Origen de la vida: evolución química, formación de la vida primitiva y su evolución.
Origen de la vida: A. Quimogenia (evolución química) B. Biogenia (Formación de la vida primitiva) C. Cognogenia (Naturaleza de la vida primitiva y su evolución).
La teoría moderna del origen de la vida fue propuesta por un bioquímico ruso, Alexander I. Oparin (1923 dC) y fue apoyada por un científico británico, JBS Haldane (1928 dC), por lo que también se denomina teoría de Oparin-Haldane.
Afirmó que la vida primitiva se originó en los cuerpos de agua en la tierra primitiva a partir de moléculas orgánicas no vivas (p. Ej., Proteínas de ARN, etc.) mediante la evolución química a través de una serie de reacciones químicas hace unos 4 mil millones de años (en el período precámbrico) ( Es decir, unos 500 millones de años después de la formación de la tierra). Es la teoría más satisfactoria porque tiene una explicación científica y se ha probado experimentalmente. La teoría de Oparin también se conoce como abiogénesis primaria.
Varios pasos de la teoría moderna son:
A. Quimogenia (evolución química):
(a) Las condiciones en la tierra primitiva, hace unos 4 mil millones de años, fueron tales que favorecieron la evolución química. Cuando la temperatura superficial de la tierra era inferior a 100 ° C. Su atmósfera tenía nitrógeno en forma de ammorua (-NH 3 ), carbono en forma de metano (-CH 4 ) y oxígeno en forma de vapor de agua (H 2 O), pero no había oxígeno libre por lo que la atmósfera primitiva era "Reduciendo". Estos compuestos fueron llamados compuestos protoplásmicos.
(b) A medida que la tierra se enfriaba, desarrolló una corteza sólida que luego formó depresiones y elevaciones. Mientras tanto, los vapores de agua atmosféricos se condensaron y finalmente salieron a la superficie como lluvia. El agua recolectada en las depresiones, disolvió los minerales como el cloruro y los fosfatos y finalmente formó cuerpos de agua de gran tamaño llamados océanos.
(c) Formación de compuestos orgánicos simples:
A medida que la superficie de la tierra se enfría a 50-60 ° C, las moléculas y los minerales presentes en los cuerpos de agua se combinan y se recombinan de varias maneras a través de los procesos de condensación, polimerización y oxido-reducción para formar compuestos orgánicos simples como alcoholes, aldehídos, glicerol y ácidos grasos., purinas, pirimidinas, azúcares simples (por ejemplo, ribosa, desoxirribosa, glucosa, etc.) y aminoácidos.
Estos compuestos orgánicos se acumularon en los cuerpos de agua debido a que su degradación fue muy lenta en ausencia de catalizadores de enzimas o consumidores o ausencia de oxígeno. Tal transformación no es posible en la presente atmósfera oxidante porque el oxígeno o los microconsumidores descompondrán o destruirán las partículas vivas que pueden surgir por mera casualidad.
La energía para estas reacciones fotoquímicas fue proporcionada por uno de los siguientes factores:
(i) Erupciones volcánicas (calor seco intenso de la Tierra),
(ii) Las radiaciones solares (rayos UV),
(iii) Energía eléctrica producida durante el rayo, y
(iv) Desintegración de elementos radiactivos.
Haldane propuso que estos compuestos orgánicos simples se acumularan gradualmente en estos cuerpos de agua y finalmente se formó una "sopa caliente y fina" o una "sopa pre-biótica" o caldo. Esto preparó el escenario para varias reacciones químicas.
(d) Formación de compuestos orgánicos complejos:
Los compuestos orgánicos simples mostraron reacciones químicas al azar y polimerización para formar finalmente compuestos orgánicos complejos como polisacáridos, grasas, nucleótidos, ácidos nucleicos, polipéptidos, etc.
Las principales fuentes de energía para las reacciones químicas y la formación de polímeros fueron: descargas eléctricas, rayos, energía solar, ATP y pirofosfatos. La evaporación del agua condujo a la concentración de monómeros y favoreció la polimerización.
Estos polímeros fueron más estables, por lo que dominaron en los cuerpos de agua. La alta concentración de polímeros cambió el equilibrio químico hacia la formación de polímeros estables a partir de monómeros inestables.
(e) Formación de protobiontes:
Para el origen de la vida, se deben cumplir tres condiciones:
(i) Debe haber un suministro continuo de moléculas autoproductoras, llamadas replicadores.
(ii) La copia de estos replicadores debe haber estado sujeta a mutación (cambio).
(iii) El sistema de replicadores debe haber requerido un suministro continuo de energía libre y su aislamiento parcial del entorno general.
El principal factor responsable de las mutaciones en los replicadores (moléculas prebióticas) fue probablemente los movimientos térmicos inducidos por la alta temperatura, mientras que el aislamiento parcial se logró dentro de sus agregados. Oparin y Sydney Fox propusieron que los compuestos orgánicos complejos sintetizados abiogenéticamente en la tierra primitiva luego tendían a acumularse y formaban grandes agregados coloidales de tipo celular llamados protobiontes.
Estas primeras formas de vida no celulares probablemente se originaron hace 3 mil millones de años. Estos tendrían moléculas gigantes que contienen ARN, proteínas, polisacáridos, etc. Estos agregados pueden separar combinaciones de moléculas del entorno y mantener un ambiente interno.
Pero su principal inconveniente era que no podían reproducirse. Estos agregados microscópicos, esféricos, estables y móviles fueron llamados coacervados (L. acervus = pelo - Fig. 7.4) por Oparin y microesferas por Sydney Fox.
Como estos coacervados no tienen membrana externa lipídica y no pueden reproducirse, no cumplen con los requisitos como candidatos de probables precursores de la vida. Las microesferas se volvieron exitosas y se multiplicaron, ya que éstas tenían el poder de crecimiento y división (brotes, fragmentación y fisión binaria, Fig. 7.5).
B. Biogenia (Formación de la Vida Primitiva):
Como la fisiología celular es el resultado de la actividad enzimática, las enzimas deben haberse desarrollado antes que las células. Gradualmente, los agregados de genes se vieron rodeados por un complejo sistema de enzimas que formaban el citoplasma. Estas enzimas podrían haber combinado las bases de nitrógeno, azúcares simples y fosfatos en los nucleótidos.
Los nucleótidos podrían haberse combinado para formar ácido nucleico que parecen ser las biomoléculas que cumplen la condición de suministro de replicadores en el origen de la vida.
Actualmente, la biología molecular opera según el principio del dogma central, que establece que el flujo de información genética es unidireccional y se muestra a continuación:
ADN (Transcripción) → ARN (Traducción) → Proteína
(Con información genética) (Con mensaje genético)
Este mecanismo probablemente evolucionó desde un mecanismo mucho más simple.
El ácido nucleico y las proteínas (enzimas) son dos biomoléculas interdependientes. Las proteínas se sintetizan mediante un proceso que comienza con la transcripción de información del ADN al ARNm, seguida de la traducción de los ribosomas, mientras que los ácidos nucleicos dependen de las enzimas proteicas para su replicación.
Así, las proteínas y los ácidos nucleicos forman dos compuestos químicos primarios de la vida. La teoría de los proteinoides afirma que las moléculas de proteínas evolucionaron primero, mientras que la hipótesis del gen desnudo indica que el ácido nucleico se originó primero y controló la formación de proteínas.
La síntesis in vitro de la molécula de ARN de 77 ribonucleótidos por HG Khorana (1970) dio lugar a la especulación de que probablemente el ARN, y no el ADN, era el material genético primordial. Esta visión fue apoyada por el descubrimiento de ciertas ribozimas (moléculas de ARN que tienen propiedades enzimáticas).
Así que la última visión es que las primeras células utilizaron el ARN como material hereditario y luego el ADN evolucionó a partir de una plantilla de ARN solo cuando la vida basada en el ARN se encerró en las membranas. Finalmente, el ADN reemplazó al ARN como material genético para la mayoría de los organismos. Alguna asociación casual de proteínas, purinas, pirimidinas y otros compuestos orgánicos podría haber dado lugar a un sistema que podría reproducirse.
Se desarrolló una membrana limitante delgada alrededor del citoplasma mediante el plegamiento de la monocapa de fosfolípidos para formar una membrana celular. Por lo tanto, es posible que las primeras células surgieran de la misma manera que los coacervados se formaron en cuerpos de agua primitivos. Las primeras estructuras "similares a células" con poder de división se denominaron "eobiontes" o "preceldas". Tales primeras formas celulares de vida se originaron hace unos 2, 000 millones de años.
Estos fueron quizás similares a Mycoplasma que dio lugar a Monerans (células sin un núcleo bien definido) y Protistans (células con núcleo distinto). La Monera incluía procariotas como bacterias y cianobacterias. El Protista dio lugar a eucariotas que evolucionaron en Protozoa, Metazoa y Metaphyta. Este ancestro común unicelular temprano de archaebacteria, eubacteria y eucariotas fue llamado progenote.
Prueba experimental de la evolución molecular abiogénica de la vida:
En 1953 AD, Stanley L. Miller (Fig. 7.8) (un bioquímico) y Harold C. Urey (un astrónomo) probaron experimentalmente la formación de compuestos orgánicos simples a partir de compuestos más simples en condiciones reductoras (Fig. 7.9).
Se llama experimento de simulación. El objetivo fue evaluar la validez de las afirmaciones de Oparin y Haldane sobre el origen de las moléculas orgánicas en la condición primigenia de la Tierra. Sometieron una mezcla de metano-amoníaco-hidrógeno-agua (simulando una atmósfera primordial) durante aproximadamente una semana sobre una chispa eléctrica (de aproximadamente 75, 000 voltios que simuló el rayo de la tierra primitiva y proporcionó una temperatura de aproximadamente 800 ° C) entre dos electrodos de tungsteno en una cámara de gas (llamada aparato de descarga de chispa) colocada en condiciones reductoras.
El metano, el amoníaco y el hidrógeno se tomaron en una proporción de 2: 2: 1. Pasaron los productos calientes a través de un condensador (para la condensación y la recolección del producto final acuoso,
Equivalente a la sopa de Haldane).
El experimento de control contenía todos los requisitos excepto la fuente de energía. Después de dieciocho días, analizaron químicamente los compuestos químicos mediante métodos cromatográficos y colorimétricos. Encontraron muchos aminoácidos (glicina, alanina, ácido aspártico, ácido glutámico, etc.), péptidos, purinas, pirimidinas y ácidos orgánicos.
Estas purinas y pirimidinas actuaron como precursores de ácidos nucleicos. Estos aminoácidos son esenciales para la formación de proteínas. Se encontró que los productos intermedios eran aldehídos y HCN. En el experimento de control, se observó una cantidad insignificante de moléculas orgánicas.
El análisis del contenido de meteoritos también reveló que compuestos similares que indican procesos similares están ocurriendo en otras partes del espacio.
Prueba experimental de formación de compuestos orgánicos complejos:
Sydney W. Fox (1957 AD) informó que cuando una mezcla de 18-20 aminoácidos se calienta hasta el punto de ebullición (160 a 210 ° C durante varias horas) y luego se enfría en agua, muchos aminoácidos polimerizan y forman cadenas polipeptídicas, llamados proteinoides.
Fox declaró que estos proteinoides con agua formaban los agregados coloidales llamados coacervados o microesferas (Fig. 7.10). Estos tenían un diámetro de aproximadamente 1-2 µm, similar a las bacterias coccoides en forma y tamaño.
Estos podrían inducirse a constreñirse superficialmente a la brotación en bacterias y hongos (levaduras). También informó la formación de porfirinas, nucleótidos y ATP a partir de compuestos inorgánicos y HCN.
Formación de agregados complejos:
Oparin informó que si se agita una mezcla de una proteína grande y un polisacárido, se forman coacervados. El núcleo de estos coacervados se formó principalmente de proteínas, polisacáridos y algo de agua y se aisló parcialmente de la solución acuosa circundante que tenía una menor cantidad de proteínas y polisacáridos. Pero estos coacervados no tienen membrana externa de lípidos y no pudieron reproducirse.
C. Cognogenia (Naturaleza de la vida primitiva y su evolución):
La sección natural operaba incluso en el momento del origen de la vida. La selección continuada de eobionts más exitosos acompañados con la perfección del sistema de membrana probablemente condujo a la formación de la primera célula.
Las células más tempranas fueron anaeróbicas (energía obtenida mediante la fermentación de algunas moléculas orgánicas, ya que no había oxígeno disponible), procarióticas (con nucleoide como en las bacterias) y quimioheterotróficas (alimentos readymade derivados de moléculas orgánicas existentes).
Estos comenzaron a derivar compuestos orgánicos nutritivos de los mares primitivos como sus componentes básicos y fuentes de energía. Así que estas células crecieron a un tamaño enorme. Para restringir su tamaño, los quimioheterótrofos comenzaron la mitosis celular y aumentaron su número.
Para hacer frente al agotamiento de la oferta de compuestos orgánicos, algunos de estos quimioheterótrofos evolucionaron a anaeróbicos, procarióticos y quimioautótrofos. Estos comenzaron a sintetizar sus propios alimentos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos en presencia de energía química (también a partir de la degradación de compuestos inorgánicos) y enzimas, por ejemplo, bacterias reductoras de sulfato, bacterias nitrificantes, bacterias de hierro, etc. Se propuso una fuerza principal para este tipo de evolución ser de mutaciones.
Ante el problema de la creciente deficiencia de compuestos inorgánicos, algunos de los quimioautótrofos desarrollaron porfirinas y bacterioclorofila (pigmento fotosintético verde) y comenzaron la fotosíntesis (síntesis de carbohidratos). Esto condujo a la evolución de los anaeróbicos, procarióticos y fotoautótrofos. Estos evolucionaron hace unos 3500-3800 millones de años.
Los primeros fotoautótrofos eran anoxigénicos, ya que no utilizaban agua como materia prima en la fotosíntesis. Más tarde, desarrollaron clorofila verdadera y comenzaron a usar el agua como reactivo, por lo que el O 2 evolucionó en el proceso de la fotosíntesis. Los primeros fotoautótrofos aeróbicos y aeróbicos fueron las cianobacterias, que se cree que evolucionan hace unos 3.300 a 3.500 millones de años.
De manera similar, JW Schopf (1967) informó la presencia de 22 aminoácidos en una roca de 3000 millones de antigüedad, mientras que el micro-fósil más antiguo pertenece a algas verdes azules, es decir, Archaespheroids barbertonensis, hace aproximadamente 3.3 a 3.5 mil millones de años.
Durante un largo período, las formas de vida dominantes y quizás las únicas en la tierra fueron las bacterias, los mohos y las cianobacterias. Poco a poco, las algas verde-azules se convirtieron en otras formas de algas. Se estima que los eucariotas se desarrollaron hace unos 1600 millones de años.
Los primeros eucariotas evolucionaron a través de mutaciones en procariotas (Raff y Mahler, 1972) o asociación simbiótica de diferentes procariotas (Marguilis, 1970). Posteriormente, se desarrollaron muchos tipos de algas, hongos, protozoos y otros organismos vivos.
