Biomoléculas orgánicas o principios
inmediatos: glúcidos,
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
Biomoléculas inorgánicas: agua, sales minerales y gases. Estas
moléculas se repiten constantemente en todos los seres vivos, por lo que el
origen de la vida procede de un antecesor común, pues sería muy improbable que
hayan aparecido independientemente dos seres vivos con las mismas moléculas
orgánicas. Se han encontrado biomarcadores en rocas con una antigüedad de hasta
3.500 millones de años, por lo que la vida podría haber surgido sobre la Tierra
hace 3.800-4.000 millones de años. Todos los seres vivos están constituidos por
células (véase teoría celular). En el interior de éstas se realizan las
secuencias de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, necesarias para la
vida.
Estructura
Todos los
organismos están formados por unidades denominadas células; algunos están
formados por una única célula (unicelulares) mientras que otros contienen
muchas (pluricelulares). Los organismos pluricelulares pueden especializar sus
células para realizar funciones específicas. Así, un grupo de tales células
forma un tejido. Los cuatro tipos básicos de tejidos en los animales son:
epitelio, tejido nervioso, músculo y tejido conjuntivo. En las plantas pueden
distinguirse tres tipos básicos de tejidos: fundamental, epidérmico y vascular.
Varios tipos de tejido trabajan juntos bajo la forma de un órgano para producir
una función particular (tal como el bombeo de la sangre por el corazón o como
barrera frente al ambiente como la piel). Este patrón continúa a un nivel más
alto con varios órganos funcionando como sistema orgánico que permiten la
reproducción, digestión, etc. Muchos organismos pluricelulares constan de
varios sistemas orgánicos que se coordinan para permitir vida.
La célula
La teoría
celular, propuesta en el año 1839 por Schleiden y Schwann, establece que todos
los organismos están compuestos de unas o más células; todas las células
provienen de otras células preexistentes; todas las funciones vitales de un
organismo ocurren dentro de las células, y las células contienen información
hereditaria necesaria para las funciones de regulación de la célula y para
transmitir información a la siguiente generación de células.Todas las células
tienen una membrana plasmática que rodea a la célula, separa su interior del
medio ambiente, regula la entrada y salida de compuestos manteniendo de esta
manera el potencial de membrana, un citoplasma salino que constituye la mayor
parte del volumen de la célula y material hereditario (ADN y ARN).
Según la
localización y la organización del ADN se distinguen dos tipos de células:
Células procariotas (de los organismos
procariontes), que carecen de membrana nuclear por lo que el ADN no está
separado del resto del citoplasma.
Células eucariotas (de los organismos
eucariontes), que tienen un núcleo bien definido con una envoltura que encierra
el ADN, que está organizado en cromosomas.
Todas las células comparten varias habilidades:
Reproducción por división celular (fisión
binaria, mitosis o meiosis).
Uso de enzimas y de otras proteínas
codificadas por genes del ADN y construidas vía un ARN mensajero en los
ribosomas.
Metabolismo, incluyendo la obtención de los
componentes constructivos de la célula y energía y la excreción de residuos. El
funcionamiento de una célula depende de su capacidad para extraer y utilizar la
energía química almacenada en las moléculas orgánicas. Esta energía se obtiene
a través de las cadenas metabólicas.
Respuesta a estímulos externos e internos, por
ejemplo, cambios de temperatura, pH o niveles nutrientes.
Simetría corporal
Es la disposición de las estructuras
corporales respecto de algún eje del cuerpo. Se clasifican en:
Asimétrica: cuando no presentan una forma
definida, como las amebas.
Radial: es presentada por organismos en forma
de rueda o cilindro y sus partes corporales parten de un eje o punto central.
Ejemplo: los erizos y las estrellas de mar.
Bilateral: la presenta la mayoría de los seres
vivos, es aquella en la cual al pasar un eje por el centro del cuerpo se
obtienen dos partes equivalentes. Ejemplo: los vertebrados.
Ecología
Los seres vivos puedes ser estudiados a muchos
niveles diferentes: químico, celular, tejido, individuo, población, comunidad,
ecosistema y biosfera. La ecología plantea una visión integradora de los seres
vivos con el medio ambiente, considerando la interacción de los distintos
organismos entre sí y con el medio físico, así como los factores que afectan a
su distribución y abundancia. El medio ambiente incluye tanto los factores
físicos (factores abióticos) locales, tales como el clima y la geología, como
los demás organismos que comparten el mismo hábitat (factores bióticos).
Los procariontes y los eucariontes han evolucionado
de acuerdo con estrategias ecológicas diferentes. Los procariontes son pequeños
y sencillos: esto les otorgó la posibilidad de una alta velocidad de
crecimiento y reproducción, por lo que alcanzan altos tamaños poblacionales en
poco tiempo, que les permite ocupar nichos ecológicos efímeros, con
fluctuaciones dramáticas de nutrientes. Por el contrario, los eucariontes, más
complejos y de mayor tamaño, poseen un crecimiento y reproducción más lentos,
pero han desarrollado la ventaja de ser competitivos en ambientes estables con
recursos limitantes. No se debe caer en el error de considerar a los
procariontes como evolutivamente más primitivos que los eucariontes, ya que
ambos tipos de organismos se hallan bien adaptados a su ambiente, y ambos
fueron seleccionados hasta la actualidad debido a sus estrategias ecológicas
exitosas.
Clasificación
de los seres vivos
Los seres vivos comprenden unos 1,75 millones
de especies descritas y se clasifican en dominios y reinos. La clasificación
más extendida distingue los siguientes taxones:
Archaea (arqueas). Organismos procariontes que
presentan grandes diferencias con las bacterias en su composición molecular. Se
conocen unas 300 especies.
Bacteria (bacterias). Organismos procariontes
típicos. Están descritas unas 10.000 especies.19 20
Protista (protozoos). Organismos eucariontes
generalmente unicelulares. Con unas 55.000 especies descritas.
Fungi (hongos). Organismos eucariontes,
unicelulares o pluricelulares talofíticos y heterótrofos que realizan una
digestión externa de sus alimentos. Comprende unas 100.000 especies descritas.
Plantae (plantas). Organismos eucariontes
generalmente pluricelulares, autótrofos y con variedad de tejidos. Comprende
unas 300.000 especies.23
Animalia (animales). Organismos eucariontes,
pluricelulares, heterótrofos, con variedad de tejidos que se caracterizan, en
general, por su capacidad de locomoción. Es el grupo más numeroso con 1.300.000
de especies descritas.
Origen
La Tierra se formó al mismo tiempo que el Sol
y que el resto del Sistema Solar, hace unos 4.570 millones de años. Se han
encontrado biomarcadores en rocas con una antigüedad de hasta 3.500 millones de
años, por lo que la vida podría haber surgido sobre la Tierra hace 3.800-4.000
millones de años.Bajo las condiciones de la Tierra primitiva (o en el espacio
exterior y traídos por meteoritos) pudieron formarse las biomoléculas más
sencillas. Estas incluyen aminoácidos, nucleótidos y fosfolípidos, que pueden
ensamblarse espontáneamente bajo determinadas condiciones.
Se conocen
estromatolitos como los que forman las actuales cianobacterias con una
antigüedad de hasta 3.500 millones de años.
A partir de
estos monómeros se formarían las proteínas, ácidos nucleicos y membranas que
constituirían las protocélulas. Sin embargo, aquí surge un problema: las
proteínas son excelentes catalizadores de reacciones químicas, pero no pueden
almacenar información genética, esto es, la información necesaria para la
síntesis de otra proteína. Por su parte, los ácidos nucleicos almacenan
información genética, pero para su duplicación precisan de enzimas, es decir,
de proteínas. Esto plantea el dilema de qué fueron primero, las proteínas
(modelos del metabolismo primero) o los ácidos nucleicos (modelos de los genes
primero). Según el primero de los modelos, la emergencia de un metabolismo
primitivo pudo preparar un ambiente propicio para la posterior aparición de la
replicación de los ácidos nucleicos, como postula, por ejemplo, la teoría del
mundo de hierro-sulfuro.25 En el segundo de los modelos se encuadra la
hipótesis del mundo de ARN,26 que se basa en la observación de que algunas
secuencias de ARN pueden comportarse como enzimas. Este tipo de compuesto se
denomina ribozima, es decir una enzima constituida por ácido ribonucleico.
Según esta hipótesis, el origen de los componentes moleculares y celulares de
la vida implicaría los siguientes pasos:
El encadenamiento al azar de nucleótidos para
formar moléculas de ARN pudo haber originado ribozimas que serían capaces de
autorreplicación y que podrían poseer mecanismos de autoinserción y
autoeliminación de nucleótidos.
Los procesos de selección natural para una
mayor diversidad y eficiencia darían lugar a ribozimas que catalizaban péptidos
y luego pequeñas proteínas, ya que estos compuestos son mejores catalizadores.
De ese modo surgió el primer ribosoma y comienza la síntesis de proteínas.
Las proteínas se convierten en los biopolímeros
dominantes y los ácidos nucleicos (ARN y ADN) quedan restringidos a un uso
predominantemente genómico.
Los fosfolípidos, por su parte, pueden formar
espontáneamente bicapas lipídicas, uno de los dos componentes básicos de la
membrana celular. Las membranas asistirían a la replicación y síntesis de
ácidos nucleicos y proteínas de acuerdo con dos posibles modelos: citoplasma
dentro y citoplasma fuera. En este último caso, los ácidos nucleicos y
proteínas evolucionarían en la parte exterior de la membrana y sólo más tarde
se interiorizarían para formar las primeras células.
Evolución
Un árbol
filogenético hipotético de todos los organismos, basado en datos de secuencias
genéticas del ARN 16S, mostrando la historia evolutiva de los tres dominios de
la vida, Bacteria, Archaea y Eukarya. Propuesto originalmente por Carl Woese. Extensiva
transferencia horizontal de genes entre dominios y una colonia ancestral como
raíz del árbol filogenético de los seres vivos.
En biología,
la teoría del antepasado común universal sostiene que todos los organismos
sobre la tierra tienen un origen común. La teoría se sustenta en la evidencia
de que todos los organismos vivos comparten numerosos rasgos comunes. En los
tiempos de Darwin-Wallace se basaba en la observación visible de las semejanzas
morfológicas, tales como el hecho de que todos los pájaros tienen alas, incluso
los que no vuelan. Actualmente la genética refuerza esta afirmación. Por
ejemplo, toda célula viva hace uso de los ácidos nucleicos como material
genético y utiliza los mismos veinte aminoácidos como bloques de construcción
de las proteínas. La universalidad de estos rasgos apoya fuertemente una
ascendencia común, pues sería muy improbable que hayan aparecido
independientemente dos seres vivos con las mismas moléculas orgánicas.
El último antepasado común universal (LUCA) es
el nombre del hipotético organismo unicelular del cual descendemos todos los
existentes. Sin embargo, este concepto presenta algunas dificultades, pues es
posible que los distintos componentes moleculares y celulares de los organismos
actuales procedan de una comunidad de organismos ancestral, más que de un
organismo individual. Los datos moleculares muestran una distribución de genes
atípica entre los distintos grupos de seres vivos y los árboles filogenéticos
construidos a partir de distintos genes son incompatibles entre sí. La historia
de los genes es tan convolucionada que la única explicación razonable es una
extensiva transferencia horizontal de genes.29 Por tanto, cada molécula de un
ser vivo tiene su propia historia molecular y es posible que cada molécula
tenga un origen distinto (en un organismo o no). Esta es la razón por la cual
los árboles filogéneticos de los seres vivos tienen distintas estructuras de
ramificación, particularmente cerca de la raíz.
La geología y
la ciencia planetaria proporcionan también información sobre el desarrollo
temprano de la vida. La vida no sólo ha sido un sujeto pasivo de los procesos
geológicos sino que también ha participado activamente en ellos, como por
ejemplo, en la formación de sedimentos, la composición de la atmósfera y en el
clima.
Filogenia
Las relaciones filogenéticas de los seres
vivos son motivo de controversia y no hay un acuerdo general entre los
diferentes autores. Las posibilidades son las siguientes:
Los tres dominios, Archaea, Bacteria y
Eukarya, son igualmente antiguos.
Bacteria es el dominio más antiguo con Archaea
y Eukarya derivándose a partir de él.
Archaea es el dominio más antiguo.
Árbol filogenético de los seres vivos
enfatizando los cambios en la estructura celular y considerando que Bacteria es
el dominio más antiguo, de acuerdo con las ideas de Cavalier-Smith.33 La letra
M en el círculo indica la procedencia de las mitocondrias y la C de los
cloroplastos.
La figura de
la derecha muestra un árbol filogenético basado en la estructura celular que
sitúa la raíz de los seres vivos entre las bacterias Gram negativas, basado en
las ideas de Cavalier-Smith.33 34 Un árbol alternativo podría construirse
poniendo la raíz entre las arqueas, en el punto indicado por el asterisco en la
figura.
Las bacterias
Gram negativas presentan una envoltura celular compuesta de membrana
citoplasmática, pared celular y membrana externa. Esto es, presentan dos
membranas lipídicas distintas, mientras que el resto de los organismos
presentan una única membrana lipídica. Existirían desde hace 3.500 millones de
años y podrían realizar la fotosíntesis anoxigénica, tal como hace
Chlorobacteria en la actualidad (subgrupo Eobacteria). Hace 2.800 millones de
años se produciría la revolución glicobacteriana, que daría lugar a
Cyanobacteria y Proteobacteria, entre otros (subgrupo Glycobacteria). Estos
organismos cambiaron la composición de la membrana externa añadiendo
lipopolisacáridos y mejoraron el mecanismo de la fotosíntesis que paso a ser
oxigénica. Entonces comienza la liberación de grandes cantidades de oxígeno
molecular al medio ambiente.
Las bacterias
Gram positivas presentan una única membrana y la pared de peptidoglicano
(mureína) se hace mucho más gruesa. Se considera que las bacterias Gram
positivas proceden de las Gram negativas, y no al revés, porque las primeras
presentan características moleculares y ultraestructurales más avanzadas. La
pérdida de la membrana externa podría ser debida a la hipertrofia de la pared
celular que aumenta su resistencia pero que impide la tansferencia de lípidos
para formar la membrana externa. Estos organismos fueron probablemente los
primeros que colonizaron el suelo.
Archaea y
Eukarya surgirían hace unos 900 millones de años a través de la revolución
Neomura (esto es controvertido, otros autores consideran que Archaea existe
desde hace unos 3.500 millones de años35 y Eukarya desde hace unos 2.000
millones de años36 37 ). La pared celular de peptidoglucano es sustituida por
otra de glicoproteína. A continuación, las arqueas se adaptaron a ambientes
calientes y ácidos, reemplazando los lípidos acilo éster de las bacterias por
lípidos prenil éter, y usaron las glicoproteínas como una nueva pared rígida, y
por tanto, retuvieron la organización celular bacteriana. Los eucariontes, en
cambio, usaron la nueva superficie de proteínas como una capa flexible que dio
lugar por primera vez en la historia de la vida a la fagocitosis y que a través
de la adquisición de las mitocondrias llevó, en última instancia, al cambio en
la estructura de la célula (núcleo, endomembranas, citoesqueleto, etc). Este
cambio se refleja en las profundas diferencias entre la célula procariota y la
eucariota. Se considera que las mitoncondrias proceden de la endosimbiosis de
una proteobacteria alfa, en tanto que los cloroplastos de las plantas lo hacen
de una cianobacteria.
El siguiente cladograma muestra de manera muy
simplificada las relaciones entre los seres vivos de acuerdo con las ideas de
Cavalier-Smith:38 39
LUCA es el hipotético último ancestro común de
todos los seres vivos actuales; no significa que fuese el primer ser vivo, ni
que no existiesen otros, pero es el único que sobrevivió. Son bacterias
Gram-negativas: Chlorobacteria, Hadobacteria, Cyanobacteria, Gracilicutes y
Eurybacteria, mientras que son bacterias Gram-positivas: Endobacteria y
Actinobacteria.
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