CICLO DE FORMACIÓN BÁSICA

MODULO 1 EL BIG BANG & EL ORIGEN DE TODO

BIOFISICA BIOLOGIA BIOQUÍMICA

2013

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CAPITULO I: El Origen del Universo CONTENIDOS: 1. INTRODUCCIÓN 2. ¿QUE HUBO ANTES DEL BIG-BANG? 

Antes del comienzo no había nada



Los Científicos intentan explicar el Origen del Universo



Una de las explicaciones: La teoría del Big Bang



El Big-Bang: La Explosión



Línea de Tiempo del Big– Bang

3. LA NATURALEZA DEL MUNDO 

La Formación del Sistema Solar



La Formación del Sol



La Formación de los Planetas

4. EVOLUCIÖN QUÍMICA 

Evidencia del Origen Común de los Elementos

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Abundancia de los Isótopos

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La Formación de los Núcleos de Hidrógeno y Helio

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La Radiación Cósmica de Fondo

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Génesis Química en una Estrella

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La síntesis del Carbono al Hierro

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La Tierra y su Composición Química

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El origen de la Corteza Terrestre

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Estructura Interna de la Tierra

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1. INTRODUCCIÓN La teoría del BIG-BANG “Todo el espacio estaba concentrado, y se produjo una explosión del mismo espacio” Hace unos años, los medios de comunicación informaron sobre un importante descubrimiento relativo a la teoría del ``Big Bang''. Durante un breve tiempo se publicaron artículos que, con éxito dispar, intentaban echar algo de luz sobre el tema. Pocas veces se expuso claramente qué fue lo que se descubrió. Comencemos entonces por el final. En 1989 la NASA puso en órbita un satélite, el COBE (Cosmic Background Explorer) para tratar de medir irregularidades en la ``radiación de fondo''. Esta radiación (también llamada ``radiación de 3 grados Kelvin'' o ``Eco del Big Bang'') no es más que ondas de radio que vienen de todas direcciones y es conocida desde 1965, año en que fue detectada por primera vez con un receptor de microondas. Así como el detective verifica la identidad de un individuo comparando sus huellas digitales, las irregularidades en la radiación de fondo brindan al astrónomo datos sobre la historia primitiva del Universo; específicamente sobre la época en que comenzaron a formarse las galaxias. Como estas irregularidades son muy pequeñas, no había sido posible medirlas desde la Tierra debido a la atmósfera y a las interferencias, por eso la NASA envió un satélite para detectarlas desde el espacio. Podemos ahora preguntarnos qué tiene que ver todo esto con el Big Bang. Después de haber elaborado la teoría de la Relatividad General, Einstein se propuso utilizarla para tratar de entender cómo era el Cosmos. Sus cálculos indicaban que el Universo no podía ser estable: debía estar expandiéndose o colapsando. Como Einstein creía que el Universo era estable, propuso la existencia de una fuerza opuesta a la gravedad que permitiría que el Universo fuera estacionario. Por su parte el físico y matemático Alexander Friedmann siguió trabajando en el camino correcto, aceptando las consecuencias de la Relatividad General y elaboró, ya en 1922, modelos que describían al Universo en expansión. La visión que teníamos del cosmos hacia principios de siglo nos ubicaba formando parte de un sistema achatado que contenía todas las estrellas.

En 1924 el astrónomo Edwin Hubble descubrió que ciertos objetos astronómicos conocidos entonces como ``nebulosas espirales'' eran en realidad otras galaxias (en aquella época se usaba el término ``universos islas'') constituidas cada una por miles de millones de estrellas y que se encontraban a enormes distancias. Durante los años siguientes se dedicó a medir sus distancias y velocidades y descubrió que las galaxias se estaban alejando unas de otras: en otras palabras,

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descubrió que el Universo estaba en expansión (paradójicamente los trabajos de Friedmann no fueron conocidos en occidente hasta 1935). Habiendo descubierto que el Cosmos se estaba expandiendo, los astrónomos se preguntaron entonces cómo comenzó esta expansión. La misma física que hoy nos permite entender por qué brillan las estrellas, cómo fue el origen del hombre o por qué no hay aire en la Luna, indicaba que el Universo debió tener un comienzo muy caliente y que parte de ese calor inicial podría detectarse aún ahora en la banda de las microondas. Arno Penzias y Robert Wilson lo detectaron por primera vez en 1965, lo que les valió el premio Nobel. ¿Comenzó realmente a existir el Cosmos con una ``Gran Explosión’’? Las traducciones al lenguaje cotidiano de las teorías científicas son poco fidedignas. Decir ``todo empezó con una gran explosión'' no es muy distinto de decir ``todo vino de un gran huevo cósmico'' o cualquier cosa por el estilo. Cuando nos cuentan una historia así, sólo podemos creer que es verdadera o creer que es falsa (pero no saberlo). Pero las teorías científicas no son verdaderas ni falsas, sino que se ajustan bien o no a los fenómenos observados. Las que no se ajustan a los hechos son descartadas. Las que sí lo hacen, sirven hasta tanto se realice una observación discrepante. En tal caso deberemos elaborar una nueva teoría que esté de acuerdo con la realidad y habremos aprendido algo nuevo sobre el mundo que nos rodea. TEORIAS SOBRE ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO* 1- Cosmología física 2 -Cosmología alternativa 1- cosmología física: incluye aquellas teorías, modelos o ideas cosmológicas que forman el modelo actual de cosmología. Dicho modelo surge del estudio de la cosmología por parte de la física y la astronomía, ciencias que está íntimamente relacionadas: la evidencia experimental que entregan las observaciones astronómicas sirven de base para los modelos teóricos que elaboran los físicos. Las piedras angulares sobre las que se basa la cosmología moderna son: El descubrimiento de la Ley de Hubble, que describe la expansión del universo. El descubrimiento de la Teoría de la Relatividad General. A partir de la primera surgió la Teoría del Big Bang o "de la Gran Explosión" como origen del universo, mientras que la segunda es necesaria para describir físicamente al universo a gran escala. 2- Cosmología alternativa: incluye aquellas teorías, modelos o ideas cosmológicas que contradicen el modelo estándar de cosmología. Podemos clasificarla en tres grandes grupos: Cosmología física alternativa  Cosmología del plasma  Teoría del Estado Estacionario Cosmología filosófica  Filosofía Presocrática  Principio Atrópico Cosmología religiosa  Creacionismo  Diseño inteligente o Neocreacionismo  Cosmogonía

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2. ¿QUÉ HUBO ANTES DEL BIG-BANG? Antes del comienzo, no había nada. Nuestro bello pero complicado Universo probablemente se generó no sólo desde la nada, sino también desde ningún sitio. Antes del comienzo no había nada, ni siquiera tiempo y espacio. El primero, no es una corriente que fluya eternamente, desde siempre en el pasado hasta siempre en el futuro. Su transcurrir está íntimamente ligado al espacio y, por tanto, a la materia y a la gravedad. Por eso, no podemos hablar de qué ocurrió antes del Big-Bang, ya que el propio tiempo no existía. Ahora, como es obvio, antes de que hubiera espacio, nada podía existir porque no había ningún lugar donde pudiera estar. ¡No! No hubo un «antes» del Big-Bang porque el tiempo no existía. La mayoría de los físicos teóricos creen que el espacio y el tiempo están íntimamente ligados, de forma que no pueden existir el uno sin el otro. Así, sólo cuando el tiempo empezó a transcurrir, el espacio pudo iniciar su expansión, y viceversa. En esta etapa, el Universo es extraordinariamente simple: no existe ni materia, ni energía. Tan sólo un miserable e ínfimo espacio vacío. Su tamaño es millones de veces más pequeño que el de un átomo: si viajáramos en línea recta por él, volveríamos al punto de partida tras recorrer apenas 10-20 cm. La ciencia no puede responder a la pregunta de por qué nació el Universo ni por qué la «nada» original no se quedó como estaba. Tan sólo filósofos y teólogos ofrecen posibles respuestas, aunque probablemente nunca puedan ser comprobadas ni desmentidas. Todo lo que sabemos es que algo sucedió. Los científicos intentan explicar el Origen del Universo a través de diferentes teorías. Las Teorías más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan. En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang,

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cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos. Cálculos más recientes indican que el Hidrógeno y el Helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el Helio y el Hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble. Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 Kelvin (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang. Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer). Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. La Teoría Inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Esta teoría, de Alan Guth intenta explicar los primeros instantes del Universo. Se basa en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro. Supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos (interacciones nucleares fuertes, interacciones nucleares débiles, electromagnetismo y gravitación), produciendo el origen al Universo. El empuje inicial duró un tiempo prácticamente inapreciable, pero fue tan violenta que, a pesar de que la atracción de la gravedad frena las galaxias, el Universo todavía crece. Un Agujero Negro es un hipotético cuerpo celeste con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la radiación electromagnética puede escapar de su proximidad. El cuerpo está rodeado por una frontera esférica, llamada horizonte de sucesos, a través de la cual la luz puede entrar, pero no puede salir, por lo que parece ser completamente negro.

Incorrecto: el espacio es estático y las galaxias se expanden en él.

Correcto: el espacio es dinámico y las galaxias se expanden con él.

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El universo alcanzó una temperatura de unos 100 mil millones de grados Celsius. En tales condiciones, ni siquiera existirían los átomos como los ha definido la química. Al explotar, la energía fue transformándose lentamente en materia, mientras se alejaba en todas direcciones. En este instante nacían el tiempo y el espacio. FUERZAS E INTERACCIONES Se ha podido verificar experimentalmente que en la naturaleza existen cuatro tipos de fuerzas: la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares débil y fuerte. La teoría cuántica describe estas fuerzas a través del intercambio de una partícula portadora de esa interacción: 1 - GRAVEDAD La gravedad es la más débil de las cuatro y la única que sólo actúa en un sentido. Los científicos especulan sobre si existe la complementaria. Esta depende de la masa de los objetos y de la distancia que los separa. Cuanta más masa tienen y más cerca están, mayor es la fuerza. Cuando se separan el doble la fuerza se reduce a un cuarto. Actúa como si toda la masa de un cuerpo se concentrase en un único punto, el centro de gravedad. La zona esférica alrededor de un cuerpo donde actúa su gravedad es el campo gravitacional. La ley de la gravitación universal fue formulada por el físico británico Isaac Newton en el año 1684. 2 - ELECTROMAGNETISMO El origen de los fenómenos electromagnéticos es la CARGA ELÉCTRICA: una propiedad de las partículas elementales que las hace atraer (si tienen signos opuestos) o repeler (si tienen signos iguales). El Campo Eléctrico es una manera de representar la fuerza que sentiría una carga cercana a otra carga. Cargas en movimiento producen la corriente eléctrica. La corriente eléctrica genera campos magnéticos. Cargas aceleradas producen ondas electromagnéticas. 3 - LA FUERZA NUCLEAR DÉBIL Para entender la fuerza nuclear débil se debe tener en cuenta los siguientes hechos: Los núcleos atómicos están hechos de protones (constituidos por tres quark, 2 tipo U y 1 tipo D) y neutrones (constituidos por tres quark s 1 de tipo U y 2 tipo D) Un protón se puede convertir en un neutrón, ¿Cómo puede ocurrir esto?.Basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D. Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil. Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino. 4 - LA FUERZA NUCLEAR FUERTE: Para entender la naturaleza de la fuerza nuclear fuerte, considere los siguientes hechos: -Los núcleos atómicos están hechos de protones (CARGA ELECTRICA POSITIVA) y neutrones (no tienen carga eléctrica). -Dentro del núcleo los protones sienten una fuerza grandísima de repulsión debido a que las cargas eléctricas iguales se repelen. La razón por la cual las cargas eléctricas dentro de un núcleo atómico no salen volando es que existe la fuerza nuclear fuerte que hace que los protones y los neutrones en el núcleo se atraigan. -La intensidad de esta fuerza es evidentemente mayor que la fuerza electromagnética. Sin embargo, existe una gran diferencia entre estas dos. La fuerza nuclear fuerte sólo puede actuar a distancias muy cortas (por ejemplo el radio de un núcleo), mientras que la interacción electromagnética tiene una distancia de acción infinita.

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Una de las explicaciones: LA TEORIA DEL BIG-BANG El Universo se originó hace 15 mil millones de años en una gran explosión del espacio. Toda la energía existente en el Universo estaba concentrada en un punto más pequeño que un átomo. La temperatura era muy alta y por esta razón no existía la materia como la conocemos hoy. Después de la explosión, el espacio se expande y se enfría permitiendo la formación de átomos, estrellas, galaxias, y planetas a partir de partículas elementales. El Universo NO se expande en un espacio preexistente. Es el espacio mismo el que está en expansión. El Big Bang, literalmente gran estallido, constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia, hasta ese momento, es un punto de densidad infinita, que en un momento dado "explota" generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo. Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio expandiendo su superficie. Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.

Línea del Tiempo del Big Bang Al momento del Big Bang, toda la materia en el Universo estaba condensada en un solo punto. No sabemos más que eso, solo que mirando lo que hoy ocurre en el Universo y el mundo de las partículas fundamentales los científicos han imaginado la evolución del Universo a partir de una época inconcebiblemente corta de apenas 10-43 segundos (que es una coma seguida por 43 ceros ) después del Big Bang. 10-43 segundos. Fuerzas no diferenciadas En ese punto en el tiempo, las cosas sucedieron muy rápidamente. Cuando el Universo tenía la edad de 10-43 segundos las fuerzas de la naturaleza eran indistinguibles. Las partículas de la materia y de la antimateria existieron en porciones iguales.

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Se aniquilaban y reformaban constantemente para producir radiación. La materia estaba tan densamente comprimida que la luz no podría viajar muy lejos, por lo que el Universo era opaco. Precisamente antes de este momento, los físicos piensan que el Universo se expandió en una forma inconmensurable. Este período, también llamado Inflación Cósmica, es necesario en la teoría del Big Bang, para explicar la escala uniformemente ampliada que tiene el Universo de hoy. 10-34 segundos. Sopa de Partículas Elementales Durante la siguiente fase de la existencia del Universo, hasta aproximadamente 10-34 segundos después del Big Bang,

aparecieron dos tipos

diferentes de fuerzas: 1) La potente fuerza que mantenía próximas a las partículas llamadas quarks

(para luego formar

neutrones y electrones). 2) Otra fuerza menor, electromagnética. Sin embargo, los protones y neutrones no comenzaron a formarse todavía, porque cualquier agrupamiento de quarks era rápidamente destruido por la alta energía irradiada. La materia era una especie de sopa cósmica de alta densidad llamada Quark Gluon Plasma, QGP. Para comprender completamente esta fase del origen del Universo, los físicos recrearon el QGP en el laboratorio. Las partículas W y Z (transportadoras de la fuerza más débil) eran tan abundantes como los fotones (transportadores de las fuerzas electromagnéticas). Ambas se comportaban de la misma manera. También en este momento, una pequeña partícula de materia (sobreviviente de la guerra materia/ antimateria) comenzó a desarrollarse. Esa partícula sobreviviente, ha permitido la existencia del Universo que hoy conocemos. El mecanismo preciso por el cual una partícula sobrevivió a la destrucción, es pobremente comprendido. 10-10 segundos. Se forman protones y neutrones Entre 10-34 segundos y 10-10 segundos, se separaron las fuerzas electromagné-ticas y las fuerzas débiles. Ya no hubo energía suficiente como para producir partículas W y Z, y la que restaba iba decayendo. La energía de las radiaciones había caído lo suficiente como para permitir que los

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protones y los neutrones formen partículas de corta vida llamada Mesones hechos de quarks y antiquarks. La antimateria comienza a desaparecer porque cuando los quarks fueron aniquilados con los antiquarks, no hubo energía radiante suficiente como para recrearlos. Experimentos con partículas físicas han comenzado a probar estas hipótesis. 10-5 segundos Hasta los 10-5 segundos continuó la “construcción” de los protones La antimateria remanente (bajo la forma de positrones) desapareció a medida que la densidad de energía radiante caía por debajo del nivel necesario para crear pares de electrones-positrones. Sin antimateria en el Universo más que unas pocas partículas encerradas en los mesones, lo que restaba era una pequeña partícula sobreviviente, reflejando la preferencia de la naturaleza por la materia.

3 minutos. Aparecen los primeros Núcleos Después de esto, las cosas comenzaron a frenarse. Hasta aproximada-mente tres minutos, los protones y neutrones

comenzaron a fusionarse en núcleos

atómicos livianos. Aparecen entonces el Deuterio (Hidrogeno pesado), el Helio y pequeñas cantidades de Litio. El Universo era como un reactor termonuclear gigante hasta que alrededor de tres minutos, las reacciones se detuvieron, dejando al Universo compuesto por Hidrógeno, Deuterio y pequeñas cantidades de Litio. Aun hoy el Universo esta hecho en un 75% de Hidrógeno, y un 25% de Helio, con solo algunos vestigios de elementos más pesados “cocinados en las estrellas”.

300.000 años. Átomos. Universo transparente. Durante los próximos 300,000 años, el Universo se volvió transparente porque los fotones una vez generados, no interactuaban entre sí. Los electrones fueron capturados por Deuterio, Hidrogeno y Litio formando los primeros átomos.

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1.000 millones de años. Gérmenes de galaxias La Formación de las Galaxias tomo 1000 millones de años, a medida que la materia comenzó a agruparse en una forma que aún no se conoce. La Fuerza de Gravedad livianos

para

formar

“tironeó” de los elementos las

estrellas,

las

cuales

encendieron y “cocinaron” (cooking up) elementos más pesados como el Hierro. Algunas estrellas al fin de sus vidas, explotaron en supernovas espectacular-es, generando elementos más pesados como el oro, dispersándolos por todo el Universo. Estos elementos comenzaron a juntarse formando los planetas. Comenzaron a formarse las moléculas y los procesos químicos. 15.000 millones de años. Aparición del Hombre Finalmente, después de 15.000 millones de años, gente emergió en uno de aquellos

planetas y comenzaron a

contemplar el Universo a su alrededor, tratando de explicarse la historia que nos llevó a estar aquí.

Etapas de la Evolución Big Bang

Densidad infinita, volumen cero.

10

-43

segs.

Fuerzas no diferenciadas

10

-34

segs.

Sopa de partículas elementales

10-10 segs.

Se forman protones y neutrones

1 seg.

10.000.000.000 º. Tamaño Sol

3 minutos

1.000.000.000 º. Núcleos

30 minutos

300.000.000 º. Plasma

300.000

Átomos. Universo transparente

años 106 años

Gérmenes de galaxias

108 años

Primeras galaxias

109 años

Estrellas. El resto, se enfría.

5x109 años

Formación de la Vía Láctea

1010 años

Sistema Solar y Tierra

¿Qué es la Teoría del Big Bang? La teoría del Big Bang explica la expansión del Universo, la existencia de un pasado denso y caliente, el origen de los elementos químicos primordiales y la formación de los objetos astronómicos que se observan en la esfera celeste (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc.). Esta teoría se basa en la Relatividad General de Einstein y en combinación con las predicciones de la física nuclear y la física de partículas e interacciones constituye el Modelo estándar de la cosmología moderna. La cosmología del Big Bang es consistente con las observaciones que se han realizado. El Big Bang explica la evolución del universo a partir del primer segundo, pero no explica cómo se generó el universo ni qué ocurrió antes del primer segundo. Existen varias hipótesis sobre este evento, entre las cuales el Modelo de Inflación es de interés ya que resuelve algunas dificultades teóricas inherentes en la teoría del Big Bang. Mientras que el Big Bang goza de un sólido soporte en observaciones, el modelo de inflación requiere mayor evidencia observacional para ser aceptado definitivamente.

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3. LA NATURALEZA DEL MUNDO En las condiciones tan extremas que reinaban en el inicio del Universo no podemos aplicar las leyes cotidianas de la física. Ni siquiera la teoría de la gravitación de Einstein que se ha usado para describir la topología global del Universo es adecuada. En esos momentos iniciales, el comportamiento del Universo estaba dominado por la Física de Partículas y especialmente por la Teoría Cuántica de Campos. Por este motivo, si queremos entender cómo, a partir de esa etapa de sencillez máxima, el Universo aumentó su complejidad permitiendo la aparición de estructuras como las galaxias, los planetas y los seres vivos, merece la pena que empleemos unos instantes en resumir lo que la física de partículas tiene que decirnos sobre la naturaleza de las cosas. Todo lo que compone el Universo está formado por partículas inconcebiblemente pequeñas. La enorme complejidad que nos envuelve es en realidad el resultado de la combinación e interacción de unos pocos constituyentes fundamentales. Nuestros cuerpos están formados por diminutas moléculas que se hallan a su vez compuestas de unas minúsculas partículas a las que conocemos como átomos (del griego 'átomo', indivisible).

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El químico británico John Dalton postuló en el siglo XIX que todas las sustancias químicas podían explicarse a partir de la combinación en proporciones sencillas de 26 átomos distintos e indivisibles. Fue el nacimiento de la química moderna. A las sustancias que están formadas por un único tipo de átomo se las conoce como elementos. Este es el caso por ejemplo del oro. La formación del Sistema Solar El Sistema Solar está integrado por el Sol en torno del cual orbitan nueve planetas y una infinidad de cuerpos menores que se conocen como asteroides y cometas.

La mayoría de los planetas tienen a su vez satélites orbitando en torno a ellos. Los planetas tienen la particularidad de moverse en órbitas cuasicoplanares y cuasicirculares. Hace unos seis mil millones de años, el Sistema Solar era una nube de Hidrógeno con un poco de Helio y algunos rastros de otros elementos. Debido a la atracción gravitatoria esa nube de gas comenzó a aglomerarse en el centro. Conforme la materia caía hacia el interior de la nube la presión fue haciéndose cada vez más grande. Al mismo tiempo, como los átomos llevaban un movimiento propio antes de comenzar a caer, la nube comenzó a girar sobre sí misma. Los remolinos de la caída de nubes de gas se formaban en todas las direcciones pero el choque entre unas y otras corrientes hizo que las corrientes más débiles se desviasen para unirse a las corrientes más fuertes, hasta que por fin todas las corrientes de gases se unieron en un único remolino de gas que giraba en una dirección determinada, el mismo plano en el que hoy en día aún sigue girando el Sol.

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En esta nube de gases se volvió a repetir, a escala más reducida, el mismo proceso formándose nubes más pequeñas que giraban sobre sí mismas al tiempo que se trasladaban alrededor de la nube central. Se formaron varios cientos de planetesimales girando sobre sí mismos y viajando alrededor de la nube central, pero los planetesimales más grandes, al pasar cerca de los más pequeños los hacían salirse de su órbita. Los planetesimales eran nubes de gases que se aglomeraban debido a su propia fuerza gravitatoria. El gas que los formaba contenía todos los elementos estables del universo aproximadamente en la misma proporción en que esos elementos existen hoy en día.

Conforme estos planetesimales, avanzaban a través de la nebulosa solar, eran bombardeados por partículas y meteoritos que provocaban un calentamiento de la materia que los formaba al mismo tiempo que los frenaban, lo que ocasionaba que los planetesimales más pequeños cayesen hacia los mayores. Al final, tras varios cientos de millones de años de evolución planetaria, el sistema solar estaba compuesto por un centro masivo pero aún apagado, un par de gigantescos planetesimales (Júpiter y Saturno), cuatro planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y dos exteriores (Urano y Neptuno). El destino probable de aquellos planetesimales hubiera sido seguir siendo frenados por la nebulosa solar hasta que primero los planetesimales más pequeños, luego los mayores, cayeran en la nube central. Solo una cosa evitó que se produjera este fin, la formación del Sol. A pesar de la enorme masa que representaban los planetesimales que se habían formado, esto no era más que una minúscula fracción de la cantidad de masa que se había acumulado en el centro del sistema. Esta masa era tan grande que la fuerza gravitatoria alcanzó proporciones gigantescas, y la presión que se acumuló en su centro fue tanta que ni siquiera los electrones eran capaces de soportar la presión de los miles de kilómetros de gas que tenían sobre ellos. Al final hasta los mismos átomos cedieron. Incapaces de soportar semejante presión los átomos de Hidrógeno comenzaron a fusionarse para formar átomos de Helio. Esta fusión nuclear, similar a la que se produce en una bomba de Hidrógeno, provocó el encendido del Sol. El sol es una estrella que genera energía en su interior por medio de reacciones termonucleares en las que cuatro núcleos atómicos de Hidrógeno se fusionan para formar un núcleo atómico de Helio, reacción que libera gran cantidad de energía. El sol

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concentra el 99,9% de la masa total del sistema solar. Como el resto de las estrellas el sol está constituido fundamentalmente por los elementos más livianos Hidrógeno y Helio. El Sol se encendió, pero sólo en su interior, había miles de kilómetros de distancia hasta su superficie, por eso la explosión nuclear se extendió por todo el interior del Sol pero la presión del gas que tenía encima impedía que la explosión alcanzara la superficie, y mientras tanto la suma de la presión gravitatoria desde fuera y la presión explosiva desde dentro del Sol mantuvieron encendida la llama atómica aunque la superficie del Sol siguió siendo una superficie apagada. Seguramente hicieron falta varios siglos para que la llama atómica alcanzara la superficie haciendo que por primera vez la luz solar iluminase el interior del sistema solar. Lo que se podría haber visto en ese momento no era más que una niebla blanquecina, una nebulosa de polvo y gases con leves trazas de átomos más pesados. A través de esa niebla hubiera sido imposible vislumbrar los planetesimales, planetas y satélites que se habían formado, pero todos ellos estaban allí, aun formándose y constantemente bombardeados por los millones de fragmentos que aún quedaban como restos de la gran cantidad de planetesimales que no habían conseguido formar planetas o planetas que habían sido desintegrados por las catástrofes planetarias que se habían producido. A medida que la llama atómica atravesaba el manto solar, su avance iba siendo cada vez más rápido al soportar cada vez menos presión. Cuando por fin llegó a la superficie la explosión pudo encontrar una salida a su propia presión interior expulsando ingentes cantidades de partículas, átomos y gases más allá de la superficie solar. La fuerza gravitatoria del sol era tan grande que los gases más pesados no conseguían escapar pero la presión del horno nuclear empujaba constantemente a las partículas y átomos más ligeros empujándolos incesantemente lejos del Sol. Estas partículas que se "derramaban" desde el Sol, empujadas por su propia radiación interna, formaron un "Viento Solar" que barrió el sistema empujando las partículas ligeras que encontraba en su camino. Si un hipotético observador hubiese estado en aquel momento contemplando el proceso desde una distancia de un par de días luz (un año luz = 9.46 x1012 km/año) sobre el plano de la elíptica, podría haber sido testigo de lo siguiente. Al principio sólo habría visto una nube oscura que ocultaba el fondo estelar. Sería el único indicio de que allí había "algo". De vez en cuando podría ser testigo de pequeños destellos producidos por el choque de meteoritos al caer en la atmósfera de algún planetesimal.

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Desde el centro de la nube, de repente, llegaría algún destello más brillante. Ese destello desaparecería y volvería a aparecer varias veces durante varios años hasta que al final se hiciera mucho más fuerte encendiendo toda la superficie del Sol. El Sistema Solar se vería entonces como una nebulosa muy similar en su forma a una galaxia aunque de un tamaño más reducido. Aún a través de esta nebulosa resultaría imposible ver los planetas, pero sí sería posible ver remolinos en las nubes entre los que podríamos reconocer los remolinos generados por Júpiter y Saturno. Los remolinos correspondientes a los planetas más pequeños serían mucho más difíciles de ver. Al cabo de algunos años veríamos el primer cambio, cuando a través del centro del Sistema veamos una estrella gigantesca, el Sol. Antes sólo habíamos visto su resplandor, pero ahora podremos ver directamente el brillo de su superficie. A su alrededor veremos un anillo brillante, el frente de empuje del viento solar al ir barriendo la nebulosa. Al aumentar el tamaño de ese anillo, a través de su interior podremos ver por primera vez las estrellas que hay al otro lado, hasta ahora la nebulosa nos había impedido verlas. Pero a medida que el frente del viento solar se vaya alejando irán quedando detrás los planetas interiores, Mercurio, Venus, La Tierra con su gigantesco satélite, Marte, estos son pequeños y de alta densidad media (de 4 a 5,5 gr/cm3), lo que sugiere que en su constitución predomina el Hierro, Níquel y diversos minerales del tipo de los silicatos de Hierro, Magnesio y Calcio. El frente seguirá creciendo hasta dejar a la vista los planetas gigantes, Júpiter y Saturno, y los exteriores, Urano y Neptuno, estos planetas son de mucho mayor tamaño, de baja densidad media, lo cual sugiere una composición predominantemente gaseosa (Hidrógeno y Helio) y de diversos volátiles o “hielos” (agua, amoníaco, metano). En ese primer barrido el viento solar habrá empujado hacia el exterior casi todas las partículas, átomos y moléculas ligeras que no estuviesen dentro de ningún planeta. Las partículas más pesadas serían barridas a lo largo de los más de cuatro mil millones de años transcurridos desde entonces, y todas esas partículas han ido a formar una nube a billones de kilómetros de distancia del Sol. Esta nube rodea el sistema solar como un anillo de polvo y en él también se han formado remolinos y se han creado cuerpos más o menos masivos y alguna vez que otra uno de estos cuerpos es desviado de su órbita por otro cuerpo similar y cae hacia el Sol en una órbita sumamente excéntrica. Formados en su mayor parte por los mismos elementos que había en el origen de nuestro sistema, esas bolas de "hielo sucio" atravesarán el firmamento formando lo que desde la antigüedad se han dado en llamar cometas.

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Pero la consecuencia más importante que tuvo el encendido del Sol fue la limpieza del sistema solar. El viento solar barrió todo el polvo que frenaba las órbitas de los planetas y debido a ello los planetas existentes en ese momento han dejado de ser frenados para caer hacia el centro del sistema. Al contrario, el efecto gravitatorio que se produce entre los diversos planetas y satélites ha hecho que en algunos casos las distancias orbitales aumenten en lugar de disminuir. Así es el caso de la Luna con respecto a la Tierra. Estando ya en una situación muy cercana a que ambos cuerpos chocasen entre sí, la desaparición del polvo interplanetario frenó esa caída, y desde entonces la distancia de la Tierra a la Luna ha ido aumentando apreciablemente. La Formación de los Planetas Los planetesimales eran nubes de gases que se aglomeraban debido a su propia fuerza gravitatoria. El gas que los formaba contenía todos los elementos estables del Universo aproximadamente en la misma proporción en que esos elementos existen hoy en día, es decir, un 92% de Hidrógeno, 7% de Helio y un 1% de los demás elementos. De este 1%, había aproximadamente un 50% de oxígeno, 20% de Neón, 15% de Nitrógeno, 8% de Carbono, 2% de Silicio, 2% de Magnesio, 1,5% de Hierro, 1% de Azufre, y el 0,5% restante era una mezcla de Argón, Aluminio, Calcio, Sodio, Níquel, Fósforo y demás elementos en proporciones cada vez menores. Sin embargo, a pesar de suponer un porcentaje tan reducido, la masa total de cada uno de los planetesimales era tan grande que la cantidad de Níquel o Fósforo, por ejemplo, en cada uno de ellos era gigantesca, capaz de formar una esfera de centenares de kilómetros de radio. El calor y la presión provocaron diversas reacciones químicas que propiciaron la formación de moléculas y compuestos químicos. El Hidrógeno, altamente reactivo y superabundante en aquella nube, se unía a diversos átomos, especialmente a los más abundantes (Oxígeno, Carbono y Nitrógeno) para formar gases como vapor de agua, metano y amoníaco. El Helio y el Neón, al ser muy poco reactivos, se conservaban como gases aislados. El Silicio reaccionaba con el Oxígeno y posteriormente con otros elementos para formar todo tipo de silicatos. El Hierro reaccionaba con el azufre dando lugar a todo tipo de sulfuros. Debido a la fuerza gravitatoria los materiales más pesados, principalmente el Hierro y el Níquel, tendían a hundirse hacia el interior de la nube mientras que los más ligeros permanecían en la superficie. Así se formaron las primeras capas que forman el interior de nuestro planeta, un núcleo de Hierro y Níquel seguido de un manto de Silicatos.

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Sobre todo ello una corteza más o menos sólida de silicatos y por encima una atmósfera de vapor de agua, amoníaco y metano. Era la atmósfera I. Aproximadamente por esa época fue cuando el Sol se encendió. Conforme el sistema solar iba quedando cada vez más despejado de polvo, el calor del Sol empezó a afectar a los planetas que giraban a su alrededor. Al calentarse las capas altas de la atmósfera se producía una disociación de las moléculas de vapor de agua, separándose en sus componentes, Oxígeno e Hidrógeno. El Hidrógeno libre era muy ligero, y más al calentarse, por lo que tendía a ascender sobre la atmósfera y a determinada distancia podía escapar del campo gravitatorio terrestre siendo arrastrado por el viento solar hacia más allá del sistema solar. El Oxígeno libre reaccionaba con el amoníaco y el metano para formar Nitrógeno, Dióxido de Carbono y agua, y con esta agua volvía a repetirse el ciclo una vez tras otra. El final de este proceso, de repetirse un número indefinido de veces, era la desaparición de toda el agua y el Hidrógeno quedando entonces una atmósfera II, compuesta exclusivamente de Nitrógeno y Dióxido de Carbono. En Mercurio, demasiado pequeño y excesivamente cerca del Sol esta reacción se produjo muy rápido acabando en pocos millones de años con toda la atmósfera del planeta. Aunque mucho más lejos, el reducido tamaño de Marte también hizo que desapareciera gran parte de su atmósfera También como en los demás planetas comenzó la transformación de esa atmósfera en otra de Nitrógeno y Dióxido de Carbono. Pero hoy en día gozamos de una saludable atmósfera de Nitrógeno, Oxígeno y Vapor de Agua, con algunas trazas de otros gases como Argón o Dióxido de Carbono. ¿Cómo se ha generado esta atmósfera?

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4. EVOLUCIÓN QUÍMICA Evidencia del origen común de los ELEMENTOS Actualmente, la ciencia ha permitido al género humano encontrar respuesta a algunas de esas interrogantes. Tal vez no todas sean totalmente correctas, pero las evidencias actuales indican que parecen ser acertadas aunque podrían ser modificadas en el futuro, a la luz de nuevas concepciones y de nueva información. Desde luego, no podemos viajar al pasado para buscar el origen de la materia. No obstante, en el Universo actual hay indicios que nos permiten plantear hipótesis relativas a lo que sucedió muchos años atrás. Además de conocer la superficie terrestre, hemos podido analizar meteoritos y tenemos ya muestras lunares y marcianas. Por otra parte, el análisis de la luz de las estrellas nos ha revelado su composición química. Los átomos de cada elemento químico y las moléculas que dichos átomos forman se manifiestan de manera distinta, y por ello hemos podido reconocerlos a distancias enormes, gracias a la astrofísica y a la cosmoquímica. Por otra parte, en el núcleo atómico se encuentra otra característica de cada elemento: su número de protones. Recordemos que el núcleo está formado esencialmente por neutrones y protones, estos últimos con una carga eléctrica positiva. Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo, aunque el de neutrones puede variar.

Para referirse a un núcleo determinado, se acostumbra emplear el símbolo químico del elemento correspondiente y colocar a su izquierda dos cantidades: arriba su número de masa A (A = número de masa o número de protones + neutrones), y debajo su número atómico Z (Z = número atómico o número de protones en el núcleo). Así el número de neutrones N es la diferencia N = A - Z.

Existen 109 elementos conocidos, con Z desde 1 hasta 109, pero hay más de 1.300 variedades de núcleos. Un hecho sorprendente es que la abundancia de los elementos químicos, e incluso de sus isótopos, sea similar en todos los objetos conocidos del Universo, una vez que se toman en cuenta ciertos procesos secundarios. Por ejemplo, es obvio que los

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meteoritos que han caído en la Tierra han perdido muchos elementos ligeros, pero aquellos que se conservan existen en las mismas proporciones que en el Sol. Asimismo, en la corteza terrestre, o en la lunar, los elementos también reproducen la abundancia solar. Átomos del mismo elemento (igual Z) con diferente A: son ISOTOPOS

Abundancia de los ISÓTOPOS Como hemos visto, los átomos de un elemento no son todos iguales. Hay átomos de Hidrógeno, por ejemplo, con 1, 2 o 3 partículas en su núcleo. Desde luego, en todos ellos hay sólo un protón, y eso es lo que caracteriza al Hidrógeno. Los diferentes isótopos de los átomos no son igualmente estables ni ocurren en la naturaleza con la misma posibilidad. Por ejemplo, de cada 100.000 átomos de Hidrógeno, 99.985 son de y 15 son de

. Los de Tritio

son inestables y, por tanto, casi no se

encuentran libres en la naturaleza. Por ejemplo, el Boro tiene dos isótopos muy estables, pero no ocurren con la misma abundancia. De cada 10.000 átomos de Boro

1.978 son de

y 8.022 son de

.

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Isótopos y Masa atómica: Cálculo de la Masa Atómica Como hemos visto, no todos los átomos de un elemento son exactamente iguales. La mayoría de los elementos presentan diferentes isótopos y esto hay que considerarlo para calcular la masa atómica. La masa atómica de un elemento es la masa media ponderada de sus isótopos naturales. Por eso, la masa atómica de un elemento no es un número entero. La media ponderada quiere decir que no todos los isótopos tienen el mismo porcentaje.

Ejemplo: El cloro tiene dos isótopos:

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Cl en un 75,5 % y

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Cl en un 24,5 %. Por tanto, la

masa atómica media será: M.a.= 35 uma · 75,5/100 + 37 uma · 24,5/100 = 35,49 uma. La masa atómica del cloro es 35,49 uma, es la que aparecerá en la tabla periódica.

Abundancia relativa de los elementos del Universo (% en masa)

¿Por qué aparecen con esta abundancia? y ¿por qué sucede lo mismo en la Tierra, en el Sol o en cualquier otro lugar del Universo?, ¿por qué se repite este hecho para otros muchos elementos?

Por si fuera poco, en las estrellas (ya sea de nuestra

galaxia, o de otras), así como en el medio interestelar, se ha detectado la presencia dominante del Hidrógeno y Helio. Los otros elementos se han encontrado en menores proporciones. Estos hechos sugieren que la formación de los elementos químicos tiene que haber sido común para todo el Universo. Es decir, existió un origen común de toda la materia.

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La formación de los núcleos de HIDRÓGENO y HELIO Las colisiones entre protones dieron lugar a los primeros núcleos con más de una partícula, los cuales se estabilizaron cuando la temperatura se redujo a 109 K (escala absoluta de temperatura en Kelvin). Unos minutos después de la explosión, el Universo contenía ya una buena proporción de Helio (entre 25 y 30% en peso). Sin embargo, como continuó la expansión y el enfriamiento, no fue posible que más partículas se adicionaran a los núcleos de Helio para formar cantidades apreciables de elementos más pesados, como Litio (Z= 3), Berilio (Z = 4), Boro (Z = 5), Carbón (Z = 6), etc. A temperaturas tan altas, los electrones existentes no permanecían ligados a los núcleos por atracción eléctrica. Ello sólo pudo ocurrir cuando el enfriamiento posterior alcanzó los 5.000 K. Entonces, los núcleos de Hidrógeno y Helio se vieron rodeados de sus electrones, y de esta manera se formaron los primeros átomos eléctricamente neutros. A partir de este momento dejó de existir la interacción frecuente, que había venido dándose entre las partículas y la radiación, la cual quedó "libre" para viajar por todas partes. 500.000 años después de la gran explosión se habían formado, por fin, átomos de Hidrógeno y Helio. El ciclo protón-protón es un mecanismo por el cual se sintetizaron los núcleos de helio a partir de protones (ver esquema).

La radiación cósmica de fondo. En 1965, casi por casualidad, los astrofísicos Penzias y Wilson, quienes buscaban posibles interferencias a las transmisiones vía satélite, se encontraron con una radiación que llegaba a la Tierra desde todas las direcciones. Esta se denominó

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"radiación cósmica de fondo" y constituye la mayor prueba de la veracidad de la gran explosión. ¿Qué sucedió entonces para que se formaran los elementos más pesados que el Helio en las proporciones actuales? Es un hecho que los elementos más pesados se forman en las estrellas. Radiación de fondo. Según la teoría de la gran explosión, el Universo primitivo estaba lleno de protones y electrones que absorbían y emitían radiación. Tras medio millón de años, al formarse átomos estables, la radiación no fue absorbida o emitida con tanta frecuencia y quedó libre en el espacio. Esta radiación aún se difunde y fue detectada desde la Tierra. En 1965, lo cual confirió gran credibilidad a esta teoría. Génesis química de una ESTRELLA Unos 100 mil millones de años después de la gran explosión comenzaron a formarse las galaxias y, en su interior, gracias a los efectos de la gravedad, también la primera generación de estrellas. Los cuerpos, debido a que poseen masa, tienen la propiedad de atraerse mutuamente. Las estrellas nacen cuando una nube de gases se compacta por efecto de la gravedad. La fuerza de gravedad comprime los gases y los calienta, lo cual provoca que su presión se incremente. En una estrella en formación o protoestrella, la gravedad domina, la nube de gases toma forma esférica y al comprimirse, su centro se calienta cada vez más; hasta este momento, la única fuente de energía es la contracción gravitatoria. Pero cuando la temperatura alcanza los 10 millones de grados, entra en juego el segundo recurso energético del que dispone la estrella: la fusión de protones para producir helio, que es un fenómeno similar al que ocurrió minutos después de la gran explosión. La fusión del hidrógeno es la fuente de energía más duradera y estable de las estrellas, pues la presión y la gravedad se equilibran. En esta etapa se encuentra nuestro Sol, el cual "quema hidrógeno como combustible". No obstante, su vida durará aproximadamente 5000 millones de años más. Con el tiempo, el corazón de la estrella se va enriqueciendo de Helio y, por ello, el Hidrógeno escasea. Cada vez es más improbable la fusión del Hidrógeno, por lo que en el centro estelar cesa la generación de energía. El equilibrio previo entre la presión del gas (hacia afuera) y la gravedad (hacia adentro) toca a su fin. La gravedad gana la batalla y comienza a reducirse el corazón de la estrella. El Sol es una fábrica en la que cada segundo 600 millones de toneladas de H se convierten en He. Con un diámetro de 1.4 millones de Km, equivalente a poner 109

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Tierras en fila, la temperatura de su superficie ascienden a 6 000° C, pero se calcula que en el centro es de 15 millones de grados. El Helio lleva este nombre porque se descubrió en el Sol (helios en griego) antes que en la Tierra

Composición química actual del Sol (% de átomos)

La síntesis del CARBONO al HIERRO La compresión gravitatoria eleva la temperatura de la estrella, con lo que pueden ocurrir nuevas reacciones de fusión. La más común es la transformación de Helio en Carbono, un núcleo con seis protones y seis neutrones. Una vez que todo el Helio del centro se ha convertido en Carbono, la estrella vuelve a contraerse hasta alcanzar temperaturas de más de 100 millones de grados, a las que pueden ocurrir otras reacciones nucleares que convierten al Carbono en elementos más pesados, como Oxígeno, Nitrógeno, Neón, etc. Así se sintetizan todos los elementos químicos hasta llegar al Hierro- Fe- (Z = 26 A = 56), donde el proceso se detiene. Obviamente, llega un momento en que el Hierro ocupa el centro de la estrella y concluye su fuente de energía nuclear. La gravedad vuelve a dominar y la estrella se contrae más y más. Si su masa es pequeña (como la del Sol o un poco mayor), la contracción se detiene, formándose una estrella enana blanca, que al enfriarse deja de emitir luz (enana negra). El núcleo de Hierro es el más pesado que puede obtenerse de esta forma. Cualquier combinación de dos núcleos para obtener un elemento más pesado que el hierro requiere energía, en lugar de producirla. Pero si la masa de la estrella es grande (varias veces la del Sol), la contracción no puede detenerse. Los núcleos de Hierro y los electrones en el corazón de la estrella se transforman en neutrones libres, los

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cuales logran detener el colapso. Sin embargo, las capas exteriores se precipitan hacia el centro generando tal temperatura y presión que se crea una onda de choque hacia afuera. La explosión, conocida como supernova, es tan energética que logra que uno, dos y hasta más de cien neutrones se adicionen a los núcleos de hierro, formándose así los elementos con más de 26 protones.

Todos los elementos sintetizados se desparraman por el espacio como polvo estelar, esperando el día en que la gravedad vuelva a formar otra estrella. De hecho, nuestro Sol es una de ellas: una estrella de segunda generación, pues contiene buena proporción de elementos pesados que no se sintetizaron allí sino en otras estrellas. Debido a la explosión, la estrella pierde mucha masa, pero su centro de neutrones sobrevive, y queda como una estrella de neutrones. Finalmente, si la estrella es lo bastante pesada, la contracción continúa indefinidamente. No parece haber nada que la detenga. ¿Qué sucede después? Se supone que se forma un hoyo negro, de donde ni siquiera la luz puede salir. El carbono, C, átomo indispensable para la vida, tuvo su origen en las estrellas.

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Estructura de una estrella. Las estrellas adquieren una estructura de capas, a la manera de una cebolla, con un centro de hierro y múltiples reacciones ocurriendo a todos niveles. En esta figura se muestra un ejemplo de composición de una estrella que ha "quemado" todo su hidrógeno. En una estrella de neutrones la densidad es tal que un cm3 pesa unos 500 millones de toneladas.

La TIERRA y su composición química Los científicos están de acuerdo en que hacen unos 4 500 millones de años nuestro Sol y todos sus planetas se formaron a partir de una nube de gases y polvo estelar. Sin embargo, su composición actual no es igual a la inicial. Por una parte, el Sol se ha venido enriqueciendo en helio, debido a las reacciones nucleares de fusión. Por otro lado, en la Tierra, debido a su (relativamente) pequeña masa, los elementos más ligeros han ido escapándose de su atracción gravitatoria. Además, el lento proceso de su enfriamiento, la gran actividad interna, los efectos climáticos y la presencia misma de la vida han hecho que la Tierra actual no sea muy semejante al planeta primitivo. Uno de los modelos para explicar la formación de la Tierra y de los otros planetas propone el desarrollo de una nebulosa solar primitiva con una masa algo mayor que la actual del Sol, concentrada alrededor del eje de giro, pero que todavía no puede reconocerse como el Sol. Los planetas se formaron por la acumulación de granos interestelares y, en el caso de los planetas exteriores, por la atracción y adherencia de gases. Este proceso causó un calentamiento, con lo que una capa de Hierro fundido se depositó en el centro, como sucedió en el caso de la Tierra. Nuestro planeta se encuentra formado principalmente por silicatos (piedras, compuestos de Silicio, Si, y Oxígeno, O) y Hierro, Fe, metálico. Es importante hacer notar que en la Tierra ciertos elementos están presentes en cantidades completamente diferentes de las del resto del Universo. Así, en nuestro planeta prácticamente no hay Hidrógeno ni Helio, y el Carbono y Nitrógeno son poco abundantes. Los gases nobles Neón, Ne, Kriptón, Kr y Xenón, Xe son aún más escasos. La síntesis de elementos con más de 26 protones sólo es factible suministrando energía. Ello ocurre en explosiones estelares.

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A partir de este gas interestelar se forman las estrellas y éstas, durante su evolución, transforman en su interior los elementos químicos a partir de reacciones nucleares. Posteriormente pierden materia con una composición química diferente de la inicial, lo que modifica la composición química del medio interestelar. Existen tres fuentes principales que afectan la composición del gas interestelar. 1. Supernova. Se producen cuando estrellas de enorme masa hacen explosión al final de su evolución, con lo que se dispersa por el espacio no sólo la masa de la estrella, sino toda su energía. Las supernovas nutren así al medio interestelar de elementos pesados. 2. Nebulosas galácticas. Son masas luminosas de gas lanzadas al espacio por estrellas de masa intermedia al final de su evolución. Las nebulosas galácticas son el producto de un cataclismo y constituyen la materia arrojada al espacio por una nova.

3. Novas (estrellas nuevas). Son estrellas cuyo brillo aumenta intensamente en periodos muy cortos -por ejemplo, en unos días- para luego ir disminuyendo lentamente a lo largo de varias decenas de años hasta recuperar el brillo original. En el proceso se provocan explosiones que lanzan al espacio diferentes porciones de su masa y energía. Se calcula que en nuestra galaxia se producen más de mil novas por año, pero sólo unas cuantas, aproximadamente veinte, alcanzan la magnitud de luminosidad suficiente para ser percibidas desde la Tierra. Se supone que Mercurio, el planeta más cercano al Sol, tiene mayor cantidad de Fe (en términos relativos) que los demás planetas, mientras que los más lejanos como Júpiter y Saturno se encuentran formados principalmente por agua, H 2O, amoniaco, NH3, y metano, CH4, sólidos .

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Para que los elementos se condensen en estado sólido es importante conocer la temperatura. Se han hecho diversas estimaciones de este proceso, y se supone que para condensar los silicatos y el de la temperatura de la nebulosa solar en la vecindad de la Tierra debería estar por debajo de 1.500 K. Al disminuir la temperatura se van condensando los demás elementos hasta llegar a los 600 K, que sería la temperatura de la Tierra primitiva (este proceso, sin embargo, no justifica la presencia del carbón en nuestro planeta, ya que para condensarlo en forma de metano (la molécula más simple con Carbono e Hidrógeno) se requieren menos de 100K. Abundancia relativa (en % de masa) de los elementos en la Tierra:

Pero, desde luego, en la Tierra hay Carbono, y para explicarlo se ha sugerido que una vez que el Carbono se combinó con Oxígeno para formar CO (monóxido de carbono), este último compuesto habría reaccionado con Hidrógeno (H2) para producir hidrocarburos, en una reacción del tipo Fischer-Tropsch, así llamada en honor de los químicos alemanes que la desarrollaron. Estas reacciones pueden usarse para producir comercialmente gasolina y otros hidrocarburos. Así, por ejemplo, tenemos: 20CO + 41H2

C20 H42 · 20H2O

Estos hidrocarburos de alto peso molecular son estables y sólidos a altas temperaturas. Si en la reacción de Fischer-Tropsch están presentes Amoníaco (NH3) y Agua (H2O), se forman compuestos orgánicos complejos. Así, el nitrógeno y el oxígeno se incorporarían naturalmente a las breas y alquitranes, convirtiéndose en parte de la Tierra aun cuando el NH3 y el H2O permanecieran gaseosos a 600 K.

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El origen de la CORTEZA TERRESTRE En todo sistema cerrado la tendencia natural de la materia es el desorden. Esto es algo que observamos continuamente, si dejamos un coche abandonado junto a la carretera al cabo de algunos años estará oxidado, los cristales estarán rotos, los asientos carcomidos, los neumáticos destrozados. Si dejamos un libro sobre la mesa al cabo de algunos siglos solo quedará un pequeño montón de polvo. Si lo que dejamos es una manzana, no quedará nada en pocas semanas. A escala atómica ocurre lo mismo: donde hay moléculas complejas tarde o temprano estas moléculas se desorganizan, se parten en componentes más pequeños, donde había vida, ésta muere, donde había organización ésta desaparece. Esto es lo que ocurre en los sistemas cerrados. Afortunadamente la Tierra es un sistema abierto (se intercambia materia y energía con el ambiente) la superficie terrestre ha sido bombardeada durante millones de años por millones de meteoritos que han aumentado su tamaño al mismo tiempo que su caída producía suficiente calor como para que toda la masa del planeta se fundiese. Este calor ha ocasionado que los elementos constitutivos del planeta se combinasen entre sí para formar los compuestos y aleaciones, sulfuros y silicatos que conforman las capas de nuestro planeta. La estructura que todos estos procesos nos han dejado es la de un planeta dividido en capas. En la capa más interior hay un núcleo con los elementos más pesados, siendo los más abundantes el hierro y el níquel. De esta forma tan caótica se formaron los principales yacimientos mineros, los nódulos de diamantes, las vetas de uranio, las menas de plata y mercurio. Los gases de la atmósfera primigenia reaccionaban con todos estos elementos para formar

numerosos compuestos que se

depositaban

en

la superficie

para

posteriormente formar parte de una corteza terrestre cada vez más compleja. Y cuando la temperatura de la superficie terrestre lo permitía, el vapor de agua de la atmósfera se condensaba para formar los primeros lagos, lagos que sólo se daban en lugares elevados, cordilleras, cráteres de volcanes apagados, lugares que estaban sobre una corteza terrestre lo suficientemente gruesa como para mantenerse alejada del calor del manto terrestre, porque en los lugares bajos, donde hoy están los océanos, la corteza terrestre era sumamente delgada y estaba demasiado caliente a causa del calor interior del planeta para que en ella pudiese permanecer el agua en estado líquido. En esos lagos de montaña, calientes hasta el punto de hervir en ocasiones, inundados de sales minerales y acariciadas por una ardiente brisa de hidrógeno, amoníaco y metano, se producían numerosas reacciones químicas que dieron los primeros pasos hacia la vida.

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La estructura interna de la Tierra nos es desconocida. Sin embargo, a partir de estudios sismológicos y geofísicos se ha establecido la idea de que está formada por capas.

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CAPITULO II: El Origen de la Vida” CONTENIDOS: 1. INTRODUCCIÓN 

Teoría de la evolución química

2. ¿CÓMO SE ORIGINO LA VIDA EN LA TIERRA? 

¿Qué es la Vida? ¿Cuándo y Cómo Comienza?



¿Qué Caracteriza lo Viviente?

3. TEORIAS DEL ORIGEN DE LA VIDA 

Revisando algunas teorías del origen de la vida



Evolución química



Hipótesis de Oparin



Experimento de Miller

4. INICIO DE LA VIDA 

Células Procariotas



Células Eucariotas

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1. INTRODUCCIÓN Teoría de la evolución química “¿Pudieron todos los seres vivientes originarse a partir de una serie de simples moléculas?” La Evolución Química es una evolución basada en procesos químicos, no biológicos, que comprenden el cambiar compuestos inorgánicos simples a compuestos orgánicos complejos. A partir de la hipótesis de Oparin, vimos como una gran cantidad de reacciones químicas ocurría entre los ingredientes de los mares antiguos y que como resultado de estos procesos durante millones de años probablemente aparecieran los aminoácidos y los nucleótidos que forman el DNA y el RNA, constituyentes de los seres vivos. La formación de moléculas orgánicas complejas, a partir de bloques de construcción más pequeños, debe haber necesitado energía. Oparin sugirió que había varias fuentes posibles de energía: la energía eléctrica de los relámpagos, la energía radiante del Sol, la energía proveniente de la desintegración de las sustancias radiactivas. También describió cómo pudieron ser separados del ambiente por alguna membrana los compuestos originales de la vida. Señaló que las mezclas de compuestos orgánicos pueden formar agrupaciones que denomino coacervados, es un grupo de gotas microscópicas que se forma por atracción entre moléculas en una mezcla de proteínas y azúcar en agua. Las gotas en el interior son moléculas de proteínas. Las moléculas de agua forman la capa exterior de estas gotas. Esta capa actúa, más o menos, como una membrana celular. Los coacervados pueden intercambiar materiales con su ambiente, a través de esta capa limitante, en la misma forma que lo hace una célula. Para Oparin, estas gotas sugerían la forma de una célula. Igual que la célula, cada gota puede considerarse como distinta y separada de las demás. Los estudios acerca de la hipótesis de Oparin han demostrado que ese tipo de moléculas que encontramos en los organismos vivos pudo haberse formado temprano en la historia de la Tierra. También han demostrado que grupos de moléculas pudieron haber sido encapsulados. Estos grupos de moléculas encapsuladas - que contienen agua, proteínas, azúcares y ácidos nucleicos - pudieron haber crecido obteniendo materiales del ambiente. Al tomar materiales del ambiente, estas moléculas pudieron haberse duplicado. Finalmente, las gotas que se desprendían pudieron haber formado copias exactas del grupo completo de moléculas encapsuladas. Muchos biólogos piensan que sí señalan que esta hipótesis describe solamente lo que pudo haber ocurrido. Y así aparecerían las primeras células procariotas, es decir, sin núcleo diferenciado, los heterótrofos con metabolismo anaeróbicos. Tal vez hayan

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ocurrido mutaciones que permitieron a algunas células obtener energía de la luz solar, apareciendo así las fotosintéticas. Con la aparición del oxígeno algunas se adaptaron a vivir utilizándolo, pasan a ser así células aerobias. Y por último aparecen las células eucariotas con núcleo diferenciado.

TEORIAS ACTUALES SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA* No hay modelos estándar verdaderos sobre el origen de la vida, sin embargo, los modelos más corrientemente aceptados, se apoyan en uno, otro o en grupo de descubrimientos, en relación al origen de los componentes moleculares y celulares de la vida, los cuales se enumeran a continuación: Condiciones prebióticas posibles resultaron en la creación de ciertas moléculas básicas de la vida (monómeros), como los aminoácidos. Esto fue demostrado por el experimento de Urey-Miller. Fosfolípidos (e una longitud apropiada) pueden formar espontáneamente bicapa lipídicas, uno de los dos componentes básicos de la membrana celular. La polimerización de nucleótidos al azar en moléculas de ARN podría haber producido el ARN autoreplicante (ribozimas). Esta es la Teoría del Mundo del ARN. Donde aparecen ribozimas con actividad catalítica para formar oligopéptidos y pequeñas proteínas. Así aparece el primer ribosoma, y con él la síntesis de proteínas. Las proteínas autocompletan la capacidad catalítica de las ribozimas, transformándose en los polímeros dominantes. Los Ácidos Nucleicos quedan a cargo del almacenamiento de la información genética. El biólogo John Desmond Bernal (1901-1971), acuño el término Biopoiesis para el proceso escalonado, y sugirió que hay un número claramente definido de “estadios” que deberían ser reconocidos para explicar el origen de la vida:  Estadio 1: Origen de los monómeros biológicos  Estadio 2: Origen de los polímeros biológicos  Estadio 3: Evolución de moléculas a células 1- Origen de moléculas orgánicas:  “Modelo de Miller- Urey” 2- De las moléculas orgánicas a las protocelulas  “Los Genes Primero”: Modelo del Mundo del ARN  “El Metabolismo Primero”: Modelos de Oparin, mundo del Hierro-Sulfuro y otros.  “Teoría de las Microesferas” o coacervados 3- Otros modelos  “Teoría de la Arcilla”  “Teoría de la Panspermia” *http://es.wikipedia.org/wiki/Cosmolog%C3%ADa

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2. ¿CÓMO SE ORIGINO LA VIDA EN LA TIERRA? Aún después de la solidificación de la corteza terrestre, nuestro planeta siguió por un tiempo en un medio demasiado hostil para ser habitable. En los primeros lagos que se formaron en la superficie terrestre había numerosas sales minerales, magnesio, azufre, hierro. El agua estaba a unas temperaturas muy elevadas y sobre ella había una ardiente masa de aire formada por metano y amoníaco. Todo esto ocurría en la más completa oscuridad, el Sol aún no había entrado en ignición y la nebulosa solar impedía que se viera el más mínimo destello de luz estelar. Pero a pesar de estas condiciones tan adversas, el aporte energético era tan grande que las moléculas se agrupaban en estructuras complejas. Había dos fuentes de energía principales, una era el calor interno de la Tierra, la otra era la frecuente, casi continua formación de tormentas eléctricas. Estas dos fuentes de energía hacían reaccionar unos átomos con otros, unas moléculas con otras. El calor y los rayos creaban moléculas complejas. Y también las destruían. La energía podía disociar moléculas de metano o amoníaco, y éstas volvían a asociarse con las piezas que se encontrasen más a mano. La mayor parte de las veces se formaban combinaciones bastante inestables, pero en ocasiones, por azar, se formaban combinaciones más estables. Así, el azar iba generando compuestos, algunos más simples, otros más complejos. Las moléculas complejas eran capaces de almacenar más energía que las simples, y como la energía abundaba, esto hizo que la complejidad del caldo primigenio fuera también en aumento. En muy poco tiempo el caldo primigenio que formaba esos lagos estuvo lleno de compuestos como formaldehído, ácidos fórmico, acético y láctico, urea y hasta algunos aminoácidos simples como glicina y alanina. En las profundidades marinas esas moléculas estarían protegidas de la letal radiación Ultravioleta del sol (aún no existía el Ozono). Una vez realizado este proceso el caldo primigenio había dado lugar a un caldo más elaborado, como si a partir de una mezcla de agua, grava y arena se hubiesen formado ladrillos. Con piezas más complejas, las combinaciones aumentaban su complejidad y a partir de estos "ladrillos" se construyeron piezas más complejas, entre ellas algunas purinas como la adenina y azúcares como la ribosa y la desoxirribosa, componentes de los ácidos nucleicos. El lago ya contenía sustancias de una gran complejidad, y aunque seguían existiendo moléculas simples la mayor parte de las moléculas que se encontraban en ese caldo eran moléculas más complejas, capaces de almacenar gran cantidad de energía química.

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Conforme aumentaba la complejidad del caldo aumentaba también la probabilidad de que se formasen sustancias más complejas. Así, cuando el caldo estaba saturado de ácidos nucleicos, purinas y azúcares, resultó inevitable que de esta mezcla surgiesen los primeros nucleótidos e incluso algunos compuestos tan complejos como el trifosfato de adenosina (ATP), uno de los componentes fundamentales de la vida. Enlaces con elevada energía que se rompe fácilmente. ATP:

A Base

R Azúcar

P

P

P

Monofosf. Difosf. Trifosf.

Grupo Fosfato

Nitrogenada Ribosa

Al hablar de azar no tenemos más remedio que hablar de probabilidades. ¿Qué probabilidad había de que surgiese de forma espontánea un compuesto tan complejo como el ATP? Si tuviésemos que partir exclusivamente de los elementos que se encontraban en la atmósfera primigenia, la probabilidad de que se formase ATP resultaría tan baja que sería absurdo siquiera considerarla. Podrían pasar mil veces la edad del sistema solar y aún podríamos estar esperando que se formase ATP a partir de agua, metano, amoníaco y las escasas sales que existían en el caldo primigenio. Pero de este caldo primigenio no surgió el ATP, sino un nuevo caldo más complejo que el anterior, en el cual surgieron moléculas más complejas que aumentaron la complejidad del caldo en un ciclo que se retroalimentaba a sí mismo hasta hacer inevitable la formación de ATP. De hecho, todo lo expuesto hasta ahora no son más que los pasos lógicos que debió dar la naturaleza y que los científicos del último siglo han intentado ¡y conseguido! reproducir paso a paso. En 1953, Miller y Urey prepararon una mezcla de amoníaco (NH3), metano (CH4) e hidrógeno (H2) por la que hicieron pasar un serpentín con vapor de agua (H2O). Dentro del recipiente un electrodo generaba una chispa eléctrica que atravesaba el gas. Una semana más tarde analizaron la muestra y encontraron ácido fórmico, ácido acético, ácido glicólico y ácido láctico, ácido cianhídrico, urea y dos aminoácidos, glicina y alanina. Las cantidades de estas sustancias generadas no eran pequeñas, sino grandes, tanto que sólo al cabo de 24 horas el caldo, originalmente transparente, había adquirido un fuerte color rosa y al final del experimento un intenso color rojo amarronado. El experimento fue repetido por varios científicos con diversas variaciones a lo largo de varios años, sustituyendo algunos componentes originales y usando luz ultravioleta en lugar del electrodo y en todas las ocasiones se produjeron

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sustancias complejas y hasta algunos aminoácidos más complejos que la glicina y la alanina que consiguieron Urey y Miller. En 1961 Juan Oró, en la Universidad de Houston, añadió ácido cianhídrico al caldo primigenio y del proceso obtuvo algunas purinas, entre ellas la adenina. En un experimento posterior, en 1962, añadió formaldehido a la mezcla original y consiguió la síntesis de dos azúcares distintos, la ribosa y la desoxirribosa, componentes de los ácidos nucleicos.

Desde 1963 hasta 1965, en el centro de investigación Ames de California se realizaron una serie de experimentos partiendo de compuestos que ya habían sido creados en experimentos anteriores, como la ribosa, la adenina, fosfatos y otros, y sometiéndolos a iluminación con luz UV. De estos experimentos surgieron compuestos cada vez más complejos, como adenosina, ácido adenílico y trifosfato de adenosina (ATP).

Vemos pues que el proceso por el cual los mares primigenios fueron adquiriendo complejidad no son simples teorías, sino que han sido comprobados por los experimentos de muchos científicos modernos. Ahora bien, todas estas substancias siguen siendo simples moléculas, incapaces de equipararse a la complejidad de una simple célula viva. Pero es que la complejidad del caldo primigenio no se detuvo allí, sino que siguió aumentando durante millones de años creando combinaciones cada vez más complejas y más capaces de procesar grandes cantidades de energía. El proceso no era fácil, aún estamos hablando de lagos en zonas elevadas del planeta, los únicos lugares donde el agua podía permanecer en estado líquido. Sin embargo el planeta seguía a oscuras, y seguía bombardeado por meteoritos y asolados por terremotos. Los lagos se formaban, pero también se destruían y en ocasiones, todas las sustancias complejas que hubiesen podido formarse en uno de aquellos lagos podían desaparecer para siempre sin dejar rastros de su existencia. Pero los experimentos, las reacciones químicas, se seguían produciendo en muchos lugares del planeta. Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando y en algunos sitios surgieron los primeros mares permanentes. También por esa época fue cuando el sol se encendió y el viento solar barrió el sistema eliminando la nebulosa original. Al ocurrir esto se produjeron varios fenómenos, en primer lugar la luz del sol comenzó a transformar la atmósfera de metano, hidrógeno y amoníaco en una nueva atmósfera de nitrógeno y dióxido de carbono. Al mismo tiempo apareció una nueva fuente de energía, el Sol, cuyos rayos UV supusieron un enorme incremento en la cantidad de

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energía disponible en la superficie del planeta. Y esto llevó directamente a que en los mares primigenios aumentara portentosamente el número de experimentos químicos capaces de producir sustancias necesarias para la formación de la vida. Cada vez que de uno de estos experimentos surgía una molécula capaz de procesar la energía con más eficiencia que sus antecesoras, esta nueva molécula pasaba a formar parte sustancial del caldo prebiótico, reemplazando a alguna de las moléculas menos eficientes. Cada vez con componentes más complejos, el proceso se repitió durante millones de años de experimentos hasta formar moléculas compuestas de ácidos nucleicos y proteínas lo suficientemente complejas como para ser capaz de usar la energía de su entorno en crear una copia de sí misma. Así, la primera molécula capaz de autoreplicarse (pero aún no un ser vivo) inició un proceso evolutivo que en pocos cientos de millones de años pobló el fondo de los mares de las más diversas formas de vida. Los primeros organismos eran simples células carentes de núcleo (procariotas) del tipo de las bacterias y algas verde-azuladas. Durante más de un millón de años estos organismos produjeron Oxígeno, el cual no lograba llegar hasta la atmósfera porque antes era empleado para oxidar materiales reductores del fondo del océano (ejemplo: Hierro). Por esto el contenido de Oxígeno atmosférico era extremadamente bajo hasta hace unos 2.100 millones de años. A partir de entonces el nivel de Oxígeno aumentó rápidamente hasta alcanzar el nivel actual del 20% hace unos 1.000 millones de años. La presencia de Oxígeno dio origen a la capa protectora contra la luz ultravioleta solar, el ozono, que se forma a partir de la fotodisociación y recombinación de la molécula de Oxígeno. El ozono permitió a la vida aventurarse fuera de los océanos, que fue su refugio natural por miles de millones de años. Paralelamente al rápido enriquecimiento del oxígeno atmosférico, la vida fue adquiriendo formas cada vez más complejas. Las células procariotas evolucionaron hacia células eucariotas con núcleo y, hacia los 1.100 millones de años atrás, organismos unicelulares sexuados. Las células eucariotas se fueron especializando para cumplir diversas tareas, y a su vez, tuvieron la capacidad de asociarse en seres más complejos pluricelulares con potencial evolutivo.  A fines del precámbrico, hace unos 600 millones de años, se da la gran explosión de organismos pluricelulares de diversas anatomías, conocidas como fauna Edicariense, estos eran organismos de cuerpo blando. Esta fauna se extinguió hacia los 530 millones de años dando paso a la fauna del Cámbrico rica en organismos con caparazón.

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 Las primeras plantas terrestres aparecen hace unos 440 millones de años, aproximadamente en la misma época aparecen los peces.. los primeros animales se aventuran fuera de los mares hace unos 370 millones de años.

 Los dinosaurios a parecen entre los 225 y 65 millones de años. Casi simultáneamente aparecen otros pequeños animales de sangre caliente, los mamíferos, que han continuado evolucionando generando nuevas especies. En la evolución de la vida el hombre es un recién llegado. La evolución de la vida hacia formas más complejas, no ha significado la eliminación de las formas más simples.

Definiendo la vida: ¿Qué, cuándo y cómo? La exploración actual del Sistema Solar indica que solo en la Tierra se ha encontrado vida. Esto se debe a que tal vez es el único cuerpo del Sistema Solar que reúne las características adecuadas de temperatura y protección (primero loa océanos, luego la atmósfera).

¿Qué es la vida?, ¿Cuándo y cómo comienza?, después de milenios de tribulaciones seguimos sin repuestas definitivas. Sin embargo, el avance del conocimiento científico en el último siglo nos permite, por primera vez en la historia del pensamiento, plantearnos escenarios plausibles que nos expliquen cómo surgió la vida y por qué ésta aparece en la Tierra.

¿Qué caracteriza lo viviente? Los organismos vivos están formados de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre, metales pesados… pero las montañas, los ríos, las casas y hasta nuestros ordenadores también. Sin embargo las proporciones no son idénticas en la materia orgánica y en la inorgánica. Por ejemplo, el carbono abunda en los seres vivos. Hasta el extremo de que en ciencia se distingue entre química orgánica e inorgánica. La química orgánica es la química del carbono. El carbono es un elemento que parece, por tanto, tener "algo" que lo hace especialmente interesante para la vida. Su propiedad fundamental es que tiene cuatro electrones de valencia, es decir, cuatro electrones en su última capa y por ello es uno de los elementos más versátiles para formar compuestos consigo mismo y con otros elementos.

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Evidentemente, no todos los compuestos orgánicos están vivos. Uno de los grupos más importantes de compuestos de este tipo son los plásticos, que para muchos representan la imagen antitética de lo vivo.

ESTRUCTURA ATOMICA DEL CARBONO

Por tanto, aunque a vida está relacionada con la química del carbono, no podemos decir que este sea su rasgo definitivo. Si queremos encontrar otros atributos que caractericen la vida, debemos buscar también entre sus propiedades operativas. A la vieja usanza: lo vivo nace, crece, se reproduce y muere. Sin embargo, de nuevo nos encontramos con la misma cuestión que antes, ¿cuántos de estos rasgos son realmente exclusivos de los seres vivos? A veces, bajo ciertas condiciones el fuego puede surgir espontáneamente, los caudales de agua crecen en función de las precipitaciones, los cristales se reproducen a sí mismos manteniendo su estructura y los volcanes decimos que mueren cuando dejan de estar activos. Más modernamente se citan características como autoorganización, procesos con transferencia de energía, capacidad de autorregulación (homeóstasis) y capacidad de autoreplicación en referencia a lo vivo. A la visión energética clásica de la vida, proveniente de la termodinámica, se ha unido, en los últimos decenios, una perspectiva informacional, fruto de la revolución en las telecomunicaciones. La vida no es sólo un proceso energético a contracorriente, sino un flujo de información. Pero esta amplitud de miras, no ha acabado por refrendarnos una definición de vida, sino más bien de abrirnos la puerta a otros universos posibles. No parece por tanto fácil especificar ninguna propiedad aplicable sólo a la vida. Pero la definición vaga de qué es el Santo Grial, no puede detener su búsqueda.

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3. TEORÍAS DEL ORIGEN DE LA VIDA Revisando algunas teorías del Origen de la Vida Otra cuestión es el origen de la vida. ¿Cómo apareció el Santo Grial? Es un tema que arrastra una fuerte carga emocional. Y durante muchos siglos las únicas respuestas fueron de carácter religioso: la vida se habría originado en la mente de Dios o dioses, sería el resultado de un proceso sobrenatural. La alternativa a esta visión se ha forjado dentro del marco científico en los últimos siglos. Veamos una somera revisión estas teorías. Más allá de la explicación divina, una de las primeras justificaciones científicas – aunque todavía envuelta de un cierto halo sobrenatural- es la teoría de la generación espontánea, que fue alternativamente aceptada y rechazada entre finales del XVII y finales del XIX. El principio de esta explicación parte de la observación de la existencia de larvas de mosca en la carne y otros restos en putrefacción, que llevó a pensar que estas surgían espontáneamente. En 1688, Francesco Redi ya planteaba

que estas larvas procedían de puestas

previas, y esta idea junto con las primeras observaciones de organismos sólo visibles al microscopio fueron los primeros intentos de desautorización de esta teoría A mediados del siglo XVIII Lazzaro Spallanzani realizó un sencillo experimento que refutaba la generación espontánea. Para ello, tomó un recipiente con un caldo de cultivo turbio, por la presencia de microorganismos. Lo sometió a calor, hasta hacerlo hervir, y lo cerró herméticamente para que no estuviera en contacto con el aire. El caldo después de hervir paso de su aspecto turbio a ser un líquido trasparente y estéril, y así se mantuvo. El razonamiento era que, si la turbidez implicaba la presencia de organismos y la claridad la esterilidad, el mantenerse limpio, como así sucedió, era una prueba de que los organismos no habían vuelto a aparecer espontáneamente. Sin embargo fue Pasteur en 1862, el que diseño los experimentos que permitirían acabar para siempre con esta teoría. Primero demostró la existencia de microorganismos en el aire, y que el calor los eliminaba. Con estas premisas, ideó unos matraces de cuello de cisne y colocó en ellos una sustancia nutritiva que permitiría el crecimiento de los microorganismos. Calentó dos matraces y los esterilizó. Después dejó uno de los matraces con el cuello intacto, de manera que los microorganismos quedasen atrapados en él y no llegaran al medio de cultivo, y rompió el cuello del segundo. El primero siguió estéril, mientras que en el segundo crecieron organismos en el medio nutritivo.

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A partir de este momento, la actitud vitalista decae y toman fuerza las explicaciones de carácter científico-experimental, dentro de las cuales se encuentra la teoría de la evolución química-prebiótica de la que hablaremos seguidamente. Pero antes haremos referencia a una teoría, que aunque presente en la antigüedad, ha cobrado auge en los últimos años, al hilo de los análisis realizados a meteoritos encontrados en la Tierra: es la teoría de la Panspermia. El termino panspermia significa en griego “sembrar en todas direcciones”. Su dogma central es que la vida pudo llegar a nuestro planeta desde el espacio exterior, gracias a los meteoritos u otros objetos que colisionaron con la Tierra en la época Arcaica. Estos objetos portarían células u organismos simples, que fueron depositados sobre la superficie de la Tierra, y que se revitalizarían cuando las condiciones ambientales fueran las adecuadas, desarrollándose, sembrando la vida en el planeta y evolucionado a lo largo de millones de años para dar las formas actuales de vida.

Las bacterias son

organismos muy resistentes. Pueden encapsularse y resistir condiciones de lo más adversas. Permanecen así en un estadio silente hasta que las condiciones del entorno se hacen adecuadas, ¿Podrían formas de vida primitiva haber sobrevivido al duro espacio exterior, con su alta energía de radiación, sus temperaturas de congelación y el vacío? Los detractores de la teoría opinan sencillamente que no. Y añaden las condiciones terrestres que seguirían al impacto. Sin embargo, las investigaciones de los últimos años sobre la vida en ambientes extremos han hecho que nuestra visión del margen de viabilidad para la vida cambie considerablemente. El debate científico está servido. Ahora, ¿por qué resurge esta hipótesis sobre el origen de la vida? Hay dos motivos para ello. En primer lugar el descubrimiento por parte de los astrónomos Fred Hoyle y Chandra Wickramasinghe de moléculas orgánicas en el espacio interestelar. Así, no la vida, pero sí los compuestos básicos de la vida, se encuentran más allá del Planeta Azul. De manera que pueden haber sido transportados hasta aquí, y evolucionar gradualmente a través de acontecimientos químicos naturales. Un segundo hecho que apoyó aún más la teoría de la panspermia, fue el anuncio por parte de NASA en 1996 de evidencias de vida en los restos de un meteorito marciano: el ALH84001, del que ya hablamos.

Este meteorito contenía glóbulos de carbonato con minerales

cristalizados de tipo magnetita, pyrrhorita y greigita, que en principio se consideraban exclusivamente de origen biogénico. Se especuló incluso con ciertas estructuras que recuerdan a bacterias fosilizadas. Aunque los investigadores que presentaron este descubrimiento siguen firmes en su opinión de que es una evidencia de vida antigua en Marte, la polémica sobre si esas evidencias son o no válidas sigue aún hoy en día.

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Muchos científicos puntualizan que mientras ciertos rasgos del meteorito pueden parecer producidos por procesos biológicos, estos mismos rasgos pueden tener un origen no biológico. En cualquier caso, la realidad es que la Teoría de la panspermia podría explicar cómo mucho la proliferación de vida en el universo, y un posible escenario en la Tierra, pero no el origen de la vida en el Universo. La pregunta sigue siendo: ¿Cómo se formaron esas primeras moléculas "vivas"? Evolución química Retomando, la evolución química es la teoría sobre el origen de la vida mayoritariamente aceptada por la comunidad científica. Pretende demostrar que la vida surge a partir de elementos químicos sencillos, que van generando bloques moleculares cada vez más complejos. Así la materia evolucionaría desde las formas inorgánicas inertes hasta la materia orgánica viva. La base de referencia de esta teoría es doble.

Por un lado, Darwin y su teoría de la Evolución biológica, que produjo un cambio paradigmático en la manera de ver los procesos naturales. La evolución darwiniana nos muestra como la variabilidad y la selección actúa como motores del cambio en la naturaleza

Hipótesis de Oparin El otro punto de referencia surge dentro de este nuevo contexto paradigmático. Alexander Ivánovich Oparin, bioquímico soviético, postuló a principios de los años 20 que las moléculas orgánicas habían surgido en la superficie de la Tierra a partir de los compuestos inorgánicos y habían evolucionado hacia las formas más primitivas de vida. En 1936, Oparin presentó una versión revisada y ampliada de El origen de la vida. Sostenía: “el carbono arrojado por los volcanes se combinó con vapor de agua,

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formando hidrocarburos. En el océano, esas moléculas se hicieron más complejas y se amontonaron en gotitas llamadas coacervados (acervus, en latín, significa montón). De a poco, los coacervados fueron adquiriendo las características de las células vivas. Esas células eran microbios anaeróbicos, porque en aquel entonces no había oxígeno en la atmósfera”. Oparin explicó el origen de la vida en términos de procesos físicos y químicos. Una progresión de lo más simple a lo más complejo. Rompió así el círculo vicioso que afirmaba que las sustancias presentes en los seres vivos solamente podían ser fabricadas por los seres vivos. La consideración de unas condiciones ambientales muy diferentes a las actuales por parte de Oparin, es posiblemente una de los aspectos que da más consistencia a su teoría — aun asumiendo que las condiciones reales no fueran exactamente las mismas. La hipótesis de Oparin se planteaba en los siguientes términos: existía una atmósfera primitiva de fuerte carácter reductor. A diferencia de la nuestra, rica en Oxígeno y Nitrógeno, la atmósfera primitiva tenía una ausencia prácticamente total de oxígeno y contaba con la presencia de gases reducidos como metano (CH4), amoníaco (NH3) e Hidrógeno molecular (H2), acompañados de vapor de agua. Había también una gran cantidad de "energía libre en el ambiente" debidas a la alta actividad volcánica y las fuertes tormentas eléctricas. Como consecuencia de la ausencia de la capa de ozono, los niveles de radiación ultravioleta eran muy superiores a los actuales. En este ambiente, siempre según la teoría, se favorecieron las reacciones de los gases atmosféricos y la formación de las moléculas orgánicas, que se acumularon en los océanos primitivos formando la llamada "Sopa Primordial". Este "pequeño estanque caliente"; fue teorizado por el propio Darwin en el siglo XIX. Pero, ¿cómo pudo evolucionar semejante escenario gótico? Las reacciones químicas que explican cómo estos compuestos inorgánicos se transforman hasta dar las primeras formas de vida, forman el cuerpo de la teoría quimiosintética. Experimento de Miller El primer paso es la transformación fortuita de las moléculas de gases reductores atmosféricos, en moléculas orgánicas sencillas, gracias al aporte energético. Esta hipótesis fue reforzada con los experimentos de Stanley Miller (1953). En su ya más que famoso experimento, Miller simuló las condiciones de la Tierra primitiva en el laboratorio, tanto de la atmósfera como de los océanos. Para ello ideó un sistema de tubos donde se encontraban los gases reductores que emulaban la atmósfera — amoniaco (NH3), metano (CH4), hidrogeno molecular y vapor de agua. El final del

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sistema tubular se abría en una vesícula que contenía agua y que emulaba el océano. Todo el sistema estaba herméticamente cerrado para que los gases no se escaparan y pudiera simularse, de forma repetitiva, secuencias de evaporación condensación. Para simular estas secuencias se calentaba la vesícula, con lo cual se evaporaba el agua que circulaba por el sistema y entraba en contacto con los gases reductores, y luego se dejaba enfriar para que condensara, como si "lloviera". Sin embargo, en ausencia de energía, esta lluvia estaba limpia. Era necesario aplicar alguna forma de energía que favoreciera la ruptura de los enlaces de las moléculas gaseosas y de esta forma convertir los choques al azar de las moléculas en reacciones químicas efectivas, que originan moléculas distintas y más complejas.

Un elemento crítico del experimento, es por tanto la cantidad y el tipo de energía que se utilice. En el experimento de Miller se utilizaron electrodos que generaban descargas eléctricas. Con un poco de imaginación, podemos comparar las chispas de estas descargas con los rayos que se producen en una tormenta. Después de aplicar energía en el sistema durante varias semanas, alternando las fases de evaporación y condensación, Miller encontró sedimentos en el fondo de su "océano". Los análisis químicos mostraron que ese sedimento estaba formado por moléculas mucho más complejas que las iniciales. Y lo que es más importante, que en gran medida estaba formado por algunos precursores de la vida: aminoácidos, hidrocarburos de cadena larga, otros ácidos orgánicos (fórmico, acético…), azúcares y

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precursores nucleótidos. En la teoría, estas moléculas formadas en la atmósfera habrían caído al océano primitivo por efecto de la gravedad o de la lluvia, como si de maná se tratara. A partir de aquí, este modelo experimental fue repetido por multitud de investigadores, que introdujeron sus propias modificaciones en la mezcla de gases, la fuente de energía y el tiempo. En todos los casos el resultado era el mismo: la formación de moléculas orgánicas complejas. Siempre y cuando se cumplieran dos condiciones:

1.

Que estuvieran presentes el metano y el amonio, ya que si no los rendimientos en la formación de las moléculas orgánicas disminuye escandalosamente, y

2.

Que no exista oxígeno libre, aún con pequeñas cantidades la presencia del oxígeno supone la oxidación de los gases y el fracaso del experimento. Tenemos así los "ladrillos" de la vida.

¿Cómo se pudo progresar a partir de aquí? La siguiente etapa consiste en que se produzcan las reacciones químicas necesarias para la formación de macromoléculas orgánicas más complejas y de mucho más valor bioquímico. La secuencia imaginada sería algo así: los aminoácidos formados se unen dando lugar a péptidos y proteínas, los hidrocarburos se combinan originando las moléculas grasas, los carbohidratos se unen y forman almidón y otros azúcares complejos y las bases nitrogenadas forman los ácidos nucleicos. La Evolución Prebiótica o Precelular, recoge todas las etapas y procesos hasta la aparición de las células, organismos autosuficientes que marcan el inicio del mundo tal y como lo conocemos hoy en día. En esta fase las macromoléculas generadas en la evolución química, se organizan en estructuras definidas, como una unidad, y con propiedades que recuerdan ya a los organismos vivos. Estas estructuras son acúmulos moleculares definidos por una delimitación física y teóricamente son los ancestros celulares. En esta fase tienen que darse dos fenómenos diferentes y complementarios: la aparición de una delimitación física, membrana o similar, y la aparición de significaciones biológicas complejas -como el control de la reproducción, actividades internas relacionadas con procesos energéticos y fundamentalmente la transmisión de la información- asociadas a los polímeros de aminoácidos y nucleótidos existentes.

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4. INICIO DE LA VIDA Individualización: la separación del medio original Uno de los momentos cruciales de la historia de la ciencia, fue la determinación de que la célula era la unidad funcional y estructural de los organismos, gracias a los trabajos del botánico Matthias Schleiden en 1838 y del zoólogo Theodor Schwann en 1839.

Pero la célula no es sólo la unidad mínima de los organismos superiores, sino que es también la forma más sencilla de vida. Se trata de un sistema aislado del entorno por una membrana. Así, y en relación al origen de la vida, tenemos que preguntarnos: ¿cómo se produce el aislamiento del entorno?, ¿cuándo aparece la membrana?, y ¿cómo es esta membrana "primigenia?". En nuestro ambiente primigenio y al mismo tiempo que se formaban los polímeros, vimos cómo eran normales las reacciones de deshidratación-rehidratación. Gracias a estas reacciones pudieron darse los primeros fenómenos de aislamiento de las sustancias

orgánicas

prebióticas

disueltas,

formando

los

primeros

sistemas

individualizados.

Hay dos hipótesis interesantes respecto a qué tipo de sistemas se pudieron formar: 

Una primera posibilidad se trata de la estructura que se forma espontáneamente,

cuando calentamos disoluciones con concentraciones altas de aminoácidos, de manera que se estructuran y organizan en microesferas proteicas. Estas pequeñas esferas son muy resistentes y se forman fácilmente en grandes cantidades a partir de aminoácidos que se polimerizan por acción del calor. Su tamaño, en torno al micrómetro, es similar al de las células de hoy en día. Por otro lado, estas microesferas proteinoides producidas en el laboratorio presentan gran similitud morfológica e incluso dinámica con las células. Aunque la estructura que forman es una monocapa, al aumentar el pH del medio externo puede formar una bicapa semejante a las membranas naturales. Además esta capa se comporta como si fuera una membrana semi-permeable, con fenómenos osmóticos, que permiten la entrada de moléculas externas (como si "comieran"), lo cual a su vez las hace crecer. Si existen turbulencias en el medio se produce la ruptura de la microesfera en otras más pequeñas (como si se dividiese). Parece por tanto que comen, crecen y se dividen como si fueran una célula primitiva. Pero la analogía sólo es aparente.

46



Una segunda hipótesis nos habla también de una estructura esférica formada por

calentamiento de polímeros orgánicos, a la que se denomina coacervato. ¿Qué la diferencia de las microesferas? En primer lugar su tamaño, de 1 hasta 500 micrómetros. Y en segundo lugar que las sustancias que participan son proteínas y carbohidratos. Oparin los propuso como modelo de evolución prebiótico, demostrando que en estos sistemas tenían lugar una serie de procesos físicos y químicos de cierta complejidad, entre los cuáles uno de los más importantes son la formación de polímeros.

Los

coacervatos

muestran

también

un

importante

número

de

características similares a las de una célula: intercambian materia con el medio, pueden aumentar de tamaño hasta que se vuelven inestables rompiéndose en gotitas más pequeñas y las reacciones de formación de polímeros pueden considerarse como un metabolismo sencillo, en forma de reacciones químicas controladas internamente. Ambas estructuras, microesferas y coacervatos, son capaces de mantener reacciones químicas en su interior a velocidades diferentes a las que tendrían en el medio externo. Por otro lado, podemos decir que los coacervatos son algo más complejo, lo que se demuestra en su mayor estabilidad y en que las microesferas tienen propiedades catalíticas más sencillas. El estudio de estos precursores muestra la importancia de aislar el interior del exterior, permitiendo al mismo tiempo el intercambio de materia y energía. ¿Qué pasó entonces? Podemos afirmar que la existencia de dos fases físicas diferentes implica la formación de una región de interfase. Este fenómeno es espontáneo y lleva a la formación de una membrana. La naturaleza de la membrana depende de las moléculas presentes en las fases. Al formarse los sistemas precelulares en la Tierra primitiva, algunas proteínas, lípidos y carbohidratos presentes pudieron haberse convertido en el material de donde surgieron las primeras membranas, orgánizándose espontáneamente en una red estructural, quizás con los lípidos en forma de micela, alrededor de una gota rica en compuestos orgánicos La membrana primitiva Estamos interesados por tanto en las moléculas similares a los lípidos que tienen capacidad de autoensamblaje para formar una bicapa lipídica. En principio pensaremos en moléculas antipáticas, esto es, que tienen un grupo hidrofílica (afín al agua) y otro hidrofóbico (que rehuye el agua) en la misma molécula. Los ácidos grasos son las formas más simples de estas moléculas. Esta característica de ser anfipático es la que en última instancia dirige la formación de las micelas, ya que los grupos hidrofóbicos tienden a huir del agua y quedar recluidos en un espacio interior aislado.

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Sin embargo, la micela simple no nos sirve, ya que en la célula vamos a necesitar que haya también un medio acuoso donde las sustancias estén disueltas. Por ello es necesaria la formación de una bicapa lipídica. Esta bicapa lipídica está formada en las membranas celulares por fosfolípidos, sustancias anfipáticas en las que el grupo hidrofóbico es un fosfato. Por ejemplo, la fosfatidilcolina, con 12 carbonos y un grupo fosfato, produce membranas bicapa, que tienen permeabilidad para iones, aunque relativa comparada con los fosfolípidos de 16 y 18 carbonos que forman las membranas biológicas. Las membranas no pueden funcionar si están en estado de gel. De hecho, el estado de las membranas funcionales es un estado fluido. De hecho, al modelo de la membrana biológica se le llama modelo del mosaico fluido. Esta característica está determinada por la longitud de las cadenas carbonadas, su saturación o insaturación (presencia de dobles enlaces) y en las membranas de algunas células procarióticas las cadenas laterales. Si esto es así ahora, no hay ninguna razón para pensar que en la formación de las membranas primitivas todos estos requerimientos no estuvieran presentes. Algunas cuestiones a tener en cuenta son, en primer lugar, la dificultad de sintetizar cadenas de carbono de como mínimo 12 átomos en las condiciones de la Tierra primitiva, además de la necesidad de oxigenar estos hidrocarburos para formar ácidos grasos. Por último está la unión de estas cadenas a grupos fosfatos para formar los fosfolípidos, ya que la fuente inorgánica de fosfato para ello no es obvia en este escenario. Estas cuestiones están aún por resolver, aunque tenemos también evidencias positivas (relacionadas con los compuestos orgánicos encontrados en meteoritos) que sugieren que la formación de estructuras membranosas es posible, aunque todavía no podamos explicar cómo. Ya hemos dicho, que el papel mínimo de las membranas en el origen de las primitivas células es la separación y encapsulación de las moléculas catalíticas y replicativas.

Pero esto tiene otras consecuencias fundamentales que no debemos olvidar:

1) La membrana genera un medio en el cual los componentes macromoleculares están por un lado en contacto y por otro pueden sufrir el proceso selectivo y variar (evolucionar). 2) Las consideraciones bioenergéticas, en las que las membranas actuales juegan un papel esencial al estar asociados a ellas los pigmentos del sistema fotosintético, además de llevar acoplados un sistema de transporte de electrones que produce un

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gradiente quimio-osmótico, que sirve como fuente de energía primaria para la célula. En ausencia de esta estructura de membrana, la luz no podría ser captada y el gradiente iónico no podría desarrollarse.

3) Por último, la membrana aporta el potencial para el transporte selectivo de nutrientes específicos. En este sentido, parece que células primitivas pudieron haberlo necesitado para concentrar alguna sustancia que resultara esencial dentro del amplio repertorio que existía en la Tierra primitiva.

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CAPITULO III: Los Seres Vivos CONTENIDOS 1. INTRODUCCION 2. EL ORIGEN DE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 

Autótrofos y heterótrofos



Célula procariota y eucariota

3. LA CELULA  Las Teorías celulares  Características de los seres vivos  Características fundamentales

4. CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS

 Taxonomía  Reinos  Dominios

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1. INTRODUCCIÓN Teorías sobre el origen de la Vida Ante la pregunta ¿Cómo, donde y cuando se originó la vida? ...existen pocas certezas y unas cuantas dudas. Los avances del conocimiento científico en el último siglo nos permiten, por primera vez en la historia del pensamiento, plantearnos escenarios posibles que nos expliquen cómo surgió la vida y por qué ésta aparece en la Tierra. Es así que hoy podríamos decir que: La Tierra hace 4 600 millones de años necesariamente tuvo que ser un gigantesco reactor en cuyo seno se producían una multitud de conversiones físico - químicas. El proceso de formación de la estructura sólida del planeta debió acompañarse de complejísimas transformaciones de fases. Hacia el núcleo precipitarían los elementos más pesados y sus combinaciones; un estrato intermedio debió formarse a partir de las sustancias que entraran en la categoría medio pesadas, mientras su superficie se concentraría en los elementos relativamente más livianos. Una envoltura de gases quedó atrapada como resultado del campo gravitacional de la Tierra. En sus primeros 1000 millones de años de vida la tierra era inhabitable. Tal cantidad de tiempo le llevo enfriarse. Es probable que la atmósfera primitiva no contuviera Oxigeno ni Ozono La mezcla de sustancias simples inorgánicas, constituyentes de la atmósfera primitiva del planeta, expuestas presumiblemente a la acción de intensas "sacudidas" energéticas produjo el caldo de aminoácidos que en mares bajos, fue el ambiente propicio para el origen de la vida. Este temprano período que puede haber durado unos 1500 millones de años o sea una tercera parte de la historia de la tierra se ha llamado período de la evolución química. Creemos, según la tesis adelantada en 1924 por el científico ruso Oparin, que estos primeros sillares (ladrillos) de construcción experimentaron una condensación abiótica formando los primitivos polipéptidos, polinucleótidos, polisacáridos y lípidos, a partir de cuyo caldo se formaron los primeros organismos vivos. Casi 30 años después de formulada la hipótesis de Oparin, Stanley Miller, demostró en un experimento clásico que a partir de una atmósfera reductora compuesta por vapor de agua, amoníaco, hidrógeno y metano y simulando condiciones que pudieron darse en la atmósfera de nuestro planeta hace miles de millones de años, en particular mediante la acción de descargas eléctricas, se obtenía una mezcla de aminoácidos. La aparición de la vida en nuestro planeta estuvo precedida por la formación de las proteínas (proteus: lo primero en griego), que comprende un proceso de condensación de aminoácidos en la superficie estereoespecífica de arcillas metálicas, y la síntesis de los ácidos nucleicos, principales portadores del código genético, que

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implicara la condensación de fosfatos con las ribosas y las bases heterocíclicas correspondientes. De coacervados o esferas protenoides bajo la acción replicante y orientada de los ácidos nucleicos surgieron las primeras manifestaciones de vida unicelular. Los océanos de entonces albergaron las primeras células que se piensa fueron heterótrofos anaeróbicos consumiendo los compuestos orgánicos disueltos en los mares. Con la proliferación de esas antiguas células el océano se fue empobreciendo de aquellos compuestos orgánicos y debieron surgir aquellas células que utilizaran compuestos orgánicos sencillos como el dióxido de carbono y como fuente de energía la luz solar. Surgieron así las primeras células fotosintéticas hace unos 3000 millones de años. Bacterias y algas durante millones de años aportaron oxígeno a los mares y a la atmósfera primitiva posibilitando la aparición y desarrollo, unos 570 millones de años atrás, de formas marinas de vida que obtuvieran energía mediante la respiración. Más de 170 millones de años debieron pasar aún para que se formara una capa de ozono estratosférica que absorbiera la radiación ultravioleta dura de los rayos solares. Gracias a esta capa protectora y al establecimiento en el planeta de condiciones climáticas favorables aparecieron en tierra firme las primeras arañas y ácaros y luego, unas decenas de millones de años más tarde los anfibios invadirían la tierra. Recientemente para la escala de los tiempos geológicos, hace un par de millones de años se inaugura la era del género homo que en su evolución da lugar, en el último millón de años atrás, a la especie erectus, habilis, sapiens). La historia del género humano respecto a la del planeta representa las últimas 4 horas de un año terrestre. Así según Darwin y los evolucionistas, toda las criaturas vivientes provienen de un solo ser vivo inicial, atravesando por millones de años, los procesos de selección natural de las especies natural de las especies, evolución, adaptación las extinciones y las mutaciones. Los neodarwinianos opinan que no es posible observar las huellas de Dios en la evolución de los seres vivos. No hay pruebas científicas de su mano divina. Los cambios suceden sin que los guíe un criterio ético. Los creacionistas, en cambio, aseguran que no es posible explicarse la inmensa complejidad de la vida sin la intervención de un ser superior. Les parece, además, que los seres humanos tienen un profundo sentido moral que sólo puede explicarse por la existencia de Dios. Se afirma, incluso, que existe un gen que predispone a los humanos a buscar a Dios. (La Nación, Domingo 11 de Diciembre de 2005).

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2. EL ORIGEN DE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Los protobiontes fueron los precursores evolutivos de las primeras células procariotas, es decir células sin núcleo. Los protobiontes se originaron por la convergencia y conjugación de microesferas de proteínas, carbohidratos, lípidos, nucleótidos (de ARN y de ADN), y otras substancias orgánicas e inorgánicas, encerradas por membranas lipídicas. El agua fue el factor más significativo para la configuración del endoplasma de los protobiontes. Las microesferas se agruparon dentro de envolturas membranosas para armar organelos dedicados a funciones especializadas. Por ejemplo, las microesferas de enzimas incluidas dentro de una membrana formaron lisosomas. Pensamos que el ARN fue el primer ácido nucleico en los protobiontes. Tal ARN era competente para producir proteínas autocatalíticas y no autocatalíticas. Algunas de esas proteínas autocatalíticas ayudaron en la auto-síntesis de ARN. Cuándo el clima era demasiado caliente, las enzimas necesarias para la síntesis del ADN no podían trabajar apropiadamente, principalmente porque el ADN es muy inestable a temperaturas muy altas. Después, cuando las condiciones del entorno fueron más propicias, las moléculas de ARN construyeron moléculas de ADN. Gradualmente, varios sectores de la membrana externa se invaginaron hacia el endoplasma, formando el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas, vacuolas, y otras estructuras membranosas, integrando a los primeros protobiontes. Los protobiontes carecían de una membrana nuclear (envoltura nuclear). Las mitocondrias y los cloroplastos eran protobiontes especializados para obtener energía del ambiente. Las mitocondrias eran protobiontes membranosos heterótrofos (con su propio ADN) que obtenían su energía de las moléculas orgánicas disueltas en grandes cantidades en su medio ambiente inmediato (quimiosmóticos). Algunas mitocondrias eran engullidas por otros protobiontes más complejos. Generalmente, las mitocondrias más tempranas eran usadas como alimento para otros protobiontes, pero algunas de ellas no eran procesadas como alimento, sino que persistían como simbiontes dentro de los protobiontes más complejos. Progresivamente, la relación funcional fue más esencial tanto para las mitocondrias como para los protobiontes, hasta que no pudieron prescindir unos de otros. Ésta es la teoría acerca del origen de los primeros heterótrofos protocariotas (por ejemplo, Archaea y Bacterias no autotróficas). La misma cosa aconteció con los cloroplastos, los cuales eran protobiontes quimioautótrofos. Los organismos quimioautótrofos eran capaces de obtener energía desde las substancias orgánicas de su ambiente (quimiosmóticos) así como

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también de transformar la energía lumínica en alimentos mediante la acción de la clorofila (autótrofos). Algunos protobiontes obtenían cloroplastos incorporándolos a su endoplasma como alimento. Pero por medio de algún mecanismo de auto-defensa, los cloroplastos persistieron en el endoplasma de los protobiontes más complejos. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos llegaron a ser una parte esencial de los protobiontes, dentro de los cuales ellos se mantenían como quimiosimbiontes. Tales protobiontes no pudieron subsistir sin los cloroplastos, y los cloroplastos no pudieron persistir fuera de sus anfitriones. Así se originaron las primeros autótrofos unicelulares (por ejemplo, las cianobacterias y las bacterias del azufre). A los primeros seres vivientes se les denomina arqueobiontes o progenotas. Un estromatolito es una agrupación de piedras caliza formada por la actividad de organismos unicelulares. Los científicos han encontrado algunos estromatolitos modernos. Los fósiles de organismos pequeños, como los encontrados en los estromatolitos, se llaman microfósiles. Los procariotas, como las bacterias que no poseen núcleo, son organismos modernos similares en apariencia a estos organismos antiguos. Las células más primitivas en la Tierra deben haber sido células procarióticas simples. Algunos biólogos piensan que estructuras como los coacervados evolucionaron por medio de un proceso de muchos pasos, hasta formar las primeras células procarióticas. Las

evidencias

fósiles

demuestran

que

los

procariotas

aparecieron

hace,

aproximadamente, 3500 millones de años. Es muy difícil señalar exactamente cuándo aparecieron por primera vez o saber la naturaleza de los primeros tipos de organismos. Sin embargo, algunos procariotas parecen haber aparecido primero que otros. La mayoría de los procariotas y eucariotas son aeróbicos. Un organismo aeróbico es aquel que requiere oxígeno. Claramente, si la atmósfera primitiva no incluía oxígeno, es poco probable que los organismos más primitivos fueran aeróbicos. Sin embargo, algunos procariotas son anaeróbicos; esto es, no necesitan oxígeno. Muchos científicos piensan que los primeros organismos que aparecieron eran anaeróbicos. Los metanógenos son ejemplos de organismos anaeróbicos que viven hoy en día. Un metanógeno es un procariota anaeróbico que cambia el hidrógeno, el bióxido de carbono o ciertos compuestos orgánicos a metano. Los metanógenos viven en el fango, debajo de cuerpos de agua donde hay poco oxígeno. Los metanógenos pudieron haber evolucionado en una atmósfera sin oxígeno debido a que son anaeróbicos. Ellos podrían ser similares a los primeros tipos de organismos que aparecieron.

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Probablemente, los próximos en evolucionar fueron los procariotas que podían llevar a cabo fotosíntesis, la cual utiliza bióxido de carbono. Si la atmósfera primitiva tenía bióxido de carbono, los organismos fotosintéticos podrían

haber

sobrevivido.

La

evolución

de

organismos

fotosintéticos

fue,

probablemente, un paso necesario antes de que pudiera aparecer un variedad más amplia de organismos. El oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis. Si la atmósfera primitiva no tenía oxígeno, los organismos fotosintéticos podrían haber añadido oxígeno a la atmósfera. Es difícil saber exactamente cuándo aparecieron por primera vez las primeras células eucarióticas, debido a la falta de evidencia fósil. Los eucariotas, o células con organelos, se desarrollaron mucho más tarde. Sin embargo, la mayoría de los biólogos creen que los eucariotas evolucionaron de los procariotas, hace de mil a dos mil millones de años. Se han propuesto varias hipótesis para explicar cómo pudo haber pasado esto. A una explicación se le llama la hipótesis simbiótica o endosimbiosis, la cual propone que las células eucarióticas evolucionaron de células procarióticas cuando algunos procariotas empezaron a vivir dentro de otras células, es decir, algunas células simplemente absorbieron otras o tal vez algunas células pequeñas se movieron hacia dentro de unas células grandes. Si ambas células se beneficiaban, podían haber continuado viviendo en esa forma. Las células más pequeñas podían haber continuado creciendo y dividiéndose dentro del hospedero más grande. La célula más grande también pudo haber seguido creciendo. Cuando la célula grande se dividió, cada unas de la células hijas pudo haber recibido algunas células "huéspedes".Llamamos simbiosis a la asociación entre organismos de diferentes clases, muchas veces con beneficio mutuo. En apoyo de la hipótesis simbiótica de esta teoría, los biólogos han demostrado la similitud de algunas organelas de células eucarióticas con algunas células procarióticas.

Así los cloroplastos son similares a las bacterias verde-azules. Los

organismos procariotas son, aproximadamente, del mismo tamaño, la misma forma y tienen, más o menos, la misma estructura interna que las mitocondrias y los cloroplastos que encontramos en las células eucarióticas. También se ha demostrado que las mitocondrias y los cloroplastos tienen su propio DNA y ribosomas, similares al DNA y a los ribosomas de las bacterias, y pueden llevar a cabo la reproducción y síntesis de proteínas.

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¿Qué ventajas pueden tener la simbiosis para las células procarióticas? Las mitocondrias proveen la energía de la célula. Tal vez han descendido de bacterias que podían producir tanta energía que tenían cantidades adicionales. Una célula hospedadora podría haber usado esta energía. A su vez, tal vez las bacterias se protegían de extremos de calor y frío o de pérdida de agua o de que se las comieran otras células. Los antecesores de los cloroplastos pueden haber obtenido ventajas similares, mientras le proveían alimento a su hospedero a través del proceso de la fotosíntesis. No todos los biólogos aceptan la Teoría Simbiótica, pues sostienen que de hecho el DNA en los cloroplastos y las mitocondrias, tendría que ocurrir algún proceso para transferir características hereditarias a lo que se convertiría en el núcleo. Algunos biólogos han ofrecido otra explicación para el desarrollo de células eucarióticas y proponen que las primeras formaron sus organelas por medio de invaginaciones y rompimientos de algunas regiones de la membrana celular.

Se puede encontrar evidencia que apoye tanto la hipótesis simbiótica como la hipótesis de que los organelos de eucariotas son el resultado de invaginaciones de la membrana celular. Tal vez ambos procesos jugaron un papel en la evolución de células eucarióticas. Algunos organelos pueden haberse formado por un proceso y otros pueden haberse desarrollado por otro proceso.

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3. LA CELULA Las Teorías Celulares El universo biológico que comprende desde los más pequeños microorganismos unicelulares hasta los más complejos organismos multicelulares agrupados en los diferentes reinos, comparten los mismos tipos de moléculas y un principio de organización a nivel celular. Las células constituyen las unidades biológicas autónomas de los seres vivos y el conocimiento de sus interacciones y de la integridad de las actividades que desarrollan nos permitirá conocer el desarrollo de los tejidos, de los órganos y sistemas que caracterizan cada reino con sus diferentes especies. Antecedentes históricos: Las primeras contribuciones documentadas sobre las características estructurales de las células, realizadas durante el siglo XVII, se atribuyen a Robert Hooke, un inventor y renombrado naturalista de su época, que utilizando el microscopio que había creado, describió las primeras células en una delgada lámina de caucho

como

pequeñas cavidades delimitadas por delgadas

paredes, denominando células a las cavidades (nombre que

le dio debido a su

parecido con las celdillas de un panal de abejas). Hoy sabemos que lo que Hooke observaba eran las paredes celulares en tejido muerto y que, debido a esta razón, no contenían nada en su interior. Luego extendió esas observaciones a otros vegetales, identificando las mismas estructuras “porosas”. Sin embargo, el propio Hooke hizo observaciones de células vivas, identificando un “jugo” en el interior de dichas celdas, que interpretó como parte del sistema de circulación de la savia. Esta observación fue confirmada posteriormente en los tejidos vivos vegetales cuando se comprobó que las mismas contenían un material gelatinoso y que también los tejidos animales estaban formados por pequeños cuerpos gelatinosos similares, reunidos sin paredes de separación. Las observaciones del microscopista holandés Van

Van Leeuwenhoek

Leeuwenhoek son todavía anteriores a las de Hooke e incluyen células aisladas vivas: espermatozoides, glóbulos rojos y hasta bacterias. Pero ni él mismo ni sus

contemporáneos

descripciones

del

mundo

correlacionaron microscópico

sus con

la

existencia de unidades elementales de la vida.

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De la misma manera, otros microscopistas como Malpighi,

descubrieron además

variadas estructuras en animales y vegetales, algunas de las cuales todavía llevan su nombre. Estos hechos demostrarían

Malpighi

que el mejoramiento de la calidad de las lentes, fue apenas anecdótico en el establecimiento de la teoría celular casi dos siglos después de estas primeras observaciones. Durante casi todo el siglo XVIII, hubo un gran estancamiento en la descripción de estructuras microscópicas, que apenas superaron las realizadas por microscopistas del siglo anterior. Coexistieron simultáneamente las ideas de células (Hooke), fibras (Haller) y vesículas o utrículos (Malpighi). Hacia finales del siglo XVIII y principios del XIX, surge en Alemania una corriente filosófica denominada “Naturphilosophie” (o filosofía de la naturaleza) cuyo áximo interés radica ba en resolver los enigmas de la naturaleza. Los seguidores proponían elaborar una filosofía basada en las enseñanzas de la naturaleza y por ello impulsaron con vigor las investigaciones en las distintas ramas de las ciencias naturales. Entre ellas la de los estudios microscópicos. Se destacó en este movimiento filosófico Lorenz Oken (1779 -

Lorenz Oken

1851) que, en 1805, concibe a los organismos macroscópicos como constituidos por la fusión de seres primitivos similares a los

“infusorios”.

Estos,

según Oken,

han perdido

su

individualidad en favor de una organización superior. También supone que estos organismos microscópicos deben ser esféricos debido a consideraciones exclusivamente estéticas y en el convencimiento de que debía mantener

cierta

correspondencia con la forma del planeta, no obstante estas observaciones proveyeron un marco teórico para interpretar las observaciones microscópicas. Es así como naturalistas franceses como el botánico Henri J. Dutrochet (1776-1847) o el zoólogo Felix Dujardin (1801-1860), prácticamente llegan a esbozar la teoría celular, asignando a las células (que todavía recibía diferentes nombres tales como utrículos, vesículas, glóbulos, etc.) un carácter de unidad estructural y fisiológica de los organismos. Dutrochet, denomina “sarcode” a la sustancia que conforma el interior de las células y este constituye el primer antecedente de la descripción del plasma celular denominado posteriormente protoplasma.

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Pero es en Alemania, donde los herederos directos de la “Naturphilosophie”, formalizan una verdadera teoría celular. Esta teoría supera en mucho, debido a su coherencia, a todas las propuestas anteriores y resuelve por el momento el tema de encontrar y caracterizar las unidades fundamentales de la vida. La primera teoría celular Hacia la década de 1830, se había descubierto la organización celular de vegetales y de ciertos tejidos animales (Dutrochet y

Purkinje

Purkinje, 1801), se había identificado el núcleo en las células vegetales (Robert Brown 1831) y se había descubierto en el interior de las células una sustancia a las que se asignaba el carácter de “materia viva”: el protoplasma (Dujardin, 1835). Pero es en 1838, cuando Schleiden, tomando como referencia el descubrimiento del núcleo celular por parte de Robert Brown, se aboca a describir y proponer una función para el mismo. De tal grado es la perseverancia en sus observaciones y la precisión que logra identificar dentro del núcleo al nucléolo. Los estudios de Mattias Schleiden se basaron siempre en vegetales y, dentro de estos, en la embriología vegetal o fitogénesis. Sus aportes a la teoría

celular

pueden

fundamentales. Primero

resumirse

en

tres

Schleiden

elementos

establece que todos los vegetales

están formados por células o dicho de otra forma que la célula vegetal es la unidad elemental constitutiva de la estructura de la planta. Segundo que el crecimiento de los vegetales depende de la generación de nuevas células. El tercero y último es que la célula se origina por diferenciación de una masa gelatinosa de la cual se organiza primero un nucléolo alrededor del cual se organiza el núcleo celular (que él llamó citoblastos) y sobre este último se adapta “como un vidrio de reloj a la esfera” una vesícula que va creciendo paulatinamente. A su vez, considera que la reproducción celular se produce en forma de yuxtaposición donde una célula se genera “dentro” de otra. En realidad, sólo la primera es totalmente cierta mientras que la segunda y la tercera son erróneas. Sin embargo, lo que importa fundamentalmente para el establecimiento de la teoría es el hecho de que, según la opinión de Schleiden, toda explicación sobre

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la génesis y desarrollo de una planta debe ser “reducida a la teoría celular”. Schleiden rechaza además la idea de una fuerza vital y considera que la explicación del mundo natural debe restringirse a una explicación del tipo mecanicista fundada en el experimento y la observación. Adelanta asimismo una posición de tipo evolutivo ya que, en 1842, sostiene que “dada la primera célula se abre el camino para la total proliferación del reino vegetal, que le permite ser edificado mediante la formación de variedades, subespecies, especies y así sucesivamente en un espacio de tiempo del que no tenemos noción alguna.” Además de sus contribuciones a la teoría celular, Schleiden se dedicó a la filosofía, disciplina en la que obtiene un doctorado. Publica también varias obras teológicas enmarcadas en la filosofía natural a la que adscribía y, dotado de un espíritu práctico muy particular, alienta a Carl Zeiss a montar un taller de óptica donde más tarde serán fabricados los mejores lentes de aumento de la época que, aún hoy, gozan de enorme prestigio El zoólogo alemán Teodor Schwann contribuyó a la teoría celular al extender al campo de los animales los descubrimientos hechos por Mattias Schleiden en las plantas. Uno de los objetivos declarados de Schwann era demostrar que cada

Schwann

célula y los tejidos que éstas forman tienen vida propia. Pretendía probar que el organismo es, simplemente, el resultado de una asociación celular. El fin de estas investigaciones era negar definitivamente el papel ampliamente aceptado de una “fuerza vital” y explicar la morfogénesis de los animales y vegetales por “principios mecánicos, sin la intervención de oscuras fuerzas inmateriales”. La nueva teoría sirvió como marco general para un extenso y fecundo programa de investigación en fisiología y anatomía que terminan por establecer la universalidad de la constitución de los seres vivos. Las conclusiones de Schleiden y Schwann se consideran que representan la formulación oficial de la ‘teoría celular' y sus nombres ya están estrechamente unidos a la teoría celular como aquellos de Watson y Crick con la estructura del DNA. Ambos llegaron a la conclusión de que: 

La célula es la unidad estructural básica de todos los organismos.

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

La célula constituye la unidad fundamental de los seres vivos.



Todo organismo vivo está constituido por una o por una multitud de células. Este es el enunciado básico de la teoría celular.

Características de los seres vivos  Los seres vivientes capturan energía del ambiente para mantener una organización

estructural en forma autónoma (autoorganización). Los seres inertes también pueden organizarse espontáneamente, no en forma autónoma. La célula tiene una organización específica, las células se reúnen para cumplir funciones específicas formando tejidos, los tejidos forman órganos y estos sistemas. Todos los procesos biológicos dependen de la acción coordinada de los niveles jerárquicos de organización.  Los seres vivientes pueden manipular la energía obtenida para dirigirla hacia la

ejecución de procesos necesarios en un momento dado; mientras que los seres inertes no pueden hacerlo (por ejemplo, los cadáveres, los cristales, etc.). Los organismos necesitan materiales y energía para mantener su elevado grado de complejidad y organización, para crecer y reproducirse. Los átomos y moléculas que obtienen de la naturaleza que los rodea, le aseguran el crecimiento, conservación y reparación. La suma de todas estas reacciones químicas que realizan las células recibe el nombre de metabolismo. El metabolismo es anabólico cuando estas reacciones químicas permiten transformar sustancias sencillas para formar otras complejas, lo que se traduce en almacenamiento de energía, producción de nuevos materiales celulares y crecimiento. Catabolismo, quiere decir desdoblamiento de sustancias complejas con liberación de energía.

 La reproducción de los seres vivientes es controlada mediante una serie de

subprocesos energéticos. Algunos seres inertes también son capaces de replicarse, pero no ejercen control alguno sobre su reproducción, la cual es espontánea y determinada por estados iniciales complementarios contiguos (por ejemplo los coacervados producidos en laboratorio, las proteínas autocatalíticas aisladas, los priones, etc.). Dado que toda célula proviene de otra célula, debe existir alguna forma de reproducción, ya sea asexual (sin recombinación de material genético) o sexual (con recombinación de material genético). La variación, que Darwin y Wallace reconocieran como fuente de la evolución y adaptación, se incrementa en este tipo de reproducción. La mayor parte de los seres vivos usan un producto

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químico: el ADN (ácido desoxirribonucleico) como el soporte físico de la información que contienen. Algunos organismos, como los virus (entre los cuales se cuenta el HIV), usan ARN (ácido ribonucleico) como soporte.

 Los descendientes de los sistemas termodinámicos vivientes conservan una

macroestructura organizada en un estado térmico de no equilibrio igual al de sus progenitores;

mientras

que

los

seres

generados

a

partir

de

sistemas

termodinámicos no vivientes ostentan variabilidad en sus estados térmicos que son determinados por las fluctuaciones en los estados termodinámicos de sistemas exteriores a ellos.  Los sistemas termodinámicos vivientes mantienen protegida la cantidad de

microestados que debieran incrementarse de manera espontánea (entropía), bloqueando temporalmente el aumento de su entropía local. Los sistemas termodinámicos no vivientes también pueden mantener limitado el número de microsistemas disponibles. Sin embargo, la energía de activación (Ea) para los sistemas no-vivientes proviene del ambiente que les rodea en forma espontánea, en tanto que la Ea para los sistemas vivientes proviene tanto del Cosmos para procesos espontáneos como de su estado cuántico de energía para procesos no espontáneos. Las estructuras organizadas y complejas no se mantienen fácilmente, existe una tendencia natural a la pérdida del orden denominada entropía. Para mantenerse vivos y funcionar correctamente los organismos vivos deben mantener la constancia del medio interno de su cuerpo, proceso denominado homeostasis (del griego "permanecer sin cambio"). Entre las condiciones que se deben regular se encuentra: la temperatura corporal, el pH , el contenido de agua, la concentración de electrolitos etc. Gran parte de la energía de un ser vivo se destina a mantener el medio interno dentro de límites homeostáticos.

Características fundamentales Orden: Existe una organización compleja en cada organismo que lo distingue de los seres inertes (un ser es cualquier cosa existente). Reproducción: La reproducción es la característica de vida que permite al individuo hacer copias de sí mismo. Aunque algunas moléculas orgánicas sean capaces de

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hacer duplicados de ellas mismas, ellas carecen de las otras características de los seres vivientes. La continuidad de la vida depende de la transmisión de las características hereditarias, las cuales residen en las moléculas de los ácidos nucleicos. Intransferencia de la vida: La vida, como uno de los estados cuánticos de los sistemas moleculares ordenados, no puede ser transferida, conferida o inducida a un sistema inerte, aun habiéndose tratado de un sistema anteriormente vivo, sino que solamente puede ser mantenida a través de la secuencia reproductiva de un biosistema que aún esté situado en el Campo Biótico. La vida solamente puede ser continuada a través de la generación de nuevos individuos a partir de individuos preexistentes. Esto se logra a través de la reproducción, en la cual la perpetuación de la estructura molecular juega el rol más importante. Evolución: El mundo viviente es el resultado de acontecimientos ocurridos a lo largo de miles de millones de años, que actuando en forma recíproca entre el mundo animado e inanimado. Ese proceso histórico que ha producido la forma y estructura del mundo viviente de hoy se llama evolución. Los seres vivientes actúan recíprocamente con su ambiente. Cuando las condiciones del entorno cambian, los organismos tienen que adaptarse a esos cambios. La evolución se refiere a los cambios que deben ocurrir en los organismos para que ellos se adapten a los cambios del ambiente. Para que esos cambios en el organismo sean considerados en el contexto de la adaptación evolutiva, ellos deben ocurrir en el ADN. De esta manera, el cambio será heredado a la progenie. Por otra parte, los cambios del ambiente implican también una evolución en el mundo inorgánico o no biológico, ejerciendo efectos mutuos.

La evolución no biológica es un concepto más que todo físico, relacionado con los cambios de masa y energía que han ocurrido en grandes períodos de tiempo, desde los diversos puntos de vista, incluyendo los cambios de clima, la superficie terrestre, etc. La evolución biológica se refiere al origen de la vida, el desarrollo y diversificaciones subsecuentes a través de miles de millones de años experimentados por las plantas, animales, y microorganismos actuales. Como concepto, se sostiene que todas las

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especies de origen contemporáneas no existieron iguales a las de ahora, si no que se han originado de otra especie ahora extinta, estas especies son los descendientes ancestros primordiales y, en la mayoría de los casos, más sencillos. La evolución como una sucesión ordenada y continua de los cambios es el tema que une una cantidad de hechos e información para constituir un panorama unificado, amplio y cohesivo de la naturaleza. Su pasado, su presente y, de cierta manera su futuro. Sus efectos se observan en cada campo del conocimiento y pensamientos humanos. La preocupación por conocer el origen de los seres vivos que nos rodean es, sin duda, tan antigua como el momento mismo en que las primeras sociedades humanas iniciaron el proceso de racionalización de sus relaciones de dependencia con la naturaleza y las empezaron a transformar en relaciones de dominio. La teoría de la generación espontánea

incorporada a los sistemas religiosos, se convirtió en el

instrumento de creación de la vida en la Tierra que utilizó la multitud de dioses de las mitologías de todos los tiempos. Estas ideas creacionistas, impregnadas de un fuerte carácter idealista, fueron enriquecidas por las culturas mesopotámica y egipcia, y transmitidas a los filósofos jónicos que habitaban en las ciudades griegas del Asia Menor. Las teorías de la generación espontánea fueron desarrolladas por los griegos, pero aquellos que fundaron o pertenecían a las corrientes materialistas del pensamiento suprimieron de ellas los elementos místicos, o intentaron reducirlos a su mínima expresión. Para Tales de Mileto, Anaximandro, Jenófanes y Demócrito, la vida podía surgir del lodo, de la combinación del agua con el fuego, del mar, o de cualquier otra combinación de los elementos; pero en todo este proceso los dioses no intervenían, ya que habían sido suprimidos o relegados a planos de menor importancia. Este punto de vista habría de encontrarse con la oposición obstinada de los idealistas y en particular de Platón, quien, dos siglos más tarde, predicaría en Atenas un sistema filosófico de carácter idealista con el que pretendería encadenar al hombre y a la naturaleza misma a un mundo supernatural regido por los dioses. Es difícil apreciar en toda su magnitud el valor de la obra de Aristóteles en las ciencias, y en particular en la biología; algunas de sus observaciones no sólo subsistieron durante toda la antigüedad, sino que siguen siendo válidas hasta nuestros días. Pero sus ideas sobre el origen de la vida fueron menos acertadas y reflejan claramente el carácter idealista de su filosofía. Es cierto que surgieron luego otras concepciones materialistas que se oponían a estos esquemas idealistas. Sin embargo, los puntos de vista aristotélicos se afianzaron y permanecieron casi indiscutibles durante cerca de dos mil años; el establecimiento de

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la Iglesia cristiana en el Imperio Romano y las hábiles piruetas filosóficas de los Concilios y los neoplatónicos, incorporaron las ideas creacionistas de Platón y Aristóteles a los dogmas teológicos, transformando y reagrupando algunos conceptos, como el de la entelequia, que pronto pasó a ser equivalente al del alma. La Iglesia aceptó de buen grado la idea de la generación espontánea, ligándola a la mitología bíblica, y las obras e ideas de los materialistas fueron olvidadas o perseguidas.

Redi y Spallanzani contra los Vitalistas La actitud de los hombres había sufrido cambios sustanciales con la desaparición del feudalismo. Incrédulos, los científicos reavivan su capacidad crítica; se empiezan a librar de la pesada carga que constituía la herencia de Aristóteles y comienzan a someter a la experimentación todas las ideas y teorías. Imbuido plenamente de este espíritu, Francesco Redi, un médico toscano asesta en 1668 los primeros golpes experimentales a la teoría de la generación espontánea. Preocupado por el origen de los gusanos que infestaban la carne, logró demostrar que éstos no eran sino larvas que provenían de los huevecillos depositados por las moscas en la misma carne. Sus experimentos, vistos ahora, nos parecen sencillos: simplemente colocó trozos de carne en recipientes tapados con muselina. No solamente no se agusanó la carne, sino que al examinar la tela pudo observar en ella los huevecillos que no habían podido atravesarla.

En Inglaterra, Needham intentó demostrar la existencia de una fuerza vital mediante cientos de experimentos, en los cuales llenaba botellas con caldos nutritivos, los hervía durante dos minutos aproximadamente, y luego las sellaba. Inevitablemente, y a pesar de todas sus precauciones, los caldos se infestaban de microorganismos. Needham concluyó que la generación espontánea de microorganismos era el resultado obligado de la materia orgánica en descomposición, al ser animada por una fuerza vital. Pero, en Italia, Lazzaro Spallanzani no aceptó las conclusiones de

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Needham. Convencido de que los resultados que éste había obtenido eran provocados por una esterilización insuficiente, repitió los experimentos hirviendo sus medios de cultivo durante lapsos mayores, y en ningún caso aparecieron microbios en ellos. Pasteur y la generación espontánea En realidad, Pasteur había trabajado desde antes de 1862 en los problemas de la acidificación de la leche, de la fermentación del jugo de uva y de la transformación del vino en vinagre. Esta experiencia le permitió diseñar una serie de experimentos sencillos y elegantes que acabaron por negar por completo la idea de la generación espontánea. Lo primero que hizo Pasteur fue demostrar que en el aire había una gran cantidad de microorganismos. Para ello, filtró aire a través de algodón, que luego disolvió, y pudo así

Luis Pasteur

observar en el residuo sólido que obtenía una gran cantidad de microorganismos. Lo que Pasteur no dijo en público, fue su convicción de que en la historia de la Tierra la generación espontánea tuvo que haber ocurrido al menos una vez, porque, de otra forma, ¿cómo explicar el origen de los seres vivos? Ciertamente los experimentos de Pasteur representaron un triunfo de la ciencia contra el oscurantismo y el misticismo de los vitalistas; pero también vinieron, a colocar en aprietos a los científicos que se quedaban por el momento sin la única teoría que explicaba el origen de la vida en la Tierra. En este sentido, los experimentos de Pasteur eran concluyentes e irrefutables. Mecanicismo y paspermia La atención que atrajeron sobre sí los resultados de los experimentos de Pasteur, habría de provocar el abandono parcial del estudio del origen de la vida. Pero no todos compartían este desdén por una cuestión tan fundamental. Algunos, como los científicos que pertenecían a las escuelas

mecanicistas,

trataron

de

resolverlo,

aunque

infructuosamente, al proponer que en el pasado había surgido, gracias

Arrhenius

a un feliz accidente, una "molécula viviente".

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Otra posible solución fue sugerida por Arrhenius en 1908, quien propuso lo que él llamó la teoría de la panspermia. De acuerdo con ésta, la vida habría surgido en la Tierra desarrollándose a partir de una espora o una bacteria que llegó del espacio exterior, y que a su vez se habría desprendido de un planeta en el que hubiese vida. A la teoría de la panspermia, sin embargo, era fácil oponer dos argumentos: por una parte, las condiciones del medio interestelar son poco favorables para la supervivencia de cualquier forma de vida, incluyendo las esporas y, por otro lado, Arrhenius no solucionaba el problema del origen de la vida ya que no explicaba cómo se podría haber originado en ese otro planeta hipotético del cual se habría desprendido la espora o la bacteria. Darwin, Engels y el Evolucionismo A partir de la segunda mitad del siglo XIX, el pensamiento científico había sufrido una transformación revolucionaria con la aparición de la obra de Charles Darwin, El origen de las especies. Si bien es cierto que muchos autores anteriores a Darwin se habían preocupado por el problema de la evolución de las especies, él fue el primero en proponer que las especies no son invariables, sino que, basado en su teoría de la selección natural, postulaba que cambiaban constantemente. Darwin no habla en su obra, explícitamente del problema del origen de

Darwin

los seres vivos, pero ciertamente daba un marco de referencia estrictamente materialista para estudiarlo, restando con ello toda validez al pensamiento vitalista. Ciertamente, aquí están plasmadas las ideas de Darwin acerca del origen de la vida; pero ni las hizo públicas, ni tampoco el desarrollo de la ciencia en sus días, en especial el de la química orgánica, había

alcanzado un nivel que

permitiese la comprobación experimental de esta posibilidad.

Federico Engels, por su parte, preparando su obra Dialéctica de la naturaleza, se preocupó también por el origen de la vida. Engels señaló claramente que la vida en la Tierra no era el resultado de la intervención divina ni un accidente de la materia, sino que representaba un paso más en los procesos de evolución de la naturaleza, dentro de los cuales la materia puede alcanzar niveles de complejidad creciente, yendo de lo inorgánico a lo orgánico y de lo orgánico a lo biológico.

Frederick Engels

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Los hechos esenciales de la evolución y sus causas como fueron presentados por Darwin y Wallace en 1850 pueden resumirse como sigue. 1.

Sobreproducción:

los

organismos,

debido

a

su

prodigiosa

capacidad

reproductora, producen más descendencias de la que puede sobrevivir o llegar a la madurez. 2.

Constancia del tamaño de población: a pesar de la tendencia de una especie para aumentar su población en proporción geométrica o exponencial, la población permanece más o menos constante en períodos largos. Por consiguiente debe existir un grado apreciable de mortandad, debido en parte a limitación de espacio y alimento.

3.

Variación: Todos los miembros de una especie dada no son semejantes, pues presentan variaciones en muchas de sus características.

4.

Selección natural: son aquellas variaciones que favorecen a los organismos en la competencia para sobrevivir en un medio dado, favorecerán su existencia en comparación en aquellos organismos y su progenie que posean menos variaciones adecuadas. De esta manera se efectuará entre los individuos de la especie una selección natural, en favor de aquellos miembros cuyas variaciones los adaptan más efectivamente a las condiciones del medio ambiente.

5.

Herencia: puesto a que la herencia es un hecho, como lo indica la semejanza entre progenitores y progenie, los individuos pasarán la mayor parte de sus variaciones o adaptaciones favorables a las generaciones sucesivas. De esta manera, las adaptaciones, en el curso de muchas generaciones, se modificarán incesantemente, mejorando la especie para adaptarse mejor a su medio ambiente.

En efecto, la teoría se basó en hechos establecidos de sobreproducción, constancia de tamaño de población, variaciones y semejanzas hereditarias entre padres y progenie. Sin embargo, estos científicos no pudieron explicar cómo ocurre la evolución, ni como pasaban las variaciones de una generación a otra. Fue el monje agustino Gregor Mendel quien a través de sus estudios introdujo la genética al campo científico proveyendo las respuestas necesarias.

La suma de ambas teorías se conoce como la teoría NEODARWINIANA o Teoría sintética de la evolución.

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A partir de los resultados de sus trabajos realizados con el entrecruzamientos de semillas de plantas de diferentes colores, Mendel pudo enunciar las primeras leyes de la genética estableciendo los caracteres hereditarios que se transmiten en forma dominante y recesiva, es decir aquellos que se expresan y los que permanecen ocultos. Así surgen los conceptos actuales de genotipo y fenotipo. Genotipo significa la totalidad de genes que poseemos al nacer, la suma de los aportados por el padre y la madre. Pero de éstos, los que se expresan, los que se ven,

constituyen el fenotipo, el cual

también es influenciado por el medio ambiente. Por ejemplo, un

Gregor Mendel

individuo que hereda una talla alta de ambos padres (genotipo), seguramente tendrá idéntica talla (fenotipo), pero si durante su vida intrauterina o infancia fue mal nutrido, no alcanzará la talla de sus padres, con lo que se queda demostrado que el fenotipo es la suma de lo heredado más el medio ambiente. Es el fenotipo, y no el genotipo, lo que se expone al ambiente. Por fenotipo no solo debemos entender la apariencia externa de un individuo, también su metabolismo o por ej.: la capacidad de que una enzima actúe a una determinada temperatura son características fenotípicas sobre las que actúa la selección natural. Debemos recordar además que el fenotipo es la expresión de muchos genes diferentes, y también es el producto de las interacciones del genotipo con el ambiente. Siguiendo con la evolución, con el tiempo las variaciones heredables darán lugar a cambios genotípicos y fenotípicos de la especie cuya resultante es la transformación de la especie original en una nueva especie, distinta de la especie que le dio origen. Para el estudio de los seres vivos, resulta del todo necesario organizar su diversidad de alguna manera. Muchos han sido los intentos y el más aceptado hoy día es el llamado sistema de los cinco reinos. Al mismo tiempo, los científicos han dividido el planeta, según el tipo de vida que se encuentra en ella, en biomas, para el mejor estudio de la relación entre los seres vivos. En general, la principal tendencia evolutiva biológica se ha dirigido a aumentar la especialidad y complejidad de estructura y función; aunque en algunos organismos ha habido simplificación, a partir de ancestros más complejos. Aquellas especies cuyos descendientes poseen variaciones hereditarias que la adaptan a un medio dado, tienden a sobrevivir en generaciones sucesivas; mientras aquéllas que no están bien adaptados son eliminadas, fenómeno conocido comúnmente como selección natural. Los procesos evolutivos biológicos y no biológicos aún continúan, aunque de una manera generalmente tan lenta en animales y plantas superiores en sus medios

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naturales, que es casi imperceptible en los pocos siglos en que el hombre ha registrado sus observaciones. Bajo circunstancias naturales, la evolución de la mayoría de los organismos es un proceso que requiere varios cientos de siglos, antes de que puedan determinarse los cambios, aunque se efectúen en su grado más rápido. La evolución ha quedado finalmente establecida como un hecho por muchos tipos de evidencias. El examen tanto del reino animal como vegetal, ha servido para demostrar cómo los miembros del mundo viviente, así como los conocemos hoy en día, procedieron de ancestros primitivos siguiendo varias líneas de descendencia. De manera semejante el papel central de las mutaciones genéticas, la reproducción sexual, así como los productos de la evolución, han contribuido a que aumenten intensivamente las combinaciones genéticas posibles (y por consiguientes nuevas variaciones biológicas). Actualmente se define la adaptabilidad evolutiva como la contribución que hace un individuo al pool de genes de la siguiente generación, respecto a la contribución de otros individuos. Así, los individuos "aptos" son aquellos que pasan el mayor número de genes a la siguiente generación.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS Taxonomía: deriva del griego, taxis: significa orden y nomos: ley o norma. Es la parte de la ciencia que se ocupa de la ordenación y clasificación, como así también de las bases, principios y leyes que regulan dicha clasificación. Se dice que una determinada categoría taxonómica es NATURAL cuando todos los grupos taxonómicos que la forman están relacionados filogenéticamente. Lo cual no siempre concuerda con los sistemas de clasificación. Categorías taxonómicas: son los distintos niveles de jerarquías en un sistema de clasificación. La especie es considerada por el Código Internacional de Nomenclatura como la categoría taxonómica básica. El concepto de especie biológica se define como el conjunto de poblaciones formadas por individuos que tienen el potencial para cruzarse entre ellos y producir descendencia fértil, y que se encuentran aislados de otros grupos próximos; esta definición también es conocida como especie sexual.

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El problema aparece cuando se consideran organismos que dependen casi exclusivamente de la reproducción asexual, como los procariotas y protistas, o cuando existen poblaciones que se solapan entre si y presentan cierto grado de reproducción entre ellas. Para esto se desarrolló el concepto evolutivo de especie, que incluye, además de las actuales, a todas las poblaciones anteriores que sucesivamente dieron origen a una especie determinada actual. Reinos El botánico sueco, Linneus, intentó clasificar todas las especies conocidas en su tiempo (1753) en categorías inmutables, muchas de las

Linneus

cuales todavía se usan en biología actual. La clasificación jerárquica Linneana se basaba en la premisa que las especies eran la menor unidad, y que cada especie (o taxón) estaba comprendida dentro de una categoría superior o género. Los nombres científicos de plantas y animales se escriben con estas dos palabras: género y especie, Linneus también denominó a este concepto nomenclatura binomial o binaria, y eligió el latín, en ese entonces el lenguaje de los "hombres cultos" en todo el mundo, para escribirla, con el objeto de asegurar que todos los científicos entendieran la nomenclatura. Actualmente se sigue utilizando el latín. En la nomenclatura binaria, la primera palabra nombra al género al cual pertenece el organismo. La segunda palabra nombra a la especie. Así, el perro doméstico se llama Canis familiaris, el lobo Canis lupus (lupus = lobo) y el coyote Canis latrans (latrare = ladrar). El nombre del género se escribe con mayúscula, mientras que el de la especie con minúscula. También los nombres científicos siempre se escriben con itálicas o se subrayan. Ejemplo de la clasificación taxonómica del ser humano: Reino: Animal | Phylum: Cordados | Clase: Mamíferos | Orden: Primates Familia: Hominidae Género: Homo especie: sapiens

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Linnaeus dividía a todos los organismos en dos grupos principales, que él llamó reinos. Un reino es todavía el nivel más alto en los sistemas de clasificación modernos. Linnaeus decidió que todos los organismos pertenecían ya sea al reino vegetal o al reino animal. Cada reino contenía un número de pequeños grupos, los cuales a su vez se dividían en grupos aún más pequeños, y así sucesivamente, hasta que eran nombrados tipos específicos de organismos. La siguiente división se conoce como phylum (plural: phyla). Cada phylum se divide a su vez en clases. Una clase contiene un número de órdenes relacionadas de organismos. Un orden se divide en familias. Una familia está compuesta por géneros (singular: genus). Por último, cada género tiene una o más especies. Los grupos de organismos ligeramente diferentes en la misma especie se llaman variedades o razas. Por ejemplo, todos lo perros domésticos están clasificados como una especie. Hay razas de perros que se ven muy diferentes, pero no lo son tanto como para estar en especies separadas. Pueden aparearse y producir descendientes fértiles. Las especies vegetales con frecuencia tienen diferentes variedades dentro de la especie. Desde la época de Aristóteles los organismos vivos se reunían en solo dos reinos: Animal y Plantas. Dada la ambigüedad de algunos organismos unicelulares, Ernst Haeckel (S. XIX) creó el tercer reino Protista, para incluir aquellos organismos unicelulares con aspectos intermedios entre plantas y animales. El cuarto reino establecido es Monera, que abarca bacterias y algas verde-azuladas, la característica principal de este reino es la presencia de células procariotas: sin núcleo celular definido ni organelas. Los organismos de los reinos Animal, Planta y Protistas están formados por células eucariotas, es decir con núcleo rodeado por membranas y orgánulos celulares. R. H. Whittaker en 1969 separó a todos los hongos de las plantas en el quinto reino: Fungi, poseen células eucarióticas, tienen núcleos y paredes celulares pero carecen de pigmentos fotosintéticos. En 1978 Whittaker y Margulis conservaron estos mismos 5 reinos pero incluyeron a las algas en las Protistas, denominándolo Protoctista La mayoría de los biólogos actuales reconocen estos cinco reinos: Moneras, Protistos, Hongos, Plantas y Animales, que se basan en la organización celular, complejidad estructural y modo de nutrición.

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Dominios En 1977 Carl Woese propuso una categoría superior a reino: DOMINIO, reconociendo tres linajes evolutivos; ARCHEA, BACTERIA y EUKARYA. Las características para separar estos dominios son el tipo

Carl Woese

de célula, compuestos que forman la membrana y estructura del ARN. Bajo el microscopio todas las bacterias aparecen similares, además

la

escasez

de

fósiles

ha

dificultado

el

establecimiento de las relaciones evolutivas entre ambos grupos. La evidencia presentada por la biología molecular sugiere que los primitivos procariotas se separaron en dos grupos muy temprano en el desarrollo de la vida en la tierra, los descendientes de estas dos líneas son las Eubacterias y las Arqueobacterias consideradas el sexto Reino. Caracteres que definen los dominios Versión simplificada y modificada del Árbol filogenético Universal establecido por Carl Woese y su discípulo Gary Olsen que muestra los tres Dominios. El término "dominio" refiere a un nuevo taxón filogenético que incluye tres líneas primarias: Archaea, Bacteria y Eucaria. En línea descendente siguen seis Reinos I-Moneras, IIArqueobacterias (obviamente separadas de Moneras), III-Protistas, IV-Hongos, VPlantas y VI-Animales. Se representa en este esquema una raíz única que tiene en su base a LUCA (Last Universal Common Ancestor), último antepasado común universal de las células modernas, equivale a lo que es Lucy en el árbol evolutivo de Homo sapiens, es decir, no la primera célula, sino una célula ya evolucionada, con todas las características de sus futuros descendientes: los actuales procariotas y eucariotas. *

LUCA (Last Universal Common Ancestor): El Primer Ancestro

Universal Común:

LUCA sería el hipotético primer organismo viviente del cual desciende toda la vida actual Se estima que vivió hace 3500 millones de años.

Pero bien podríamos colocar en la base un manojo de raíces o nube difusa para representar a la "Comunidad ancestral común de células primitivas" a partir de la cual divergieron ramas que dieron orígenes a los tres dominios actuales y además surcar la gráfica con enlaces transversales entre ramas para indicar la existencia de una transferencia horizontal de genes.

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