Tema 11. El origen de la vida y la evolución

Si todas las células provienen de otras células entonces, ¿de dónde vino la primera célula?

La pregunta sobre el origen de la vida es tan antigua que diferentes culturas han intentado responder a esta interrogante. Las primeras explicaciones provienen de la religión. Las religiones ofrecieron la respuesta de un Dios creador de todas las especies al mismo tiempo y sin una relación evolutiva entre ellas. Otras teorías creían que la vida se había creado del fango así como las moscas aparecen de la basura, pero gracias a los trabajos de Matthias Shcleiden, Theodor Schwann y Rudolph Virchow se estableció que la vida solo proviene de la vida, lo que generó gran controversia y volvió a generar interrogantes ¿de dónde surgió la vida? ¿Cómo apareció la primera célula? Analicemos las teorías del origen de la vida.

11.1 Teorías acerca del origen de la vida

Todas las culturas han explicado el origen de la vida a través de un creador supremo, esta concepción se conoce como Creacionismo; en el siglo V a. de C. Anaximandro y Tales de Mileto pensaron que la vida se originaba por la combinación de los elementos tierra, agua y fuego sin la intervención de los dioses. En el siglo IV a. de C. Aristóteles y Platón apoyaron esta teoría de generación espontánea, respaldando la idea de que la vida se generaba a partir del rocío, con la ayuda de una fuerza que llamó entelequia; en el siglo II a. de C. Virgilio sostenía que las abejas se generaban de la miel, esta teoría de generación espontánea se mantuvo por más de 1500 años; en la edad media Jan Baptista Van Helmont proponía una receta para crear organismos vivos, concluyó que si se colocaba ropa sucia junto con trigo en un recipiente de boca ancha al cabo de 21 días transformaba el trigo en ratones. Algunos científicos no estaban conformes con esa explicación y comenzaron a hacer experimentos para probar esas teorías.

En 1668 Francisco Redi refutó la teoría de la generación espontánea mediante un sencillo experimento en el que puso carne en tres frascos, uno tapado con pergamino, otro con una gasa y el tercero lo dejó destapado. En el frasco que dejó destapado aparecieron larvas y moscas, en el que dejó tapado con una gasa aparecieron solo larvas, pero en la gasa y no en la carne, en el frasco tapado no aparecieron ni larvas ni moscas. Con este experimento demostró que las moscas no aparecían de forma espontánea y que la vida solo procede de la vida.

Para conocer más sobre historia mundial, revisa el siguiente video:

Pyonner vaf. (2012, 27 de diciembre). Historia Mundial – en menos de 2 minutos [Archivo de video].
Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=9lFhLKAZU

En 1745, el científico John Needham apoyaba la teoría de la generación espontánea, puso caldo de carnero en un frasco de boca ancha tapado con un corcho y al cabo de unos días aparecían microorganismos dentro del frasco, con lo que la teoría de la generación espontánea cobraba fuerza. Pero el mismo Needham aceptaba que era necesario dejar pasar el aire para que aparecieran microorganismos, por lo que no cerró correctamente el frasco.

Experimento realizado por Francisco Redi para refutar la teoría de la generación espontánea.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

Lazaro Spallanzani estaba en desacuerdo con el resultado de Needham y repitió el experimento, pero selló bien los frascos y por supuesto no aparecieron microorganismos y así se iniciaron una de las disputas científicas más largas de la historia.

Needham y Georges Louis Leclerc propusieron que existía una fuerza en el aire que llamaron fuerza vegetativa y que el calor al que Sapallanzani expuso los experimentos, había debilitado esa fuerza, debido a eso no encontró microrganismo en sus experimentos. Por lo que Spallanzani abrió los frascos y encontró que aparecían de nuevo los microorganismos, concluyendo que estaban en el aire y que al entrar en contacto con el caldo se comenzaban a reproducir en él.

Experimentos de Needham y Spallanzani.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

En el siglo XIX Louis Pasteur demostró por completo que no existe la generación espontánea. Utilizó matraces forma cuello de cisne en los que puso a hervir caldo nutritivo por largo tiempo, los dejó sin cerrar por meses sin que aparecieran microorganismos, pero bastaba con inclinarlos o romper el cuello del matraz para que aparecieran. Concluyó que con el calor mueren todos los microorganismos, por lo que no podían aparecer en el caldo si no por contaminación por otros que se encuentran en el aire.

Experimento de Pasteur.
a) frasco sin microorganismos b) inclinaba los frascos c) aparecían microorganismos.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

Herman Von Helmholtz propuso la teoría de la panspermia que años después popularizó Arrhenius, esta teoría afirma que la vida se originó por microorganismos y esporas del espacio que llegaron a la Tierra en meteoritos procedentes de algún planeta con vida. Pero la incógnita del origen de la vida quedó sin resolverse, ya que si la vida se había originado en otro planeta ¿cómo sucedió esto?

En 1921 Aleksandr Ivanovich Oparin, propuso que los primeros compuestos orgánicos se crearon a partir de sustancias inorgánicas en una atmósfera primitiva reductora, es decir, carente de oxígeno, con abundante metano (CH₄), amoniaco (NH₃) y radiación solar; las erupciones volcánicas y la energía de las tormentas eléctricas formaron unos antecesores de las células en los mares primitivos: los coacervados. Al mismo tiempo John Haldane propuso que la atmósfera primitiva era rica en dióxido de carbono (CO₂), amoniaco (NH₃) y agua (H₂O) que al reaccionar con los rayos del Sol generaron gran cantidad de compuestos orgánicos que formaron una sopa primigenia en los mares primitivos, en la que surgieron los primeros seres vivos. A esta teoría, hoy en día más aceptada sobre el origen de la vida, se le conoce como teoría quimiosintética o fisicoquímica.

Teoría fisicoquímica del origen de la vida propuesta por Oparin y Haldane.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

En 1953 Stanley Miller y Harold Urey simularon en el laboratorio las condiciones de la atmósfera primitiva, colocaron en un matraz hidrógeno vapor de agua, amoniaco y metano como en los mares primitivos, además añadieron electrodos para simular las descargas eléctricas de las tormentas eléctricas y lo dejaron durante una semana. Al final del experimento comprobaron que aparecieron moléculas orgánicas; aminoácidos como ácido glutámico, ácido aspártico, glicina y alanina, que comúnmente los encontramos en las proteínas de los seres vivos, además de otros compuestos orgánicos.

Experimento de Stanley Miller y Harold Urey
Demostraron el origen de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

Origen de las primeras células.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

11.2 Teorías de la evolución

Las primeras teorías sobre la evolución se conocen como pre evolucionistas ya que no aceptaban que las especies evolucionaban. Una de estas ideas es el Fijismo, que postula que las especies permanecen fijas e inmutables desde su origen, esta teoría fue defendida por Carl Von Linneo y Georges Cuvier, este último también defendía la idea del Catastrofismo, planteaba que la desaparición de las especies se debía a grandes catástrofes de corta duración que ocurrieron en el planeta y que la aparición de nuevas especies era obra divina.

James Hutton propuso la teoría del Uniformismo, la cual postula que en la naturaleza lo único que permanece inalterado son las leyes que la rigen y que los procesos que hoy la moldean son los mismos que los del pasado.

Thomas Malthus propuso la teoría de la lucha por la sobrevivencia, en la que explicaba que la población humana crece de manera exponencial, pero no la producción de alimentos, lo que los llevaría a competir por alimentos.

Ideas evolucionistas

En 1809 Jean Baptiste Lamarck propuso la teoría de los caracteres adquiridos, que también se conoce como teoría del uso y desuso, en su teoría sostiene que los órganos de las especies se adquieren o desaparecen como consecuencia del uso y desuso, y que estos caracteres adquiridos pueden ser heredados a la descendencia, además aquellos órganos que no se usan se atrofian y no se heredan.

Alfred Wallace y Charles Darwin propusieron de manera independiente la teoría de la selección natural, que postula que las especies no son estáticas; unas evolucionan y otras se extinguen, el proceso evolutivo es gradual, los seres parecidos están emparentados y tienen un ancestro común que se remonta a un origen único (Pérez y Molina, 2007).

La teoría de la selección natural se basa en los siguientes principios:

 

Explicación de Lamarck y Darwin sobre la evolución de las jirafas.
Imagen obtenida de: De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.) México: McGraw-Hill. Solo para fines educativos.

Según Lamarck: a) Los antepasados de las jirafas eran de cuello corto y se alimentaban de pastos. b) Cuando ocurrió un cambio en el ambiente que hizo escasear los pastos tuvieron que estirarse para alimentarse de los árboles. c) Los descendientes nacían con cuellos largos, pero seguían estirándose para obtener alimento, hasta llegar a la jirafa actual. Según Darwin: d) Los antepasados tenían cuellos cortos, pero, debido a la variabilidad, algunos nacían con el cuello más largo que otros. e) cuando hubo escasez de pasto, las jirafas de cuello largo fueron las más favorecidas. f) Con el tiempo, predominaron los individuos de cuello largo debido a que estaban más y mejor alimentados. Heredan a sus descendientes el carácter “cuello largo y aquellas con cuello corto morían por no poderse alimentar, por lo que sus genes ya no eran heredados.

Para conocer más sobre la evolución, revisa el siguiente video:

Pedraza, E. (2009, 30 de abril). Carl Sagan-Evolución [Archivo de video].
Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=vbaDkRdsOTc

11.3 Postulados de la teoría sobre el origen de las especies

Los biólogos deben tener claro qué es una especie para poder estudiar los mecanismos de evolución, por lo que la definición más utilizada enuncia que es un conjunto de poblaciones naturales que se cruzan efectiva o potencialmente y que están aisladas de otros grupos semejantes desde el punto de vista reproductivo, a esta definición se le conoce como el concepto de especie biológica, se basa en la observación de que el aislamiento reproductivo asegura la independencia evolutiva.

Esta definición tiene algunas limitantes, la primera es que está basada en la reproducción sexual, por lo que no nos ayuda a discernir las fronteras de una especie en aquellos con reproducción asexual. A pesar de estas limitantes, todos los biólogos aceptan el concepto de especie biológica, porque les permite identificar a las especies con reproducción sexual, los científicos que estudian especies con reproducción asexual como las bacterias deben usar otras definiciones. Es por esto que se han propuesto alternativas para el concepto de especie.

¿Qué evita que las especies diferentes se crucen? Las características que evitan las cruzas y que conservan el aislamiento reproductivo se llaman mecanismos de aislamiento. La selección natural favorece las características que impiden el apareamiento, si estos mecanismos evitan el apareamiento se llaman mecanismos de aislamiento anteriores al apareamiento. Cuando estos mecanismos fracasan o no han evolucionado y los miembros de especies diferentes llegan a aparearse, los descendientes híbridos resultantes mueren durante su desarrollo, entonces las dos especies continúan en aislamiento reproductivo, aun cuando las especies hibridas sobrevivan, si son infértiles o menos aptas para reproducirse, a estos mecanismos se les conoce como mecanismos de aislamiento posteriores al apareamiento.

Un mecanismo que favorece la aparición de nuevas especies es el aislamiento geográfico que impide la cruza de poblaciones que no se encuentran en contacto porque habitan lugares diferentes y físicamente separados. Las barreras geográficas son consideradas más como favorecedoras de la aparición de nuevas especies que como un mecanismo de aislamiento reproductivo ya que dos poblaciones que se encontraban aisladas y se unen nuevamente cabe la posibilidad de que aún puedan reproducirse.

Cuando dos poblaciones ocupan diferentes hábitats dentro de la misma región se encuentran en aislamiento ecológico, como los gorriones de cresta blanca frecuentan campos o praderas y los de pecho blanco que frecuenta matorrales densos, debido a esto pueden coexistir a unos cuantos metros una de otra pero nunca encontrarse durante la temporada de apareamiento.

Aun cuando dos especies ocupen el mismo hábitat no se aparearán si tienen temporadas de apareamiento diferentes, a este mecanismo se le conoce como aislamiento temporal. Por ejemplo, los grillos de campo de primavera y los de campo de otoño en Norte América, se reproducen en la estación que lleva su nombre, como resultado, estas dos especies no se cruzan. Otro ejemplo son los pinos de obispo y los pinos de Monterey que coexisten en la costa del Estado de California, USA; en el laboratorio producen híbridos fértiles si se cruzan, pero en la naturaleza no se cruzan porque liberan el polen en épocas diferentes.

En los animales los complejos colores y conductas de cortejo han evolucionado no solo como señales de reconocimiento y de evaluación entre machos y hembras, sino también evitan el apareamiento con miembros de otra especie, este es un aislamiento de comportamiento. Por ejemplo las ranas macho intentan aparearse con cualquier hembra, sin embargo, las hembras solo se sienten atraídas por los machos que emiten el llamado de su propia especie y son capaces de emitir un “llamado de liberación” que induce al macho a liberarla, por no pertenecer a su especie. En el caso de las aves de paraíso, las señales de apareamiento como la postura, los movimientos, el plumaje y los sonidos distintivos, son diferentes a otras especies de aves de paraíso.

Cuando especies diferentes se aparean y el espermatozoide de uno llega al óvulo de otra, es posible que no logre fecundar al óvulo, por un mecanismo conocido como incompatibilidad gamética. Por ejemplo en los erizos de mar, los espermatozoides tienen una proteína que les permite unirse a los óvulos, la estructura de esta proteína difiere entre especies, de manera que los espermas de una especie no pueden unirse a los de otra especie.

Infertilidad híbrida.
El ligre es un descendiente hibrido de un león y una tigresa, es estéril.
Imagen obtenida de http://historiasinsolitas.com/p79166/Hercules-Este-ligre-felino-grande-del-mundo solo con fines educativos.

Casi todos los animales híbridos como la mula (resultado de la cruza entre una yegua y un burro) o el ligre (cruza de zoológico entre un león y una tigresa) son estériles. Esta infertilidad del híbrido impide que los híbridos transmitan su material genético a su progenie.

Fuente: Audesirk, T., Audesirk, G., y Byers, B. (2008). Biología. La vida en la tierra (8ª ed.). México: Pearson Educación de México.

¿Cómo se generan nuevas especies?

El ornitólogo Ernst Mayr definió el concepto de especie biológica, fue uno de los primeros en reconocer que la especiación, es decir, la formación de nuevas especies, depende de dos factores que actúan sobre dos poblaciones:

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Existen dos mecanismos de especiación: la alopátrica en la que las poblaciones están aisladas geográficamente y la simpátrica cuando comparten la misma región geográfica.

A lo largo de la historia de la humanidad muchas poblaciones han quedado divididas por el desplazamiento de los trozos de tierra continental que se alejan, si quedan aisladas no habrá flujo de genes entre ellas y si las presiones de selección natural difieren entre ellas las poblaciones acumularán diferencias genéticas.

Como vimos en este tema la humanidad ha buscado la respuesta al origen de la vida y ha propuesto múltiples teorías y experimentos que prueben nuestro origen. Hasta nuestros días se acepta que la vida se creó en la atmósfera primitiva en la que se generaron las primeras moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos en combinación con las condiciones físicas de la atmósfera. Comprendimos que las mutaciones son importantes generadoras de variabilidad genética en las poblaciones, que dan como resultado individuos que al competir logran sobrevivir, reproducirse y heredar genes ventajosos, esto sucede a través de miles o millones de años de adaptación y da lugar a la aparición de nuevas especies, hechos que resumen la teoría del origen de las especies basada en la selección natural propuesta por Darwin y Wallace.

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Referencias bibliográficas

• Audesirk, T., Audesirk, G., y Byers, B. (2008). Biología. La vida en la tierra (8ª ed.). México: Pearson Educación de México. 
• De Erice, E., y González, A. (2012). Biología: la ciencia de la vida (2ª ed.). México: McGraw-Hill.
• Pérez, P. y Molina, M. (2007). Biología. México: Santillana

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