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Origen y evolución temprana de la vida

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Origen y evolución temprana de la vida

  1. 1. ORIGEN Y EVOLUCIÓN TEMPRANA DE LA VIDADr. Arturo Becerra Bracho, Laboratorio de Microbiología en la Facultad de Ciencias, UNAM. Si bien, muchos autores han colocado al problema del origen de la vida como una de las preguntasmás antiguas y generalizadas en la historia de la humanidad, cabe la pena señalar que no es hasta hace dossiglos, que el hombre cuenta con la intención y las herramientas conceptuales para abordar directamente elproblema del origen de la vida. Antes de esto, es claro que la mayoría de las culturas más relevantes a lo largode la historia, estuvieron inmersas en el problema, pero éste se planteaba como un asunto axiológico quepretendía dar identidad y solucionar los problemas existenciales de la comuna y no como un problema en elcual es necesario explicar las diferentes etapas y procesos que intervinieron en el inicio de la vida, así comosu evolución. Existen importantes antecedentes históricos que sugieren a la generación espontánea como una de lasprimeras teorías que explicaron el origen de la vida, pero esta más que una explicación fue una relación de unmecanismo que establecía el incremento en el número de especies (en el mejor de los casos) y no comomecanismo que explicara el inicio de la vida. No es hasta que aparece el trabajo “Filosofía Zoológica” de J.B.de Lamarck, donde se utiliza a la generación espontánea como un mecanismo que incrementa el número deespecies, pero ya dentro de una teoría evolutiva donde toma un lugar importante en el inicio del procesoevolutivo, ya que conformaba el primer peldaño de la escala zoológica (evolutiva). Bajo este tenor, es cómola generación espontánea comienza a ser considerada como una explicación per se sobre el origen de la vida.Sin embargo, poco duró esta postura, ya que años más tarde, Luis Pasteur (en 1860), con la intención dedemostrar que la generación espontánea no existe (y por ende desechar las teorías evolutivas, ya que en aquelmomento formaba parte de ellas); desarrolla los célebres experimentos con matraces de cuello de cisne, conlo cual como el mismo lo dijo, la generación espontánea recibiría un golpe del cual nunca podría levantarse. Por lo tanto no es hasta 1924 cuando el libro “ Proiskhozhdenie zhiny” (el origen de la vida)transforma el problema del origen de la vida, llevándolo de una serie de discusiones especulativas a un objetode investigación que posee una metodología con la cual se puede trabajar. Oparin propone que los primerosorganismos fueron generados a partir de precursores orgánicos: “en lo fundamental, todos los animales, lasplantas y los microbios están constituidos por las denominadas sustancias orgánicas. La vida sin ellas esinexplicable. Por lo tanto, la primera etapa del origen de la vida tuvo que ser la formación de esas sustancias,el surgimiento del material básico que después habría de servir para la formación de todos los seres vivos”(Oparin, 1938). Después de discutir el origen geocósmico de la Tierra y como los primeros compuestosorgánicos y las sustancias que formaron los geles coloidales podrían estar presentes en la tierra primitiva,Oparin aclara que el metabolismo (en el sentido amplio de la palabra) es lo que distingue lo vivo de lo novivo. Para Oparin los primeros organismos no pudieron ser organismos fotosintéticos que prosperaron en unaatmósfera de CO2 y luz solar, sino organismos anaerobios fermentativos. Basado en observacionesastronómicas y la síntesis de hidrocarbonos de Mendeleyev, concluye que las primeras formas de vidasurgieron de procesos que iniciaron en la síntesis abiótica de compuestos orgánicos y de la formación de lasopa primitiva (Lazcano, 1996). Si bien, parte de las ideas originales de Oparin, han sido superadas, su hipótesis sobre la emergenciade los primeros sistemas vivos sigue siendo aceptada y es el eje central de las nuevas hipótesis. Diferentesversiones sobre un origen heterotrófico se han propuesto a partir de la de Oparin, pero todas ellas estánbasadas en la idea de que la síntesis abiótica de moléculas orgánicas fue necesaria para el origen de la vida(tabla 1). 1
  2. 2. Tabla 1. Hipótesis contemporáneas sobre el origen de la vida (tomada de Lazcano 1996)1. Origen heterótrofoOparin (1924, 1938) Evolución química y precelular. (heterótrofos – anaeróbios)Corliss et al (1981) heterótrofos hipertemofílicos , en ventilas submarinasGilbert (1986) Mundo del RNAKauffman (1993) Teoría de la complejidad y auto- organizaciónDe Duve (1991) El mundo de tioester2. Origen autotrofico y fijación de CO2Wächtershuäser (1988) metabolismo quimioautotrofico basado en pirita Una clasificación de las teorías contemporáneas sobre el origen de la vida se pueden observar demanera más detallada en la figura 1 (Davis, 1996). Esta clasificación se divide en dos grandes grupos,aquellas que proponen un origen extraterrestre de la vida y las más numerosas aquellas que proponen unorigen terrestre. El concepto de panspermia fue sugerido por vez primera en 1908 por Arrhenius. Él especulaba quelas esporas provenientes de otros sistemas planetarios, fueron las semillas que al llegar a la Tierra dieronorigen a la vida en nuestro planeta. Recientes versiones de la teoría de panspermia sugieren que la vidaexistió en otro espacio y fue transportada a la superficie planetaria por meteoritos, asteroides o cometas(Irvine et al, 1980). Otras alternativas sugieren que dicho transporte se dio dentro de nuestro sistema solar(Marte), ya que esto salvaría los largos periodos de transporte en el espacio interestelar. Estas teorías poralguna razón sugieren que el origen de la vida fue más fácil en otros planetas que en nuestro sistema solar,sin embargo, no explican como se originó en los planetas de origen. Los ejemplos anteriores son teorías de panspermia al azar ya que existen otras propuestas (sinevidencia alguna) de que la vida fue colocada en el espacio deliberadamente con el objeto de contaminaciónde otros planetas, estas ideas serían catalogadas como panspermia directa. Sin embargo las hipótesis de 2
  3. 3. panspermia, enfrentan una serie de problemas que son sumamente complicados de resolver (por ejemplo lasobre vivencia de los organismos en su transporte), pero sobre todo, aunque aceptáramos esta propuesta comoun mecanismo plausible, existe una circunstancia, por la cual no creo que deba ser considerada como unaalternativa seria a este problema, y esto es que la panspermia no resuelve el problema del origen de la vida ynos lleva al terreno de la especulación, ya que por el momento no tenemos evidencia alguna que nos permitasuponer que existió este fenómeno. Cabe mencionar que los meteoritos de origen marciano encontrados en laTierra, así como las posibilidades de que existieran condiciones para el surgimiento de la vida en Marte, handado nuevos adeptos a estas teorías. Las teorías que asumen que la vida fue originada en la Tierra, sugieren que ésta se originó hace másde 3.6 x 109 años. Las teorías para un origen en arcillas, proponen que los primeros organismos fueroninorgánicos y evolucionaron de compuestos de cristales arcillosos (Cairns-Smith, 1965). Por medio deprocesos de selección natural los compuestos arcillosos fueron incrementándose en complejidad ysofisticación bioquímica, donde los cristales de arcilla debieron funcionar como los primeros materiales deinformación genética (gen primitivo) que fueron ensamblando moléculas orgánicas en sistemas replicativos.Para esta teoría la evolución debió desarrollar sistemas orgánicos que fueron obviando la necesidad de lasarcillas. Independientemente de los problemas que presenta esta teoría, se ha encontrado que las arcillaspueden catalizar oligómeros de RNA, sin embargo, este resultado no es una evidencia por si mismo a lateoría, y sí una línea de investigación para la polimerización de macromoléculas. La mayoría de las teorías para el origen de la vida en la tierra, supone un origen orgánico. Estasteorías pueden ordenar, según la fuente orgánica de energía, los heterótrofos y los autótrofos que tendríancomo fuentes de energía un proceso inorgánico, los fototróficos, y quimiotróficos. El material orgánico pudoser producido en la superficie de la Tierra primitiva en una atmósfera reductora, este hecho ha sidocomprobado por los experimentos de Miller. Sin embargo, trabajos recientes han puesto en duda que laatmósfera primitiva fuera altamente reductora (Kasting, 1993), lo cual disminuye radicalmente la obtenciónde compuestos orgánicos, por lo que una alternativa es que gran parte de estos compuestos sean de origenextraterrestre, por medio de meteoritos y cometas (Chyba y Sagan 1992). De cualquier manera el origenexógeno o endógeno de los compuestos orgánicos no modifica radicalmente la teoría, aunque para variosautores este hecho separa radicalmente las hipótesis (Orgel, 1998). El hecho es que tanto los experimentos dequímica prebiótica como los compuestos encontrados en meteoritos han demostrado la producción demoléculas orgánicas esenciales para el origen de la vida, en la Tierra primitiva. Esto genera el primer paso dela teoría “estándar de la vida” (basada en Oparin), la evolución química, de la cual habría que explicar el pasode la sopa primitiva al origen de sistemas autoreplicativos, donde el “mundo de RNA” tiene un papel central,que a su vez seria antesala a la aparición de la síntesis de proteínas y los organismos DNA/proteínas. Diferentes trabajos han sugerido un origen quimiotrófico de la vida a partir de ambienteshidrotermales o geotermales (Corliss, 1981; Wächtershäuser, 1990) estos organismos utilizarían la energíaque se produce de la reacción: 4H2 + CO2 CH4 +2H2O + ΔE FeS +H2S FeS2 + H2 (Wächtershäuser) Organismos análogos a los antes mencionados, estarían representados por arqueobacterias y variosmicroorganismos que metabolizan azufre o son metanógenas. Estas teorías requieren de fuentes hidrotermalespara reducción de gases como H2S y como fuente de energía química (redox) para la biogénesis. Una fuente de energía alterna para las etapas tempranas de la vida, fue sugerida por Woese (1979),donde sugiere que las primeras formas de vida eran fotosintéticas en una Tierra que poseía una densaatmósfera de CO2 y agua. La fuente de energía primaria para la síntesis prebiótica debió ser la radiación solar, 3
  4. 4. estos primeros organismos desarrollarían la habilidad de fotosintetizar produciendo su energía a partir demateriales presentes en su ambiente. Sin embargo, esta teoría enfrenta una serie de problemas, comojustamente la radiación solar, la densidad de la atmósfera y las fuentes de agua en la Tierra primitiva, además,implica una hipótesis nada parsimoniosa en términos evolutivos. 4

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