Origen de la Vida y Evolución: Teorías, Pruebas y Biotecnología

EL ORIGEN DE LA VIDA

Primeras teorías sobre el origen de la vida

1. La creación

Los grandes textos religiosos describen, cada uno a su manera, un Génesis que narra el origen del mundo, de los seres vivos y de la especie humana. En la mayoría aparece un Dios o Creador. Este punto de vista no resuelve las cuestiones científicas.

2. La generación espontánea

Se pensaba que la vida aparecía espontáneamente cada vez que las condiciones eran adecuadas.

• Aristóteles: ciertos seres vivos podrían ser engendrados por vegetales, materia orgánica en descomposición o materia inorgánica.
• Francesco Redi (s. XVII): demostró que las larvas de mosca no se generaban espontáneamente a partir de la carne en putrefacción.
• Lazzaro Spallanzani (s. XVIII): demostró que, calentando y posteriormente sellando el caldo de carne, no se generaban microorganismos mientras los frascos estuvieran cerrados.

Fin de la generación espontánea

Louis Pasteur (s. XIX) demostró de manera irrefutable que no existía la generación espontánea. Los seres vivos solo proceden de otros seres vivos predecesores.

Experiencia de Pasteur para rebatir la teoría de la generación espontánea.

Teoría de la panspermia

Postula que la vida llegó a la Tierra en forma de esporas bacterianas provenientes del espacio exterior e impulsadas por la presión de la radiación de las estrellas.

Teorías modernas sobre el origen de la vida

1. Evolución química de la vida

• Los gases de la atmósfera reaccionan de manera espontánea bajo el bombardeo de la radiación (radiación ultravioleta, chispas eléctricas de tormentas...), dando lugar a la formación de pequeñas moléculas orgánicas.
• La lluvia arrastró los compuestos, dando lugar al llamado caldo o sopa primitiva.
• Las moléculas orgánicas reaccionaron en presencia de agua para dar los sillares de las moléculas: aminoácidos, nucleótidos, hidratos de carbono y ácidos grasos.
• Estos reaccionarían entre sí para dar lugar a macromoléculas o polímeros, que más tarde se agruparían para formar las primeras células o sistemas autorreproductivos.

2. Génesis mineral

Es posible que las primeras moléculas orgánicas se hayan sintetizado y acumulado en un caldo primitivo sobre superficies de arcilla. Estas actuarían como catalizadores, facilitando la formación de polímeros.

3. Fuerzas hidrotermales

Los gases y las altas temperaturas de las fuentes hidrotermales situadas cerca de las dorsales oceánicas podrían haber favorecido el origen de las moléculas orgánicas.

4. Mundo ARN

Algunos bioquímicos actuales proponen que algunas moléculas de ARN surgidas al azar, y capaces de replicarse mediante mutaciones, comenzaron la cadena de la evolución.

Las primeras células: evolución celular y evolución biológica

• Implica la formación de vesículas cerradas constituidas por bicapas de fosfolípidos.
• Muchas de estas vesículas encerrarían las moléculas orgánicas formadas en la etapa anterior.
• Algunas de estas vesículas fueron muy estables y comenzaron a realizar tres funciones:
  • Intercambio de materia y energía con el medio exterior.
  • Regulación en función de los cambios ambientales.
  • Reproducción autónoma gracias a su primitivo material genético.
• Las primeras células serían procariotas (sin núcleo diferenciado), heterótrofas (tomaban materia orgánica del medio, no realizaban la fotosíntesis) y anaerobias (no necesitaban oxígeno).
• Más tarde aparecieron, por mutación, las células autótrofas, y mucho después la evolución de organismos más complejos.

La evolución

• La cantidad total de especies que pueblan la Tierra podría llegar a 30 e incluso a 50 millones.
• Todas estas especies proceden de antepasados comunes cuyos restos, los fósiles, han quedado enterrados en las rocas.
• Existe una gran variedad actual: biodiversidad.
• Todos estos hechos solo son posibles gracias a la evolución.

4. Las pruebas de la evolución

Existen varios tipos de pruebas que apoyan la evolución:

• Pruebas biológicas: se basan en organismos actuales.
• Pruebas paleontológicas: se apoyan en los fósiles.
• Pruebas moleculares: cuya base es la genética.
• Pruebas embriológicas: estudian las primeras etapas del desarrollo de los organismos.
• Pruebas taxonómicas.
• Pruebas morfológicas: se basan en el estudio de la anatomía comparada. Los órganos homólogos son el resultado de la evolución divergente.
• Órganos análogos: comparación de estructura.

Teorías sobre el cambio de las especies

El fijismo

Es la teoría que propone que las especies no cambian, sino que se mantienen básicamente a lo largo del tiempo desde la creación (Linneo).

El catastrofismo

Según esta teoría, cada cataclismo geológico destruye las especies existentes, de forma que posteriormente se produce la creación de nuevas especies (Leclerc, Cuvier).

El transformismo de Lamarck

La hipótesis evolucionista de Lamarck se denomina transformismo y supone que las especies evolucionan al transformarse gradualmente unas en otras.

El neutralismo

Esta teoría sostiene que el motor de la evolución no es la selección natural, sino el puro azar.

El saltacionismo

Plantea que la ausencia de pasos intermedios en el registro fósil no se debe a que sea incompleto, sino a que, en ocasiones, la evolución se produce a saltos.

Teoría de Darwin-Wallace

Se basa en estos principios:

1. Elevada capacidad reproductora de los seres vivos.
2. Variabilidad de las poblaciones.
3. Selección natural.
4. Las especies evolucionan.

Esta teoría crea un vínculo de parentesco entre todos los seres vivos. Las actuales especies son la consecuencia de la progresiva diversificación adaptativa de especies precedentes.

La evolución según Lamarck

Herencia de los caracteres adquiridos: propuso que las especies variaban al adquirir nuevos órganos o perder estructuras inservibles para solucionar nuevas necesidades o ansias de adaptación. Los caracteres adquiridos en vida son heredables, lo cual hoy sabemos que es falso.

Según Lamarck, las serpientes habrían evolucionado a partir de lagartos que preferían reptar a caminar, y las jirafas habrían evolucionado teniendo el cuello cada vez más largo para comer mejor las hojas más altas de los árboles.

La evolución según Darwin

Selección natural: propuso como mecanismo para explicar la evolución la selección natural, basada en la supervivencia de los más aptos. Dentro de una población de una especie hay variabilidad: no todos nacen igual de resistentes o de capaces. Generación tras generación, los organismos más resistentes se reproducen más y transmiten sus características a la descendencia. Después de muchas generaciones, la suma de cambios hará que la última generación sea tan distinta a la primera que formará otra especie.

La evolución según el neodarwinismo

Teoría sintética de la evolución

Darwin desconocía los mecanismos de la variabilidad. Hoy sabemos que los factores determinantes de la herencia son los genes y los de la variabilidad son las mutaciones.

Por ejemplo, en una población de jirafas, algunas sufrieron mutaciones beneficiosas que hicieron que tuvieran el cuello un poco más largo que otras de su misma población. Al alimentarse mejor, fueron seleccionadas por la naturaleza y transmitieron su característica a la descendencia. El resultado: jirafas con el cuello más largo.

5. La biodiversidad

• Reino Monera: bacterias.
• Reino Protista o Protoctista: algas verdes, pardas y rojas.
• Reino Fungi: hongos.
• Reino Metafitas: plantas.
• Reino Metazoos: animales.

Especie: conjunto de organismos que tienen semejanzas morfológicas y pueden reproducirse dando lugar a descendencia fértil.

Taxonomía: rama de la biología encargada de la clasificación y la nomenclatura de los seres vivos.

Sistema binominal: la especie humana se llama Homo sapiens; las dos palabras corresponden, la primera, al género, y la segunda, a la especie.

6. El origen de la especie humana

Proceso de hominización

• Adopción de una postura bípeda o erecta.
• Las extremidades inferiores se hacen más largas, la pelvis se ensancha y se acorta.
• Las manos adquieren más movilidad.
• La dieta se diversifica e incluye carne.

El cerebro

La capa más externa constituye la corteza. Se distinguen el paleocórtex (recepción de estímulos olfativos, reducido) y el neocórtex (característico de los mamíferos), con gran desarrollo del lóbulo frontal, desarrollo de las áreas temporales y prefrontales, existencia de áreas funcionales y lateralización.

Principales homínidos

Australopithecus

• Habitó el sur de África.
• Desarrolló el primer lenguaje articulado.
• Vellosidad abundante.
• Capacidad craneana de unos 600 cc.
• Estatura promedio de 1,20 metros.
• Desarrolló las primeras formas de comunidad.

Homo habilis

• Desarrolló la rotación y oposición del dedo pulgar.
• Fabricación de herramientas rudimentarias.
• Bípedo eficaz.
• Capacidad craneana de unos 800 cc.
• Habitó África.
• Estatura promedio de 1,50 metros.

Homo erectus

• Descubrió el fuego.
• Herramientas más elaboradas.
• Postura erguida.
• Capacidad craneana de unos 1000 cc.
• Habitó África y Asia.

Homo neanderthalensis (hombre de Neandertal)

• Homo sapiens antiguo).
• Conciencia de sí mismo.
• Ritos funerarios.
• Capacidad craneana de 1200 a 1600 cc.
• Cresta frontal y prognatismo.
• Desarrollo de relaciones sociales más complejas.
• Habitó África, Asia, Oceanía y Europa.

Homo sapiens sapiens (hombre de Cromañón)

• Capacidad de reflexión.
• Desarrollo de relaciones sociales más complejas.
• Desarrollo del pensamiento abstracto y simbólico.
• Realización de arte rupestre.
• Habitó Europa, Asia, Oceanía, África y América.
• Capacidad craneana de unos 1300 cc.
• Se dividió en cuatro razas.

LA REVOLUCIÓN GENÉTICA: BIOTECNOLOGÍA

1. Composición química del ADN

El ADN es una gran molécula formada por la unión de otras moléculas más sencillas: los nucleótidos.

Cada nucleótido está compuesto por:

• 1 molécula de ácido fosfórico.
• 1 molécula de desoxirribosa (pentosa, hidrato de carbono de 5 átomos de carbono).
• 1 base nitrogenada: púrica (doble anillo: adenina y guanina) o pirimidínica (anillo simple: citosina y timina).

Estructura del ADN

• Está constituido por 2 cadenas complementarias de nucleótidos enrolladas en forma de doble hélice.
• A + T (doble enlace) y C + G (triple enlace).
• Virus: ADN lineal o circular.
• Bacterias, mitocondrias y cloroplastos: ADN circular.
• Eucariotas: el ADN está asociado a proteínas formando la cromatina. Esta se condensa durante la división celular formando los cromosomas, que contienen a los genes (fragmentos de ADN que codifican una proteína).

Conceptos clave

• Alelo: diferentes alternativas o variantes que puede tener un gen.
• Genotipo: conjunto de genes que posee un individuo en sus cromosomas.
• Fenotipo: manifestación externa del genotipo.
• Alelo recesivo: queda oculto por el dominante y solo se manifiesta en ausencia de este.
• Alelo dominante: se manifiesta en el fenotipo siempre que esté presente.
• Homocigótico: para un carácter determinado, cuando los 2 alelos del gen son idénticos.
• Heterocigótico: para un carácter determinado, cuando los 2 alelos son distintos (se dice que el individuo es híbrido).

Replicación del ADN

Es la única molécula capaz de copiarse a sí misma en los seres vivos (replicación). Ocurre justo antes de que la célula se divida, de modo que las células hijas reciben la misma información genética que posee la célula madre.

1. Liberación de las histonas.
2. Apertura de la doble hélice en"cremaller".
3. Cada hebra actúa de molde para crear una cadena complementaria.
4. Los nucleótidos se unen uno a uno, cada base con su complementaria (A-T y C-G).
5. Se obtienen 2 moléculas de ADN idénticas a la original.

En ocasiones aparecen fallos en la replicación que originan mutaciones. Muchas no tienen efectos, otras tienen efectos evolutivos y algunas pueden provocar enfermedades.

Del gen a la proteína

• Genes: contienen la información necesaria para formar una proteína.
• Proteínas: formadas por una secuencia de aminoácidos.

¿Qué sucede?

1. El ADN se encuentra en el núcleo de la célula, mientras que las proteínas se sintetizan en el citoplasma, concretamente en los ribosomas.
2. El ARN (ácido ribonucleico) es el encargado de transportar la información del ADN desde el núcleo hasta el citoplasma. Presenta ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de timina, que también se une a la adenina.

Transcripción: es la formación de ARN (ARN mensajero) a partir del ADN. El ARNm puede salir del núcleo hacia el citoplasma.

Traducción: unión del ARNm a un ribosoma, que lee el mensaje que contiene y es capaz de traducirlo formando una proteína.

• Cada conjunto de 3 bases del ARNm (codón) se une a un aminoácido.
• El ARN de transferencia transporta los aminoácidos (mediante su anticodón) hasta el ribosoma, donde se unen al ARNm.

Biotecnología

Biotecnología moderna: manipulación del material genético (ADN) de los seres vivos con la finalidad de fabricar o modificar un producto, mejorar animales o plantas, o desarrollar microorganismos con características especiales para un uso concreto.

Técnicas más importantes

• Técnica del ADN recombinante: aislamiento de secuencias concretas de ADN, copiarlas y conocer su composición química (secuencia de nucleótidos).
• Técnica de ingeniería genética: transferencia de genes a otros seres vivos (OGM o transgénicos).
• Técnicas de clonación celular: permiten reparar órganos y tejidos adultos.
• Técnicas de cultivo de células y tejidos: permiten el desarrollo in vitro de órganos y embriones.

ADN recombinante: cualquier molécula de ADN formada por la unión de segmentos de ADN de distinto origen.

Tecnología del ADN recombinante: comprende una serie de técnicas que permiten manipular el ADN, es decir, cortar, aislar, pegar, reproducir y secuenciar fragmentos específicos de ADN de cualquier organismo.

Técnicas del ADN recombinante

1. Enzimas celulares: en las células vivas, los fragmentos de ADN se cortan y vuelven a unirse mediante el uso de enzimas específicas (proteínas).

• Enzimas frecuentes: endonucleasas o restrictasas (de origen bacteriano, para cortar) y ligasas (para unir).
• Uso: producción de insulina en cultivos bacterianos.

2. Análisis de fragmentos de ADN: una vez obtenido un fragmento de ADN, podemos separarlo y analizar su composición. Técnica más empleada: electroforesis en gel de agarosa.

3. Hibridación con sondas de ADN

• Hibridación de ADN: dos hebras de ADN de cadena sencilla, con una secuencia de bases complementarias, se unen para originar una molécula de ADN de cadena doble correctamente apareada. Permite identificar la presencia de un gen que codifica una proteína de interés en un cromosoma.
• Sonda de ADN: fragmento artificial de ADN de cadena sencilla, marcado con radiactividad o fluorescencia, cuya secuencia de nucleótidos es complementaria a la secuencia del gen que se desea detectar. La sonda hibridada puede detectarse por impresión en una película radiográfica.
• Biochips de ADN: para analizar miles de genes de forma simultánea. Son láminas de vidrio en las que se fija una cantidad muy pequeña de fragmentos de ADN que actúan como sonda para un gen determinado.
• Los biochips se emplean en la detección de mutaciones, el control de genes relacionados con el cáncer, el diagnóstico de enfermedades infecciosas y la personalización de tratamientos con medicamentos, entre otras aplicaciones.

4. Clonación del ADN: consiste en la obtención de múltiples copias idénticas de un fragmento de ADN. Para clonarlo, el fragmento debe introducirse en una molécula transportadora (vector). Los vectores más empleados son los plásmidos bacterianos.

5. Amplificación del ADN: PCR El ADN puede amplificarse o copiarse en un tubo de ensayo sin necesidad de clonarlo. La PCR (reacción en cadena de la polimerasa) produce millones de copias de un segmento específico de ADN mediante la repetición de múltiples ciclos de replicación del ADN in vitro. Se emplea para amplificar muestras recogidas en la escena de un crimen o para realizar diagnósticos prenatales.

6. Secuenciación del ADN: sirve para determinar la secuencia de nucleótidos de un fragmento de ADN. Actualmente, las técnicas de secuenciación están automatizadas e informatizadas.

Técnicas de ingeniería genética

La ingeniería genética permite transferir genes entre especies distintas (de un organismo a otro). Estas técnicas se aplican para obtener organismos genéticamente modificados (OGM) y para llevar a cabo terapias génicas.

Organismos genéticamente modificados (OGM o transgénicos)

Son organismos (bacterias, hongos, animales y plantas) que contienen un gen procedente de otro organismo (transgén). Para ello se utilizan vectores de expresión (virus o plásmidos bacterianos).

• Microorganismos modificados:
  • Mejora del medio ambiente (biorremediación): eliminación de mareas negras y metales pesados, y producción de biocombustibles.
  • Productos industriales, farmacéuticos y médicos: detergentes en polvo con enzimas, antibióticos y proteínas humanas (insulina, hormona del crecimiento).
• Animales transgénicos: normalmente se inyecta el material genético de interés en un óvulo. Se emplean para aumentar la productividad de los animales (crecimiento), fabricar órganos de animales para trasplantes o crear granjas farmacéuticas.
• Plantas transgénicas: su finalidad es crear resistencia frente a herbicidas o plagas, o frente a condiciones extremas (salinidad, sequía), retrasar la maduración, mejorar el valor nutritivo o producir fármacos.

Terapia génica

Tiene como objetivo tratar, curar y prevenir enfermedades producidas por un solo gen defectuoso, introduciendo en el paciente un gen funcional. Puede llevarse a cabo de dos maneras:

• Terapia génica somática: se utilizan células del propio cuerpo.
• Terapia génica de la línea germinal: con óvulos fecundados. No se emplea en humanos por problemas éticos y técnicos.

Técnicas de clonación

Clonación reproductiva: producción de organismos genéticamente idénticos entre sí y idénticos al organismo original del que proceden. Los seres vivos que se reproducen asexualmente obtienen clones naturales, puesto que en ellos no se da recombinación genética. Es una técnica todavía sin perfeccionar: en la mayoría de los casos, los embriones no salen adelante o mueren al poco tiempo.

Cultivo de células madre

Existen varios tipos de células madre:

• Células madre embrionarias: son células pluripotentes, es decir, capaces de formar todos los tipos de células y tejidos que encontramos en un individuo adulto.
• Células madre adultas: son multipotentes, capaces de formar solo algunos tipos de células.

Aplicaciones de las células madre en biomedicina:

• Probar nuevos fármacos y el efecto de toxinas.
• Estudiar el desarrollo embrionario y su control genético.
• Terapia celular y trasplantes, con células madre adultas.
• En el caso de las células madre embrionarias, su uso no es legal en la actualidad, ya que requiere la obtención de células embrionarias a partir de un individuo adulto. La clonación terapéutica sería posible si se legalizara su uso médico.

El genoma humano

Es el conjunto de todos los genes que posee nuestra especie, distribuidos en los 23 pares de cromosomas que tenemos en cada una de nuestras células. En 1990 se inició el Proyecto Genoma Humano, que ha permitido secuenciar nuestro genoma, identificar genes causantes de enfermedades hereditarias y demostrar que todos los individuos de la especie humana compartimos el 99,99 % de la información genética.

Bioética

Estudia los problemas éticos que surgen de la aplicación de las ciencias biomédicas y sus tecnologías, que pueden influir y modificar la vida humana y la de otros organismos.

Riesgos de la biotecnología

• Terapia génica: debe emplearse únicamente para curar enfermedades, nunca para mejorar genéticamente a la humanidad.
• Clonación humana con fines reproductivos: la legislación no la acepta en ningún país y la sociedad la rechaza por considerarla una técnica poco ética.
• Células madre: se autoriza el uso de células madre adultas. En 2007 se legalizó el uso de células madre embrionarias en investigación, siempre que no hayan sido creadas expresamente para ello.
• Genoma humano: problemática de la patentabilidad de los genes humanos; de momento, no se acepta.
• OGM: modificación de ecosistemas, contaminación genética, alergias alimentarias y manipulación de los recursos alimentarios.