Download innovaciones biologicas

LICEO Nº1
JAVIERA CARRERA
DPTO. DE BIOLOGÍA
GUÍA DE APOYO 3º DIFERENCIADO
“INNOVACIONES BIOLÓGICAS”
Las primeras células que surgieron en el océano fueron las procariontes , estas células
probablemente obtenían los nutrientes y energía al absorber moléculas orgánicas de su ambiente y
ante la ausencia de Oxígeno en la atmósfera, este metabolismo debió ser anaeróbico. Así las
primeras células eran bacterias anaeróbicas.
A medida que estas bacterias se multiplicaron fueron terminando con las moléculas
orgánicas producidas por reacciones químicas prebióticas, aunque abundaba el agua y el dióxido
de carbono. Entonces lo que hacía falta eran moléculas energéticas, es decir moléculas cuyos
enlaces almacenaran energía.
Con el transcurso del tiempo, algunas células adquirieron la capacidad para emplear la
energía solar, para
sintetizar moléculas complejas a partir de moléculas simples, surgió la
fotosíntesis, la cual requiere de una fuente de hidrógeno; las bacterias fotosínteticas más
primitivas utilizaron sulfuro de hidrógeno disuelto en agua (actualmente lo hacen las bacterias
fotosintéticas púrpuras). Posteriormente tuvo que disminuir el sulfuro de hidrógeno como
consecuencia del menor volcanismo y de su utilización por parte de las bacterias, esta situación
preparó el escenario para que evolucionaran las bacterias fotosintéticas a cianobacterias
(similares a las cianobacterias actuales), las que fueron capaces de utilizar la fuente más grande
de hidrógeno del planeta, el agua.
Las cianobacterias incorporaron fotosistemas II acoplado al fotosistema I y de esta
forma pudieron realizar la fotólisis del agua para obtener el hidrógeno necesario para reducir el
CO2 y formar materia orgánica liberando O2 como desecho.(figura 1)
Fig 1 Cianobacterias
CONSECUENCIAS DE LA FOTOSÍNTESIS
I.- Se introdujo grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera. Al comienzo este se
consumió rápidamente por las reacciones con otras moléculas en la atmósfera y la capa superficial
de la tierra, donde había un átomo especialmente reactivo, el hierro , con quien se combinó el
oxígeno formando grandes depósitos de óxido de hierro (herrumbre).
Después de que todo el hierro accesible se convirtió en herrumbre, se empezó a
incrementar la concentración de este gas en la atmósfera en forma paulatina hasta alcanzar un
nivel estable hace 1500 millones de años, debido a que, la cantidad de oxígeno liberado por la
fotosíntesis se compensa con la cantidad que consume la respiración aeróbica.
II.- La acumulación de O2 en la tierra primitiva probablemente exterminó a muchos
organismos y fomentó la evolución de mecanismos celulares que permitieran contrarrestar la
toxicidad del O2 . Esta crisis de la evolución de la vida creó la presión ambiental para otro gran
adelanto “la capacidad para utilizar oxígeno en el metabolismo, canalizando su poder
destructor para generar energía útil para la célula a través de la respiración aeróbica”
Debido a que la cantidad de energía disponible para la célula aumenta cuando se
utiliza el oxígeno para metabolizar los alimentos, las células aeróbicas tenían una ventaja
selectiva.(figura 2)
1
Las bacterias aeróbicas perfeccionaron la cadena de citocromos primitiva de la
respiración anaeróbica, otros organismos desarrollaron sistemas enzimáticos (catalasas) como
aceptor de oxígeno.
Los organismos que no pudieron implementar los mecanismos anteriores se
refugiaron en zonas profundas con ausencia de oxígeno.
III. Se inicia la colonización del medio terrestre aprovechando la presencia de oxígeno
en la atmósfera.
CITOCROMOS: proteínas HEM ricas en Fe del sistema de transporte de electrones que son
oxidadas y reducidas durante la oxidación biológica
Figura 2
ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIONTES
De acuerdo con la hipótesis de mayor aceptación depredadores primitivos
procariontes evolucionaron hasta llegar a ser más grande que las bacterias comunes, además
habían perdido la pared celular que rodea a la mayoría de las células bacterianas, de manera que
su flexible membrana plasmática estaba en contacto con el ambiente. De esta forma las células
depredadoras podían envolver a las bacterias más pequeñas en una bolsa membranosa y
“tragarla” de manera completa.
Estas depredadoras primitivas metabolizaban las bacterias presas de manera poco
eficiente. Aproximadamente hace 1700 millones de años , un depredador dio origen a una célula
eucarionte.
Las células eucarióticas difieren de las células procariontes por su sistema
complicado de membranas internas. Se supone que estas membranas surgieron originalmente de
un plegado (invaginación) de la membrana celular de un predador unicelular. Si como sucede con
la mayoría de las bacterias actuales, el ADN de los ancestros de las eucariotas estaba adherido al
interior de la membrana celular, un pliegue de la membrana cerca de ese sitio se estranguló y se
convirtió en un precursor del núcleo celular.
¿Cómo evolucionaron mitocondrias y cloroplastos?. Según la teoría endosimbiótica
(figura 3) células eucarióticas primitivas adquirieron los precursores de las mitocondrias y los
cloroplastos al fagocitar algunas bacterias.
Estas células y las bacterias atrapadas en ellas entraron gradualmente en una
relación simbiótica, es decir, una asociación estrecha entre organismos diferentes por un tiempo
prolongado. ¿Cómo se pudo producir esto?
Supuestamente una célula depredadora anaerobia atrapó a una bacteria aerobia
para alimentarse; pero por alguna razón no la pudo digerir, de esta manera la bacteria presa
permaneció viva y aprovechó la riqueza de alimentos a medio digerir (residuos del metabolismo
anaerobio) que encontró en el citoplasma del predador. La bacteria aerobia absorbió estas
moléculas y usó oxígeno para metabolizarlas obteniendo gran cantidad de energía.
2
Fue tan grande la cantidad de recursos alimentarios y tan grande la producción de
energía que se pudo producir una “fuga” de energía, quizás como ATP, hacia el citoplasma de su
huésped. De esta forma la célula depredadora anaerobia, junto a su bacteria simbiótica pudo
metabolizar el alimento en forma aeróbica obteniendo una ventaja evolutiva frente a otras células
anaerobias, se reprodujo con mayor frecuencia. Al pasar el tiempo la bacteria endosimbiótica
pierde la capacidad para vivir en forma independiente, nace la mitocondria.
De igual manera una asociación exitosa se pudo producir entre una bacteria predadora
que atrapó a una cianobacteria fotosintética, al no ser digerida evolucionó gradualmente hasta
cloroplasto. Probablemente otros organelos eucarióticos se hayan originado también por
endosimbiosis.
Figura 3.- Teoría endosimbiótica
EVIDENCIAS QUE APOYAN LA TEORIA ENDOSIMBIÓTICA
Características bioquímicas distintivas comparten los organelos eucarióticos y las
bacterias vivas. Las mitocondrias, los cloroplastos y centríolos contienen una pequeña dotación de
ADN, que muchos investigadores consideran como residuos del ADN que contenía originalmente la
bacteria fagocitada.
Otra evidencia proviene de intermediarios vivientes, organismos que están vivos
y son parecidos a los ancestros hipotéticos, y que ayudan a demostrar que es posible esta vía
evolutiva. Por ejemplo la ameba Pelomyxa palustris carece de mitocondrias, pero en su interior
existen bacterias aerobias. De esta misma forma variedades de corales, almejas y al menos una
especie de Paramecium contienen una población permanente de algas fotosintéticas.(figura 4)
Figura 4.- Paramecio
3
¿COMO SE PUDO HABER FORMADO UN AUTÓTROFO A PARTIR DE HETERÓTROFOS
FERMENTADORES?
Horowitz en 1945 postuló que un organismo adquiriría por mutaciones génicas
sucesivas , las enzimas necesarias para sintetizar sustancias complejas a partir de sustancias
simples, pero propone que se adquirirían en sentido inverso al que siguieron al ser usados
finalmente en el metabolismo normal.
Por ejemplo: el primer heterótrofo primitivo requirió un compuesto orgánico Z, este y
otros compuestos estaban en el ambiente (Y – W – Z – V……A). El organismo sobrevivió mientras
Z estuvo en el ambiente. Si se produjo una mutación con una nueva enzima capaz de sintetizar Z a
partir de Y, la cepa de este heterótrofo podría haber sobrevivido ante la ausencia de Z. Así
sucesivas mutaciones darían por resultado un organismo capaz de sintetizar Z a partir de A.
Esta capacidad de poder sintetizar todos sus requerimientos simples (como las plantas) lo
convierten en autótrofos.
ORIGEN DE LOS ORGANISMOS PLURICELULARES
Cuando evolucionó la depredación , el hecho de ser de gran tamaño se convirtió en
una ventaja. En los ambientes marinos una célula más grande podía fagocitar fácilmente a una
célula pequeña, y también era más difícil que otras células depredadoras las ingirieran. Por lo
general las células más grandes son más rápidas siendo exitosas en la depredación y en la huída.
El problema de ellas es que a mayor tamaño menor es la disponibilidad de la membrana superficial
por unidad de volumen de citoplasma.
Los organismos que tienen más de un milímetro de diámetro tienen 2 posibilidades
de sobrevivir:
1.- Puede tener un metabolismo bajo de manera que requiera poco oxígeno y produzca poco CO 2
(algas unicelulares grandes)
2.- Puede ser multicelular, ya que varias células confinadas y empaquetadas en un solo cuerpo
brinda ventajas, no podían ser predadas y se produce además la especialización celular.(figura 5)
Figura 5: Algas pluricelulares
4