiración celular para generar energía. Sin oxígeno los organismos, para la obtención de energía dependían de la fermentación, según la siguiente fórmula:

Fermentación: Glucosa (C6H12O6) → Etanol (2 C2H5OH) + Dióxido de carbono (2 CO2) + Energía (2ATP)

Si se dispone de oxígeno, puede proceder la respiración celular, que es una especie de ”combustión química” de los nutrientes (lo que además explica la razón por la cual en contenido de energía de los nutrientes se expresa en la antigua unidad térmica “caloría”):

Respiración celular: Glucosa (C6H12O6) + Oxígeno (6º2) + Dióxido de carbono (2 CO2) + Agua (6 H2O) + Energía (38 ATP)

Esta respiración químicamente visto esa la inversión de la fotosíntesis; donde finalmente la energía solar, por la fotosíntesis (en la cual se produce ATP) y la respiración celular son transformados en los portadores de energía ATP. Con la respiración celular los organismos disponían casi 20 veces más de energía, que en el caso de la fermentación: 38 ATP en vez< de 2 ATP,  o sea, 19 veces más energía que solo de la combustión de los alimentos. Paras que la vida pudiese aprovechar la respiración celular a gran magnitud, debía acumularse suficiente oxígeno en los mares y en la atmósfera, lo que sucedió hace 2,7 mil millones de años. Entonces, esta ganancia de energía, tuvo consecuencias para la vida en la tierra: Había suficiente energía a disposición, para generar formas de vida más complejas – eucariotas y posteriormente dentro de este grupo organismo multicelulares, cuyo desarrollo sin la energía proveniente del, oxígeno no hubiese sido posible.

Fuente: http://www.oekosystem-erde.de

Traducido del alemán por A. Gundelach con la gentil autorización del biólogo Jürgen Paeger, Diciembre 2012