Orígenes de la Vida y Teoría Celular

Orígenes de la Vida

• La humanidad ha mostrado un profundo interés por comprender el origen y la naturaleza de la vida a lo largo de la historia.
• A pesar de los avances en biología molecular y astrobiología, aún no se entienden claramente las condiciones del planeta en los inicios de la vida.
• La teoría celular establece que las células son las unidades vivas más pequeñas y que todos los organismos están formados por ellas.

Desarrollo de la Teoría Celular

• La teoría celular se propuso en el siglo XIX y ha permitido numerosos descubrimientos sobre la estructura y función de las células.
• Los avances en la microscopía han sido clave para el desarrollo de esta teoría.

Investigación sobre el Mundo Prebiótico

• La búsqueda del origen de la vida se ha basado en la hipótesis de Darwin, quien sugirió que el Creador originalmente infundió vida en algunas formas, las cuales luego evolucionaron.
• Los científicos se han dedicado a investigar cómo las interacciones espontáneas de moléculas simples en el mundo prebiótico pudieron originar al antepasado común de todos los seres vivos.

Conexión con el Contenido Canario

• Las Islas Canarias son un hotspot de biodiversidad con muchas especies endémicas.
• Estudiar cómo estas especies han evolucionado y se han adaptado al entorno insular puede ofrecer paralelismos con la evolución de las primeras formas de vida en la Tierra.
• La teoría celular se puede aplicar para entender las adaptaciones a nivel celular de estas especies únicas.
• El clima y las características volcánicas de las Islas Canarias pueden simular ciertas condiciones del ambiente primitivo de la Tierra.
• Las interacciones de moléculas en las charcas volcánicas pueden asemejarse a las interacciones en el mundo prebiótico.

Orígenes de la Vida

• Se cree que el origen de la vida en la Tierra estuvo ligado al agua, cuando las condiciones eran muy diferentes a las actuales.
• Tres teorías sobre el origen de la vida:
  • En la superficie, en pequeñas charcas donde se acumularon compuestos orgánicos sencillos formados en la atmósfera.
  • En surgencias hidrotermales submarinas, protegidas de las radiaciones UV y los impactos extraterrestres.
  • Opción extraterrestre, mediante la llegada de compuestos orgánicos o microorganismos que colonizarían la Tierra y evolucionarían después.

Cronología del Origen de la Vida

• Se estima que el origen de la vida en la Tierra ocurrió entre 3800 y 3500 millones de años atrás, cuando la Tierra ya tenía una corteza sólida y había cesado el bombardeo meteorítico.

Teorías Antiguas

• En la Antigüedad, se creía que la vida surgía del lodo, agua, aire, fuego y tierra.
• Aristóteles propuso la teoría de la generación espontánea, según la cual gusanos, insectos y peces provenían del fango, sudor, rocío o humedad.

Experimentos en Contra

• Francisco Redi realizó experimentos en el siglo XVII que refutaron la teoría de la generación espontánea.
• Redi demostró que los huevos de mosca eran los responsables de la infección de la carne y no la materia "no viva".

Desarrollo de la Teoría

• La invención del microscopio permitió a Antonie van Leeuwenhoek demostrar que los gorgojos, pulgas y mejillones no surgían espontáneamente de granos de trigo y arena.
• Louis Pasteur dio por terminada la controversia sobre la teoría de la generación espontánea en 1864, demostrando que un ser vivo procede de otro ser vivo.

Orígenes de la Vida

• La vida en la Tierra se cree que surgió hace aproximadamente 3800 millones de años.
• La Tierra se formó hace 4600 millones de años.

Hipótesis de Oparin y Haldane

• En 1922, los bioquímicos Alexander Oparín y John Haldane formularon una hipótesis sobre los procesos de evolución química que debieron producirse durante el origen de la vida.
• Según ellos, las moléculas orgánicas sencillas podían formarse a partir de los gases de la atmósfera (hidrógeno, metano, amoniaco y vapor de agua).
• Estas moléculas orgánicas caerían en el océano formando lo que llamaron "sopa primitiva".

Sopa Primitiva

• En la "sopa primitiva", las moléculas se irían asociando entre sí formando agregados "coacervados" (coloides proteicos).
• Se produciría una selección natural en la cual los coacervados con capacidad de autosíntesis evolucionarían hacia formas más estables y complejas.

Experimento de Stanley Miller

• En 1953, Stanley Miller diseñó un experimento para demostrar la hipótesis de Oparin y Haldane.
• Creó un aparato que simulaba las condiciones primitivas de la Tierra, con una mezcla de gases (CH4, NH3, e H2) y un recipiente de cristal.
• Provocó una descarga eléctrica en el interior del aparato.
• El resultado fue la formación de moléculas orgánicas, incluyendo ácidos aspártico, glutámico, acético, fórmico, urea y aminoácidos como la alanina y la glicina.

Origen de la vida

• El problema de la vida procede de la vida, y surge la pregunta de cómo se originaron los primeros seres vivos.

Condiciones en la Tierra

• Algunos científicos cuestionan que las condiciones en la Tierra fueran favorables para la vida, debido a:
  • La atmósfera no era reductora, sino neutra.
  • La abundancia de CO2.
  • La elevada radiación ultravioleta (UV), que destruiría la formación de compuestos orgánicos recién formados.

Descubrimientos que apoyan la teoría de la panspermia

• Descubrimiento de materia orgánica prebiótica y agua en nubes de polvo interestelar.
• Descubrimiento de bases nitrogenadas en meteoritos.

Teoría de la panspermia

• La teoría de la panspermia propone que todos o buena parte de los compuestos prebióticos pudieron llegar del espacio.
• La idea de la panspermia fue propuesta por el filósofo griego Anaxágoras hacia el 500 a.C.
• En el siglo XIX, se estudiaron los meteoritos y la teoría resucitó.
• La teoría de la panspermia de Svante Arrhenius sugiere que microorganismos ya formados llegaron dentro de meteoritos y colonizaron la Tierra.

Debate sobre la síntesis probiótica

• Algunos científicos creen que la síntesis probiótica podría haber ocurrido fuera de la Tierra, para completarse después en ésta.
• Otros científicos opinan que las condiciones ambientales fuera de la Tierra no eran mejores que dentro de ella para esta síntesis.

Formación de moléculas orgánicas simples

• La formación de moléculas orgánicas simples se ha demostrado en la tierra primitiva y en el espacio.

Síntesis de biomoléculas complejas

• Falta demostrar que las pequeñas biomoléculas se combinaron para formar polímeros importantes para la vida, como proteínas y ácidos nucleicos, en condiciones prebióticas.
• La síntesis de péptidos a partir de aminoácidos y la síntesis de polinucleótidos de ácidos nucleicos requieren reacciones de condensación (deshidratación).
• Estas reacciones no se favorecen en disoluciones acuosas, lo que complica la formación de biomoléculas complejas.

Síntesis de Biopolímeros

• La síntesis de péptidos se produce a partir de aminoácidos, y la síntesis de polinucleótidos se produce a partir de ácidos nucleicos.
• En la segunda etapa de la hipótesis de Oparin-Haldane, las moléculas sencillas se unen por procesos de deshidratación para generar moléculas más grandes.

Conformación Espacial de Biopolímeros

• Los biopolímeros adquieren conformaciones espaciales que les permiten una mayor estabilidad.
• Los ácidos nucleicos pueden formar hélices estables, que es la configuración más estable de la molécula.

Formación de Biopolímeros en un Sistema Metabólico Aislado

• El metabolismo requiere un control químico, que solo es posible si el sistema se aísla del medio.
• Oparín mezcló proteínas, polisacáridos y ácidos nucleicos y comprobó que se asociaban en pequeñas esferas que denominó coacervados.
• Los experimentos de S.W.Fox dieron como resultado la formación de largas cadenas de polipéptidos que llamó proteinoides.

Autorregulación en la Evolución Químico-Biológica

• La autorregulación es una propiedad fundamental de los seres vivos, que se logra mediante la capacidad de transformaciones químicas para intercambiar materia y energía con el entorno.
• La autorregulación es una etapa fundamental en la evolución químico-biológica en el proceso del origen de la vida.

Polimerización de Biopolímeros

• La polimerización de biopolímeros requiere un aporte energético y eliminación de agua.
• Existen dos maneras de realizar polimerización: concentrar sustratos y hacer desaparecer el agua de los productos o acoplar el proceso a alguna reacción que se libere energía.
• Las condensaciones con fosfatos se han empleado con éxito para la formación de péptidos y polifosfatos.

Importancia de los Polifosfatos

• La síntesis no biológica de polifosfatos pudo tener gran importancia en la evolución de la vida.
• El ATP es la forma de almacenaje de energía en las células vivas.
• Es posible que los polifosfatos producidos por agentes condensadores fueran la fuente primaria de energía utilizada por los seres vivos o sus precursores inmediatos.

Protobiontes y Evolución a Células

• Los protobiontes son sistemas biológicos precursores de las primeras células, que pueden agruparse, dividirse, fusionarse y realizar intercambio de energía y materia con el medio.
• Los protobiontes pueden evolucionar a eubiontes, que son ya células vivas.

Condiciones para considerar a un organismo como vivo

• Un organismo debe tener metabolismo para ser considerado vivo
• Un organismo debe tener la capacidad de replicación para ser considerado vivo

Otros requisitos considerados por investigadores

• La presencia de una membrana semipermeable es un requisito adicional considerado por algunos investigadores
• Esta membrana semipermeable es esencial en el primer antepasado de nuestras células

Funciones celulares

• La capacidad metabólica se debe a la presencia de proteínas
• La capacidad reproductora se debe a la presencia de ácidos nucleicos

Relación entre ácidos nucleicos y proteínas

• Los ácidos nucleicos necesitan proteínas para replicarse
• Las proteínas son construidas gracias a la información del ADN que se traduce con la ayuda del ARN

Problema central de la investigación sobre el origen de la vida

• La pregunta central de la investigación sobre el origen de la vida es ¿Cómo se formó el sistema interdependiente de ácidos nucleicos y proteínas mediante una serie de reacciones químicas? (Leslie Orgel, 1964)

Orígenes de la Vida

• La aparición de un polímero primordial debió ser un paso clave en el origen de la vida.
• Este polímero tendría la capacidad de acumular información genética.
• También tendría la capacidad de producir copias de su propia estructura.

Teorías sobre el origen de la vida

• La teoría de Oparín supone que existieron reacciones acopladas y catalizadores primitivos necesarios para iniciar la vida.

Coacervados de Oparín

• Oparín descubrió que disoluciones concentradas de polímeros formaban pequeñas gotitas llamadas coacervados.
• Estos coacervados mostraban propiedades de células cuando se les añadía algún enzima, como absorción selectiva y un rudimentario metabolismo.

Protenoides de Fox

• Fox descubrió que calentando mezclas de aminoácidos en seco, se formaban péptidos semejantes a proteínas, llamados "protenoides".
• Los protenoides formaban microesferas que catalizaban reacciones sin necesidad de agregar enzimas.

Hipótesis génica (la vida sin proteínas)

• Según esta teoría, un ácido nucleico es ya un ser vivo que evoluciona, codificando proteínas, replicándose y pudiendo mutar.
• La obtención de membrana y de enzimas pudieron ser sucesos evolutivos posteriores.

Hipótesis del gen desnudo

• Muller propuso que primitivos genes vivientes habrían dado lugar a los primeros seres vivos.

Mundo de ARN

• Según Gilbert, los primeros organismos estarían compuestos por ARN autorreplicativo que evolucionaron a velocidad de replicación mediante una síntesis de proteínas y desarrollando una membrana lipídica.
• Más tarde, las proteínas ayudarían a que la replicación fuese más rápida, a fabricarse su versión bicatenaria que acabaría evolucionando hacia el ADN.
• El ARN no solo almacena la información genética, sino que también tiene actividad catalítica.

El Origen Metabólico de la Vida

• La teoría de Oparín supone que en la naturaleza existieron reacciones acopladas y los catalizadores primitivos necesarios para iniciar la vida.

Teorías que Interpretan la Teoría de Oparín

• La hipótesis proteica estudió las disoluciones concentradas de polímeros, que formaban pequeñas gotitas llamadas coacervados, que mostraban propiedades de las células cuando se les añadía algún enzima.
• Los coacervados mostraban absorción selectiva y un rudimentario metabolismo.
• Fox calentó mezclas de aminoácidos en seco, observando la formación de péptidos semejantes a las proteínas, llamados proteoides, que mostraban propiedades interesantes y formaban microesferas que catalizaban reacciones sin necesidad de agregar enzimas.

Hipótesis Génica (La Vida sin Proteínas)

• La hipótesis génica propone que un ácido nucleico es ya un ser vivo que evoluciona, ya que codifica proteínas, se replica y puede mutar.
• La obtención de membrana y de enzimas pudieron ser sucesos evolutivos posteriores.
• Muller proponer que unos primitivos genes vivientes (hipótesis del gen desnudo) habrían dado lugar a los primeros seres vivos.

Teoría del Mundo de ARN

• La teoría del mundo de ARN propone que los primeros organismos estarían compuestos por ARN autorreplicativo, que evolucionaron a velocidad de replicación mediante una síntesis de proteínas y desarrollando una membrana lipídica.
• Las proteínas ayudarían a que la replicación fuese más rápida, fabricando su versión bicatenaria que acabaría evolucionando hacia el ADN, más eficiente en almacenar la información genética por su mayor estabilidad química.
• En la década de los 60, varios investigadores, como Francis Crick, sugirieron que el ARN no solo podía haber almacenado la información genética, sino que también tendría actividad catalítica, resolviendo la paradoja de decidir qué fue primero, las proteínas o el ADN.

Evidencias a Favor de un Mundo de ARN

• En condiciones prebióticas, la ribosa sintetiza más rápidamente que la desoxirribosa.
• La ribosa procede de la polimerización del formaldehído, una de las primeras moléculas que se forman en los experimentos de síntesis prebiótica.
• Los precursores del ADN siempre se sintetizan por la reducción de nucleósidos difosfato del ARN.