Composición de la Atmósfera Primitiva
- Dióxido de carbono (CO₂), Monóxido de carbono (CO), Vapor de agua (H₂O), Hidrógeno molecular (H₂), Nitrógeno molecular (N₂)
- También Amoníaco (NH₃), Sulfuro de hidrógeno (H₂S) y Metano (CH₄).
- Probablemente, poco o nada de oxígeno molecular (O₂).
Condiciones para la Evolución de la Vida
Para la evolución de la vida, se necesitaban ciertas condiciones:
- Ausencia de oxígeno libre: El oxígeno molecular (O₂) es muy reactivo y hubiera oxidado las moléculas orgánicas esenciales para la vida.
- Una fuente de energía: Existían fenómenos como el vulcanismo, tormentas eléctricas e intensas radiaciones ultravioleta.
- Sustancias químicas básicas: Agua, gases y otros compuestos inorgánicos y orgánicos para la construcción de moléculas más complejas.
La edad de la Tierra se estima en 4600 millones de años (m.a.), y la aparición de la vida en 800 millones de años.
La materia viva que constituye a los seres vivos se compone de biomoléculas:
- Inorgánicas: Como el agua y las sales minerales.
- Orgánicas: Como glúcidos (carbohidratos), lípidos, prótidos (proteínas) y ácidos nucleicos.
Hipótesis de Oparin y el Experimento de Miller
La Teoría de Oparin sobre las Moléculas Primitivas
En 1922, el científico ruso Alexander Oparin propuso la idea de un periodo de evolución química, donde las moléculas orgánicas se formaron espontáneamente en la Tierra primitiva.
El Experimento de Miller (1950)
En 1950, Stanley Miller, alumno de Oparin, realizó un experimento en el laboratorio para probar la hipótesis de su maestro. Las condiciones simuladas fueron:
- Ausencia de oxígeno libre: Es decir, oxígeno no combinado con otro compuesto.
- Abundancia de elementos: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) combinado con Nitrógeno (N).
Descripción del Experimento de Miller
Miller hizo pasar descargas eléctricas a través de una mezcla de gases que simulaba la atmósfera primitiva. En un recipiente con agua, representó el océano primitivo. Miller logró recuperar aminoácidos. Posteriormente, al realizar un cambio en la atmósfera simulada, obtuvo cuatro clases de macromoléculas orgánicas.
Se estima que hace 3000 millones de años (m.a.) se produjo la formación de las primeras moléculas complejas. El experimento de Miller, aunque fundamental, no es universalmente «aprobado» en cuanto a la exactitud de las condiciones atmosféricas primitivas, pero sí demostró la posibilidad de síntesis abiótica.
Hipótesis de Oparin y el Experimento de Miller
La Teoría de Oparin sobre las Moléculas Primitivas
En 1922, el científico ruso Alexander Oparin propuso la idea de un periodo de evolución química, donde las moléculas orgánicas se formaron espontáneamente en la Tierra primitiva.
El Experimento de Miller (1950)
En 1950, Stanley Miller, alumno de Oparin, realizó un experimento en el laboratorio para probar la hipótesis de su maestro. Las condiciones simuladas fueron:
- Ausencia de oxígeno libre: Es decir, oxígeno no combinado con otro compuesto.
- Abundancia de elementos: Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O) combinado con Nitrógeno (N).
Descripción del Experimento de Miller
Miller hizo pasar descargas eléctricas a través de una mezcla de gases que simulaba la atmósfera primitiva. En un recipiente con agua, representó el océano primitivo. Miller logró recuperar aminoácidos. Posteriormente, al realizar un cambio en la atmósfera simulada, obtuvo cuatro clases de macromoléculas orgánicas.
Se estima que hace 3000 millones de años (m.a.) se produjo la formación de las primeras moléculas complejas. El experimento de Miller, aunque fundamental, no es universalmente «aprobado» en cuanto a la exactitud de las condiciones atmosféricas primitivas, pero sí demostró la posibilidad de síntesis abiótica.
Polimerización y el Caldo Primordial
La polimerización es la unión de moléculas pequeñas (monómeros) para formar otras más grandes (polímeros). Este proceso fue crucial en la atmósfera primitiva, facilitado por la ausencia de oxígeno. Las moléculas resultantes, como proteínas, glúcidos y ácidos nucleicos, se acumularon en lo que se conoce como el «caldo de cultivo primitivo» o «caldo primordial».
Reproducción Molecular y el Mundo del ARN
El ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico) contienen la información necesaria para la síntesis de proteínas. Además, los ácidos nucleicos son las únicas moléculas capaces de hacer copias de sí mismas.
En un escenario primitivo, el ARN pudo haber tenido un papel central. El ARN podía separarse o sintetizar moléculas de ARN. Se postula que el ARN era capaz de hacer copias de sí mismo, y que posteriormente, estas copias pudieron transformarse en ADN de doble hélice. El ARN, al ser una molécula monocatenaria, es más reactivo. En contraste, el ADN evolucionó para almacenar la información genética de manera más estable, mientras que el ARN se especializó en la transferencia de esta información.
El Surgimiento de los Procariotas
Primeras Formas de Vida Celular
Según las teorías, la unidad más primitiva necesaria para la transcripción y traducción genética pudo haber sido el antepasado común de todos los organismos, un concepto explorado por científicos como Carl Woese. Así surgieron las primeras células procariotas, estructuras celulares simples.
Experimentos han demostrado que al agitar agua con proteínas y lípidos, se pueden obtener microesferas con propiedades similares a las células. Oparin, por ejemplo, propuso la formación de protobiontes, específicamente coacervados, a partir de proteínas y polisacáridos.
El estudio de fósiles indica que las primeras células aparecieron hace aproximadamente 3500 millones de años (m.a.). Estas eran procariotas, obtenían su alimento del caldo primitivo y eran anaeróbicas, ya que aún no había oxígeno libre en la atmósfera.
La Revolución de la Fotosíntesis
Las primeras células procariotas evolucionaron a través de mutaciones, desarrollando la capacidad de absorber energía solar. Así apareció la fotosíntesis. Hay varios tipos, como las cianobacterias, que realizaban la fotosíntesis, convirtiendo el agua y el CO₂ en compuestos orgánicos y liberando oxígeno a la atmósfera como producto de desecho. Este proceso comenzó hace unos 3100 m.a. Las bacterias heterótrofas y fotótrofas formaban colonias.
La Aparición de los Organismos Aerobios y la Oxigenación de la Tierra
Hace aproximadamente 2000 millones de años (m.a.), el oxígeno liberado por las cianobacterias comenzó a acumularse en la atmósfera. Este oxígeno era tóxico para muchos organismos anaerobios. Algunos desarrollaron mecanismos para evitar su entrada, mientras que otros se adaptaron a vivir con oxígeno, aprovechándolo para extraer más energía de los alimentos. Se pensaba que las células eucariotas evolucionaron a partir de células que eran pequeñas.
Las consecuencias de la oxigenación atmosférica fueron profundas:
- Los organismos que utilizaban oxígeno (aerobios) obtenían mucha más energía de la glucosa que los anaerobios por fermentación, siendo mucho más eficientes.
- El oxígeno liberado a la atmósfera se volvió tóxico para los organismos anaerobios, lo que llevó a su declive o a la adaptación a nichos sin oxígeno.
- Se estabilizaron los ciclos del oxígeno y del dióxido de carbono, lo que permitió la circulación de carbono en diversas áreas.
- Comenzó a formarse la capa de ozono (O₃), que se acumuló en la atmósfera superior e impidió que las radiaciones ultravioleta (UV) dañinas del sol llegaran directamente a la superficie terrestre, abriendo el camino para la vida en tierra firme.
Origen de los Eucariotas: La Teoría de la Endosimbiosis
En 1980, se propuso la influyente Teoría de la Endosimbiosis, que explica el origen de orgánulos clave como las mitocondrias y los cloroplastos.
Mecanismo de la Endosimbiosis
Esta teoría postula que una célula procariota más grande engulló a una célula procariota más pequeña. La célula más pequeña, en lugar de ser digerida, estableció una relación simbiótica dentro de la célula huésped, formando una doble membrana alrededor de sí misma. En este proceso, la célula huésped (el organismo grande) obtuvo una ventaja, como un exceso de ATP (energía) producido por una «promitocondria» (una bacteria aerobia) o la capacidad de fotosíntesis por un «protocloroplasto» (una cianobacteria).
Interdependencia y Otros Orgánulos
- Las células heterótrofas eucariotas no podrían sobrevivir sin mitocondrias.
- Los eucariotas fotosintéticos no sobrevivirían sin cloroplastos.
- La relación endosimbiótica es crucial para la supervivencia de la célula huésped y del endosimbionte.
También se ha sugerido que otros orgánulos, como los cilios y flagelos, podrían haberse originado de la simbiosis de un eucariota primitivo con espiroquetas. Se cree que la presencia del núcleo, una membrana que rodea el ADN, fue un factor determinante en la aparición de las células eucariotas.