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10° EGB · Ciencias Naturales
Historia de la Tierra y de la vida · La historia de la vida

El origen y la evolución de la vida

Te conviene dominar: Tipos de células: procariota y eucariotas (8.° grado de EGB (Educación General Básica, subnivel Superior))
Te conviene dominar: El origen de la vida (9.° grado de EGB (Educación General Básica, subnivel Superior))

Si caminas por los manglares de la costa de Esmeraldas o del estuario del Guayas, verás tapetes de microorganismos sobre el lodo. En otros lugares del mundo, comunidades parecidas forman rocas llamadas estromatolitos, como las que dejaron las primeras comunidades de vida hace más de 3.500 millones de años. Ningún experimento ha creado vida en un tubo de ensayo, y lo que ocurrió entonces fue un proceso gradual, no un instante mágico. La ciencia no pretende demostrar exactamente cómo surgió la vida, sino acotar, con química y con fósiles, cómo pudo haber surgido.

La Tierra primitiva y la síntesis prebiótica

El universo, el Sistema Solar y la Tierra primitiva

El Universo se originó hace unos 13.800 millones de años con el Big Bang. Las estrellas fabricaron en su interior elementos como el carbono, base de las biomoléculas. Hace unos 4.600 millones de años, una nube de gas y polvo formó el Sol y los planetas del Sistema Solar, entre ellos la Tierra. La Tierra recién formada era una bola de roca fundida; al enfriarse se formó la corteza sólida, y los volcanes liberaron gases (vapor de agua, CO₂, metano, amoniaco) que formaron una atmósfera sin oxígeno. El vapor se condensó y las lluvias llenaron los océanos: así apareció el agua líquida, que también llegó en parte con cometas y asteroides.

Generación espontánea

Durante siglos se creyó en la generación espontánea: que los seres vivos surgían de la materia sin vida, como los gusanos de la carne podrida. Redi y luego Pasteur, con experimentos con frascos cerrados o con cuello de cisne, mostraron que todo ser vivo viene de otro ser vivo. Oparin y Haldane plantearon entonces algo distinto: un origen gradual y químico, hace miles de millones de años.

Las rocas muy antiguas (como las que estudian los geólogos de la EPN) contienen minerales de hierro sin oxidar e isótopos de azufre que muestran una atmósfera sin oxígeno libre, junto con restos de carbono orgánico. ¿Cómo pudieron formarse las primeras biomoléculas en un planeta hostil y sin seres vivos que las fabricaran?

Esquema de la síntesis prebiótica: los gases de la atmósfera primitiva, sometidos a descargas eléctricas, originan moléculas orgánicas sencillas y, a partir de ellas, aminoácidos. atmósfera primitiva H₂O, CH₄, NH₃, CO₂ descargas eléctricas moléculas orgánicas sencillas aminoácidos
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Describe cómo era la atmósfera primitiva de la Tierra según la hipótesis clásica (sin oxígeno, con $\text{CO}2$, vapor de agua, metano y amoníaco) y explica qué…

Describe cómo era la atmósfera primitiva de la Tierra según la hipótesis clásica (sin oxígeno, con $\text{CO}_2$, vapor de agua, metano y amoníaco) y explica qué diferencia clave la separa de la atmósfera actual.

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Resume la hipótesis heterotrófica de Oparin y Haldane sobre el origen de la vida y explica en qué consistió el experimento de Miller y Urey, qué obtuvieron y qué…

Resume la hipótesis heterotrófica de Oparin y Haldane sobre el origen de la vida y explica en qué consistió el experimento de Miller y Urey, qué obtuvieron y qué demostró.

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De las moléculas a la primera célula

Paso de un protobionte o coacervado, con un límite parecido a una membrana y moléculas orgánicas en su medio interno, a la primera célula, que incorpora ARN capaz de copiarse dentro de una membrana. medio interno límite similar a membrana se incorpora ARN capaz de copiarse ARN copia membrana protobionte (coacervado) sin herencia precisa primera célula con material hereditario

Los primeros seres vivos fueron probablemente heterótrofos: un organismo autótrofo fabrica su alimento a partir de sustancias inorgánicas (por ejemplo, por fotosíntesis), mientras que un heterótrofo se alimenta de moléculas orgánicas ya formadas. En el mar primitivo había moléculas orgánicas acumuladas, y la fotosíntesis exige una maquinaria mucho más compleja, así que lo más plausible es que los heterótrofos hayan aparecido primero.

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Explica qué son los coacervados o protobiontes y qué propiedades «casi vivas» presentan (membrana, intercambio con el medio, crecimiento por incorporación), indicando…

Explica qué son los coacervados o protobiontes y qué propiedades «casi vivas» presentan (membrana, intercambio con el medio, crecimiento por incorporación), indicando qué les falta para ser considerados células.

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Diferencia un organismo autótrofo de uno heterótrofo y razona por qué es más plausible que los primeros seres vivos fueran heterótrofos (aprovechando las moléculas…

Diferencia un organismo autótrofo de uno heterótrofo y razona por qué es más plausible que los primeros seres vivos fueran heterótrofos (aprovechando las moléculas orgánicas del medio) que fotosintéticos.

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Ordena estos pasos hacia la primera célula y justifica el orden elegido: aparición de una molécula autorreplicativa, formación de membranas lipídicas, síntesis de…

Ordena estos pasos hacia la primera célula y justifica el orden elegido: aparición de una molécula autorreplicativa, formación de membranas lipídicas, síntesis de monómeros orgánicos, polimerización e integración de metabolismo, herencia y envoltura.

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LUCA y la Gran Oxidación

Una bacteria de las profundidades, una levadura de la cerveza y una célula humana comparten el mismo código genético de 64 codones y los mismos 20 aminoácidos. ¿Por qué seres tan distintos funcionan con la misma «gramática» bioquímica?

Los hitos de la historia de la vida se ordenan con fechas aproximadas: primeras células procariotas y estromatolitos (hace unos 3.500 millones de años, Ma), Gran Oxidación (2.400 Ma), primeras células eucariotas (alrededor de 1.500 Ma), explosión cámbrica (541 Ma) y conquista del medio terrestre por las plantas (unos 470 Ma). La fotosíntesis oxigénica de las cianobacterias empezó antes de la Gran Oxidación, porque el oxígeno tardó en acumularse en la atmósfera.

Línea temporal con los grandes hitos de la vida terrestre: estromatolitos arcaicos, Gran Oxidación, aparición de eucariotas, explosión cámbrica y conquista de la tierra firme por las plantas. 3.500 Ma estromatolitos 2.400 Ma Gran Oxidación ~1.500 Ma célula eucariota 541 Ma explosión cámbrica ~470 Ma plantas en tierra firme

Lo que cuentan las rocas: hierro bandeado y capas rojas

La Gran Oxidación no se «ve» directamente: se lee en las rocas. En el océano sin oxígeno había mucho hierro disuelto como $\mathrm{Fe^{2+}}$ (soluble). Al liberar oxígeno, las cianobacterias lo oxidaron a $\mathrm{Fe^{3+}}$, que forma óxidos insolubles y precipita al fondo. Así se formaron las formaciones de hierro bandeado (BIF): capas alternas de óxidos de hierro y sílice, muy abundantes entre unos 2.700 y 2.400 Ma. El hierro del océano funcionó como una esponja de oxígeno.

Mientras el oxígeno se consumía así, no llegaba a la atmósfera. Por eso hay un desfase de cientos de millones de años entre las primeras cianobacterias y la acumulación atmosférica. Sirven de testigo los minerales inestables con oxígeno: la uraninita ($\mathrm{UO_2}$) y la pirita ($\mathrm{FeS_2}$) detrítica se oxidan y se disuelven en una atmósfera oxigenada, así que si aparecen como granos transportados por ríos, el aire aún no tenía oxígeno libre.

Cuando el hierro del océano se agotó, el oxígeno se acumuló. Entonces los BIF casi desaparecen y surgen las capas rojas continentales, ricas en óxidos de $\mathrm{Fe^{3+}}$, porque el suelo expuesto al aire se oxida (como el hierro de una reja, y de ahí el color). A la vez cae la diversidad de microfósiles anaerobios.

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¿Qué son los estromatolitos y qué organismos los forman? Explica por qué se consideran una de las evidencias más antiguas de vida en la Tierra.

¿Qué son los estromatolitos y qué organismos los forman? Explica por qué se consideran una de las evidencias más antiguas de vida en la Tierra.

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Ordena cronológicamente estos hitos de la historia de la vida y justifica el orden elegido: aparición de la fotosíntesis oxigénica, primeras células procariotas,…

Ordena cronológicamente estos hitos de la historia de la vida y justifica el orden elegido: aparición de la fotosíntesis oxigénica, primeras células procariotas, explosión cámbrica, primeras células eucariotas, conquista del medio terrestre por las plantas.

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Hace unos $2\,400$ millones de años el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera (la Gran Oxidación). Explica qué organismos lo produjeron y describe dos…

Hace unos $2\,400$ millones de años el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera (la Gran Oxidación). Explica qué organismos lo produjeron y describe dos consecuencias de ese cambio para la vida y para la superficie del planeta.

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El origen de la célula eucariota: la teoría endosimbiótica

Recuerda las diferencias básicas: la célula procariota no tiene núcleo (su ADN está libre en el citoplasma), es pequeña y no tiene organelas con membrana; la eucariota tiene núcleo, es más grande y posee organelas membranosas como mitocondrias y retículos.

En el esquema, 1 es la célula hospedadora, 2 son las bacterias que se acercan para ser englobadas (una aerobia y otra fotosintética) y 3 es la célula eucariota resultante, con mitocondria y cloroplasto.

Esquema de la teoría endosimbiótica: la célula hospedadora (1) engloba bacterias aerobias y fotosintéticas (2), que se convierten en mitocondria y cloroplasto de la célula eucariota (3). 1 célula hospedadora 2 bacterias englobadas aerobia y fotosintética mit. clor. 3 célula eucariota
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Expón tres diferencias entre una célula procariota y una eucariota, y señala qué características de las mitocondrias (tamaño, doble membrana, ADN propio, ribosomas)…

Expón tres diferencias entre una célula procariota y una eucariota, y señala qué características de las mitocondrias (tamaño, doble membrana, ADN propio, ribosomas) delatan su origen bacteriano.

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El esquema representa la teoría endosimbiótica del origen de la célula eucariota propuesta por Lynn Margulis. Explica qué ocurre entre las células 1 y 2 para dar lugar a…

El esquema representa la teoría endosimbiótica del origen de la célula eucariota propuesta por Lynn Margulis. Explica qué ocurre entre las células 1 y 2 para dar lugar a la célula 3, y cita tres evidencias que apoyan esa teoría relacionadas con las mitocondrias y los cloroplastos.

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Compara una mitocondria y un cloroplasto: tamaño, número de membranas, tipo de ADN y de ribosomas. Razona, a partir de esos datos, por qué se cree que la mitocondria se…

Compara una mitocondria y un cloroplasto: tamaño, número de membranas, tipo de ADN y de ribosomas. Razona, a partir de esos datos, por qué se cree que la mitocondria se incorporó antes que el cloroplasto a la célula eucariota (¿qué eucariotas tienen mitocondrias pero no cloroplastos?).

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Hipótesis alternativas y evolución posterior

En las fosas oceánicas hay fuentes hidrotermales a más de $300\ ^\circ\mathrm{C}$ con ecosistemas prósperos sin luz solar, y el meteorito Murchison reveló más de 70 aminoácidos venidos del espacio. ¿Pudo surgir la vida lejos de la superficie de los mares primitivos?

Tres escenarios para el origen de la vida: sopa primordial con rayos sobre aguas someras, chimenea hidrotermal en el fondo oceánico y meteorito que lleva moléculas a la Tierra (panspermia). > 300 °C sopa primordial fuentes hidrotermales panspermia

Fuentes hidrotermales alcalinas: una «pila» natural

En algunas chimeneas hidrotermales de baja temperatura (alcalinas), el fluido que sale del subsuelo es alcalino (pH de 9 a 11) y rico en hidrógeno ($\mathrm{H_2}$) disuelto. Se encuentra con el agua del océano primitivo, que era ácida (pH de 5{,}5 a 6) y estaba saturada de $\mathrm{CO_2}$ y de $\mathrm{Fe^{2+}}$ disuelto. Las dos soluciones quedaban separadas por paredes muy delgadas de sulfuros de hierro ($\mathrm{FeS}$) llenas de microporos.

Pared microporosa de sulfuro de hierro que separa el océano primitivo ácido, con mucho CO₂ y Fe²⁺, del fluido alcalino de la chimenea rico en H₂; los protones fluyen del lado ácido al alcalino y esa diferencia es una fuente de energía. océano primitivo pH 5,5 a 6 (ácido) CO₂ y Fe²⁺ fluido de la chimenea pH 9 a 11 (alcalino) H₂ disuelto pared de FeS con poros H⁺

En ese escenario, el $\mathrm{H_2}$ del fluido (que cede electrones) y el $\mathrm{CO_2}$ del océano (que los acepta) quedaban a ambos lados de la pared. Los sulfuros de hierro y el hierro de las paredes actuaban como catalizadores inorgánicos, y los microporos concentraban los reactivos y los protegían de la dilución. La energía del gradiente de pH y la reacción entre $\mathrm{H_2}$ y $\mathrm{CO_2}$ podían favorecer la formación de moléculas orgánicas sencillas, sin luz solar y sin vida previa.

Es una hipótesis, no un hecho demostrado: se sostiene con modelos y experimentos de laboratorio, y no explica por sí sola cómo surgieron la herencia ni la membrana.

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Compara la hipótesis de la «sopa primordial» con la hipótesis de la panspermia: en qué coinciden, en qué se diferencian y qué problema deja sin resolver la segunda.

Compara la hipótesis de la «sopa primordial» con la hipótesis de la panspermia: en qué coinciden, en qué se diferencian y qué problema deja sin resolver la segunda.

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Los meteoritos carbonáceos (condritas) contienen aminoácidos y otras moléculas orgánicas. Explica qué aporta ese hallazgo al estudio del origen de la vida, en qué se…

Los meteoritos carbonáceos (condritas) contienen aminoácidos y otras moléculas orgánicas. Explica qué aporta ese hallazgo al estudio del origen de la vida, en qué se diferencia de la hipótesis de la panspermia y por qué demuestra que la química orgánica es común en el universo.

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Vuelve al principio: los tapetes microbianos y los estromatolitos actuales son parientes vivos de las comunidades que, hace miles de millones de años, llenaron la atmósfera de oxígeno y prepararon el camino de las células eucariotas.

Resumen

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