Universo

Los científicos estiman el origen del Universo de hace unos 10-20 billones de años. La teoría actual, más aceptada es la del Big Ban, que dice que toda la materia en el Universo existió en un huevo cósmico (más pequeño que el tamaño de un átomo moderno) que explotó formando el Universo moderno. Las evidencias para el Big Ban incluyen:

Inmediatamente después del Big Ban, se diferenciaron las fuerzas principales (gravedad, fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte, etc.). Y, si bien en el huevo cósmico la materia y la energía tal como hoy la entendemos no existían, se formaron rápidamente después de la explosión. Luego, la materia comenzó a acumularse en sistemas solares, “el nuestro”, comenzó a formarse hace unos 5 billones de años con una gran “proto estrella” en el centro. Los planetas quedaron en órbita a diferentes distancias de la estrella y de su campo gravitacional atrajo “restos de materia espacial” aumentando sus masas.

Los procesos de desintegración radioactiva y la energía liberada por los impactos de materia proveniente del espacio calentaron la Tierra, que comenzaba a diferenciarse en una costra que se enfriaba y un núcleo que incrementaba su temperatura. Los impactos en la superficie, y el comienzo de fenómenos volcánicos liberaron vapor de agua, dióxido de carbono, nitrógeno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, y metano, principalmente, y que estaba prácticamente carente de oxígeno. Ninguno de los organismos que actualmente viven en nuestra atmósfera hubiera podido sobrevivir en esas circunstancias.

La razón para que la Tierra contenga ahora mayor cantidad de gases ligeros, es que el hidrógeno y el helio (más ligeros) escaparon de la atmósfera de la Tierra en la medida en que la fuerza gravitatoria no era lo suficientemente fuerte como para atraerlos. Los planetas más grandes con una gravitación mayor, como Júpiter y Saturno, han mantenido una atmósfera densa de hidrógeno y helio. En contraste, la Luna, que es mucho más pequeña, ha perdido su atmósfera. Se supone que los gases volcánicos que formaban la atmósfera primitiva, fueron liberados del interior de ésta y sirvió para saturar la atmósfera y provocar lluvia.

II. TEORÍAS ACERCA DEL ORIGEN DE LA VIDA

Una de las preocupaciones más antiguas del ser humano es saber cómo se originó la vida. En su afán por encontrar una explicación, los científicos de diferentes épocas propusieron algunas teorías basadas en explicaciones mágicas, religiosas, mitológicas, y más recientemente en investigaciones científicas. Sin embargo, las todas las teorías son en gran medida especulativas, ya que no hay restos en el registro fósil de las formas de vida más simples imaginables, que representan un salto decisivo de materia inorgánica a orgánica.

-Teoría del creacionismo y fijismo: Aristóteles, divide los seres vivos en dos reinos (animales y vegetales). Enseñanza de la Biblia, en la que las especies (inmutables) serían producto de la creación divina (por Dios).

-Teoría de la generación espontánea: o surgimiento de la vida desde la nada. Esta teoría propone que la vida puede surgir de manera repentina a partir de materia orgánica e inorgánica.
Tiene una larga historia, desde el antiguo Egipto, China, India y Babilonia, en la que la mayor parte, estaba vinculado a las leyendas y mitos religiosos. Fue el punto de vista de Platón, reflejado en Aristóteles, el que dio a la generación espontánea una calidad sobrenatural y más tarde formó la base de la cultura científica medieval y dominó las mentes de la gente durante siglos. No es que la materia contenga la vida, sino que está imbuida en ella. La Iglesia ortodoxa tiene un punto de vista similar. El obispo Rostov, Dimitri, explicó en 1708 que Noé no metió en su arca aquellos animales capaces de generación espontánea: “ Esos perecieron en el Diluvio y después surgieron de nuevo de tales principios”. Esta era la opinión predominante en occidente hasta mediados del siglo XIX. Las personas creían, por ejemplo, que de la carne de res nacían gusanos o que de los charcos se originaban ranas; incluso hubo un científico que propuso una receta, en la que decía que si colocaban granos de trigo con ropa sucia y sudada, a la cabo de unos días aparecerían ratones. La persona que desechó esta teoría fue un médico florentino en 1688, llamado Francesco Redi, que hizo los primeros experimentos para argumentar la falsedad de esta teoría, demostrando que los gusanos no surgían espontáneamente como la gente creía, sino que eran larvas provenientes de huevecillos depositados por moscas. Su experimento consistió, en colocar unos trozos de carne en frascos; uno tapado muy bien y el otro no, después los dejó al aire libre cerca de una semana, cuando lo revisó, notó que en el abierto había gusanos y que en el cerrado no; por tanto, la carne no los originaba. Aunque la sociedad de este tiempo aceptó los resultados de Redi, todavía creían que otros organismos podrían aparecer repentinamente. Fue hasta el año 1862, cuando Louis Pasteur, realizó nuevos experimentos y a partir de ellos quedó totalmente demostrada la falsedad de esta teoría.

-Teoría de la panspermia: en 1903 aparece una nueva teoría, esta vez por un sueco, Svante Arrehnius. Según esta teoría la vida provendría de otras partes del Universo, no de la misma tierra, en forma de bacterias, de un planeta en el que ya existían. Y más recientemente, Fred Hoyle pensó que la vida había sido traída a la Tierra en las colas de los cometas. Esta idea ha sido remendada por Francis Crick y George Orgel que sugieren que la vida podía haber sido sembrada deliberadamente por vida inteligente del espacio exterior. Sin embrago, se le pueden poner dos objeciones: la primera es que no explica el origen de la vida en ese planeta ficticio, sino que supone su existencia eterna y universal y la segunda, que sería imposible que cualquier forma de vida lograra atravesar la atmósfera de la Tierra sin quemarse, porque se ah comprobado que cuando llega a penetrar algún meteorito en el planeta, alcanza temperaturas muy elevadas. Actualmente se llevan a cabo investigaciones basadas en componentes orgánicos encontrados en el Universo o en meteoritos llegados a nuestro planeta que intentan demostrar esta teoría.

-Teoría de la simbiosis: Explica como se produjo el paso de las primitivas bacterias procariotas, a las células eucariotas (estructura más compleja) que forman los seres vivos. Según esta teoría, las primeras eucariotas surgieron de la combinación de unas bacterias con otras. Estas bacterias irían quedando incorporadas definitivamente a la célula hospedante, dentro de la que se transformarían en mitocondrias. La considerable semejaza que hay entre mitocondrias y bacterias es un argumento a favor de esta teoría. Asimismo, los cloroplastos propios de las células vegetales serían quizás bacterias clorofílicas que habrían colonizado otras células.

-Teoría hidrotermal: En el océano Pacífico, a muchos miles de metros de profundidad, se han descubierto fuentes hidrotermales de agua que brota a una temperatura de 350 °C y está cargada de numerosas sustancias, entre ellas sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre. Alrededor de estas fuentes abunda la vida y proliferan unas bacterias quimio-sintéticas que extraen su energía de los compuestos azufrados del agua y que, de este modo, reemplazan a los organismos fotosintéticos, que toman la energía de la luz solar, además estas bacterias no pueden vivir en medios con oxígeno. Las condiciones de vida que reinan en la proximidad de estas fuentes recuerdan bastante a las comunes hace 3,5 m.a. Por eso algunos investigadores defienden esta teoría, de que la vida apareció en el fondo oceánico, cerca de estas fuentes hidrotermales, y no en la superficie, en las charcas litorales expuestas a la luz solar intensa.

-Teoría del caos: Stuart Kauffman, en su trabajo sobre genética y complejidad plantea la posibilidad del surgimiento de un tipo de vida como resultado de la emergencia espontánea del orden del caos, a través del funcionamiento natural de las leyes de la física y la química. Si la sopa primordial era suficientemente rica en aminoácidos no sería necesario esperar reacciones casuales. Se podría haber formado un entramado coherente y auto-reforzado de reacciones a partir de los compuesto sen la sopa.
        Mediante la acción de catalizadores, diferentes moléculas podían interaccionar y fusionarse entre ellas para formar un “complejo catalítico”. De esta manera el orden emergente a partir de un sistema de caos molecular se manifestaría en forma de un sistema que crece, aunque no tendría ADN, ni código genético, ni membrana celular, ya que tendría sólo: algunas de las propiedades de la vida, como que sería capaz de crecer, tendría una especie de metabolismo, absorbiendo de forma continua “alimento” molecular en forma de aminoácidos, otros compuestos simples que iría agregando a sí mismo y un sistema primitivo de reproducción, extendiéndose para cubrir un área más amplia. Esta idea, significaría que la vida no habría surgido como un acontecimiento casual, sino como resultado de una tendencia hacia la organización inherente a la naturaleza.

-Teoría físico-química: se le llama así porque se basa en las condiciones físicas y químicas que existieron en la Tierra primitiva y que hicieron posible el surgimiento de la vida.
        Hasta mediados del siglo XVIII, se pensaba que los compuestos orgánicos sólo podían formarse por la acción de los seres vivos, la síntesis en el laboratorio de la urea (un compuesto orgánico), dio por tierra con esta creencia. En 1922, el científico ruso A. I. Oparin supuso que la vida celular había sido precedida por un período de evolución química.
        Los estudios de las modernas erupciones volcánicas avalan la existencia de tal atmósfera, ya que, los gases volcánicos que formaban la atmósfera primitiva debían de haber contenido agua juntamente con metano y amoníaco. Se supone que estos fueron liberados del interior de la Tierra y sirvió para saturar la atmósfera y provocar la lluvia. Con el enfriamiento de la superficie terrestre empezaron a formarse mares y lagos. Estos primeros mares constituyeron la “sopa” o “caldo prebiótico” o “primordial”, en la que los elementos químicos presentes, bajo el impacto de los rayos ultravioletas del Sol, se sintetizaron para producir compuestos orgánicos de nitrógenos complejos, como los aminoácidos. Este efecto de la radiación ultravioleta fue posible por la ausencia de Ozono en la atmósfera. Esta es la base de la hipótesis de Oparin-Haldane.
        Toda la vida se organiza en células, excepto los virus. Incluso la célula más simple es un fenómeno extremadamente complejo. La teoría estándar es que el calor de la propia tierra hubiera sido suficiente para formar compuestos complejos a partir de los simples. Las primeras formas de vida eran capaces de almacenar energía derivada de la radiación ultravioleta del Sol. Sin embargo, los cambios en la composición e la atmósfera cortaron el suministro de rayos ultravioletas. Entonces, ciertos agregados que habían desarrollado la sustancia conocida como clorofila fueron capaces de utilizar la luz visible que penetraba la capa de ozono y filtraba la radiación ultravioleta. Estas algas primitivas consumían dióxido de carbono y emitían oxígeno, llevando a la creación de la atmósfera actual. Y por otros cambios en la composición de la atmósfera, especialmente el aumento de la cantidad de oxígeno molecular presente, dieron el pistoletazo de salida a innovaciones biológicas importantes que permitieron el surgimiento y diversificación de nuevas formas de vida.

En 1950 Stanley Miller, un estudiante graduado, diagramó un experimento destinado a corroborar la hipótesis de Oparin, que presumía como condiciones de partida:

Los estudios de las modernas erupciones volcánicas avalan la existencia de tal atmósfera.

Miller hizo pasar descargas eléctricas a través de una mezcla de gases que se asemejaría a la atmósfera primordial. En un recipiente de agua, que en el modelo experimental, representaba al antiguo océano, él recobró aminoácidos. Subsecuentes modificaciones de la atmósfera produjeron muestras o precursores de las cuatro clases de macromoléculas orgánicas. Este es un esquema del aparato que Miller utilizó:

El recipiente de agua hirviendo proporciona calor y vapor de agua al aparato. Se mezcla con hidrógeno, metano y amoníaco y se la somete a una descarga eléctrica (para simular los rayos). El líquido resultante se enfría hasta condensarse y se lo deja gotear en la matriz en forma de “U”. Las sustancias químicas generadas en ese líquido son los bloques de construcción de la vida, las cuatro moléculas orgánicas principales y pequeñas que se encuentran en todas las células: aminoácidos, nucleótidos, azúcares y ácidos grasos. Aunque está en forma muy simple, es posible que estas sustancias químicas se unieran y formaran moléculas más grandes: polímeros. Por ejemplo, el enlace de los aminoácidos para formar proteínas supone la eliminación de una molécula de agua, algo que podría haber ocurrido dado el intenso calor seco. Una vez formados, los polímeros influyen en la formación de otros polímeros.

La interacción de las moléculas así generadas en la Tierra, se incrementó a medida que su concentración aumentaba. Estas reacciones podrían haber dado origen a moléculas más largas y complejas. La vida precelular podría haber comenzado con la formación de un ácido nucleico. Los productos resultados en base a esos ácidos nucleicos podrían haber quedado cerca del ácido nucleico y, eventualmente, ser rodeados de una membrana de lipoproteínas, que habría resultado en la primera célula.

Bioquímicamente, los sistemas vivientes se separan de los otros sistemas físico-químicos por, entre otras, las siguientes características:

La evidencia fósil soporta la idea que el origen de la vida en la Tierra comenzó en épocas tempranas: hace ya 3,5 billones de años. Por lo tanto, a partir de estas evidencias podemos suponer que la vida en la Tierra comenzó rápidamente luego del enfriamiento de la corteza y la formación de la atmósfera y los océanos.

Estas uniones son posibles gracias a la presencia de los tiostéres, que acoplados a los aminoácidos posibilitan la unión de estos. Estos protenoides presentan una característica: actúan como catalizadores, como hormonas. Gracias a la presencia de estos seudo-catalizadores fue posible la formación de compuestos más complejos. Es así como surgen los nucleótidos. Lo que significó un gran salto: una molécula capaz de guardar la información necesaria para su reproducción y sobre la cual el medio sería capaz de actuar, sobre la base de los errores cometidos al copiar la información.

Se cree que el primero en surgir fue ARN, ya que este es más reactivo que el ADN y para algunas reacciones no necesita de ningún catalizador, actuando el mismo como sustrato.

C. De Duve postula, que en un comienzo sólo existió el ARN de transferencia, y que por la acción de los tiostéres se permitió la unión de los aminoácidos, luego, resultó más beneficioso copiar el código del ARN mensajero resultando así unas estructuras auto perpetuantes.

Con el paso del tiempo, este nuevo código permitió la formación de proteínas específicas que catalizarían distintas reacciones, dando paso así a un metabolismo, que superaría al protometabolismo propio de las proteínas generadas por los tiostéres. C. De Duve encuentra una relación entre los dos tipos de catalizadores, atacando al dogma central de la biología molecular, que plantea que la información genética es siempre transmitida de ácido nucleico a proteína, nunca a la inversa. Él dice que los multímeros proteicos sirvieron de molde para la formación del ARN.

Mucho tiempo después, apareció el ADN, que viene a diferir el proceso de simple expresión del ARN con uno de duplicación propiamente tal en el caso del ADN. Además, el ADN, provee una mayor protección de la información por su doble hebra, como también un sistema de copia mucho más fiel que el del ARN, y su estructura posibilita la expresión selectiva del código, lo que resulta necesario posteriormente en la diferenciación celular.

El siguiente paso en este proceso, es la compartimentación. Según Oparin y S. Fox, la primera instancia fueron los coacervados, pequeñas mico esferas de proteínas que tienen la propiedad de agruparse, dividirse, fusionarse y además catalizar ciertas reacciones. Esto fue posible cuando se auto ensamblaron ciertos lípidos con polipéptidos hidrofóbicos en pseudomenbranas que eran porosas para pequeñas moléculas, pero impermeables para los ácidos nucleicos y proteínas.

Estas características, habrían permitido que estas estructuras evolucionaran hasta al célula.

La naturaleza química de las moléculas biológicas, es un enigma sin responder. Todas las moléculas, sean las que sean, presentan (según la disposición de los átomos que las constituyen) formas distintas llamadas isómeros, que son simétricas entre sí. Las moléculas no biológicas están formadas por mezclas de isómeros (dextrógiros) y levógiros, en proporciones iguales. Por el contrario, las moléculas biológicas, y en particular los aminoácidos que forman las proteínas, tienen la particularidad de ser todas levógiras.

Ninguna hipótesis explica el fenómeno de cómo ha podido la vida eliminar uno de los isómeros y primar al otro, de manera satisfactoria.

Este árbol esquemático, muestra los tres dominios. El termino “dominio” refiere a un nuevo taxón filogenético que incluye tres líneas primarias: archae, bacteria y eucaria. En línea descendente siguen seis reinos: I-Moneras, II-Arquobacterias (obviamente separadas de Moneras), III-Protistos, IV-Hongos, V-Plantas y VI-Animales. Cercano a la raíz, está el último antepasado común de las células modernas, LUCA, que 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: las actuales procariotas y eucariotas (ADN, Código genético, síntesis proteica, etc.)

La investigación de la vida y las condiciones de existencia en otros planetas es el objeto de una ciencia nueva llamada exobiología.

Los descubrimientos de una molécula de Amonio en el espacio en 1968, marca el inicio del estudio de la química del espacio interestelar. La vida sólo puede surgir en determinadas condiciones físico-químicas favorables, en particular en lo relativo a la temperatura y a la presencia de agua en forma líquida. Estas condiciones limitan la investigación de indicios de vida a planetas situados a una distancia que, en el caso de nuestro Sistema Solar, está comprendida entre 0,95 y 1,5 unidades astronómicas del Sol.

Desde esta fecha se han descubierto cerca de 100 especies moleculares diferentes, pero, existen moléculas mucho más complejas que no son fáciles de examinar por la dificultad que existe en predeterminar correctamente la energía de la radiofrecuencia a la cuál, una determinada molécula absorbe o emite. Sin embargo, el hecho de encontrar compuestos orgánicos en el espacio interestelar, nos dice que la formación de estos compuestos es de carácter universal, luego, es posible pensar que la vida pudo haber venido del exterior y asentarse en la Tierra.

De interés resultan: los estudios hechos a materiales orgánicos encontrados en meteoritos. Estudios radioactivos efectuados a rocas lunares indican que en el pasado la Luna fue bombardeada por gran cantidad de meteoritos, eventos similares, pudieron haber ocurrido en la Tierra. Dentro de los meteoritos caídos a la Tierra, se han encontrado que en los del tipo condritas carbonáceas, que son los objetos más antiguos del Sistema Solar, hay estructuras fosilizadas que simulan una estructura algal y otras sin forma conocida, aunque no es posible concluir nada respecto al origen de estos fósiles.

Algunos ejemplos que sugieren que no podríamos ser únicos en nuestros Sistema Solar, son:

Una teoría que plantea solución a la gran diversidad de especies en la Tierra, es la propuesta por Lamarck. Según él, los organismos son capaces de cambiar su forma, tamaño, color, etc., en respuesta a las influencias del medio. Además, estos cambios son heredables. Postula, que este proceso es gradual, luego, la necesidad de largos tiempos para el establecimiento de especies complejas.

Más adelante, vino Darwin, con su libro “On the origin of the Species”, en el que plantea cuatro puntos importantes. Los dos primeros señalan que todas las especies están en cambio permanente y que este proceso es gradual (las mismas hipótesis que hizo Lamarck). El tercer postulado es acerca del ancestro común. Según este, todos los organismos con algunas características comunes provienen de un mismo antepasado. La cuarta premisa, es el mayor aporte, propone que la evolución sería consecuencia de la selección natural ejercida sobre los individuos con pequeñas diferencias dentro de una misma especie. Postula que la selección natural actúa de forma que los individuos con la mejor combinación de características para interactuar con el medio, serán los que sobrevivan, ya que el alimento es siempre escaso. Así, la selección de distintos rasgos, va originando nuevas especies a lo largo del tiempo.

Desde Darwin, se han producido nuevos descubrimientos y avances que permiten explicar de mejor manera la evolución. Por ejemplo, la teoría genética, estudios de paleontología, etc.

Después de cien años, aún la mayoría de los postulados de Darwin tienen validez. Lo que se pone hoy en duda, es la gradualidad del proceso y que la variabilidad genética es más acción del azar.

Si se representara la historia de la Tierra (unos 4600 m.a.) en una escala, de modo que todo, desde la formación de la Tierra, hasta nuestros días, suceda en un año terrestre, se tendría lo siguiente: