La Materia Viva y la Bioquímica: Características, Organización Biológica y Origen de la Vida en la Tierra
La Materia Viva y la Bioquímica
Características de la Materia Viva
Los organismos vivos presentan una serie de características que les son comunes:
Composición química definida: presentan estructuras complejas y un alto grado de orden y organización morfofuncional.
Metabolismo: es decir, tienen la capacidad de captar energía del medio ambiente y transformarla para obtener energía útil.
Autorreproducción: es la característica más importante de la materia viva, e implica la transferencia de información genética a través de las generaciones.
Irritabilidad y adaptación: son capaces de responder adaptativamente a estímulos del medio ambiente. Sus respuestas adaptativas son de dos tipos:
Respuestas homeostáticas: adaptación del individuo.
Respuestas evolutivas: adaptación de la especie o poblaciones de individuos.
Organización Biológica
El alto grado de organización de la materia viva es la base de la eficiencia que exhiben los seres vivos en todas sus actividades.
Niveles de organización biológica de menor a mayor complejidad
Átomos, moléculas y macromoléculas: en este primer nivel la materia viva presenta patrones moleculares de organización, por ejemplo, proteínas y ácidos nucleicos, presentes en toda la escala biológica.
Estructuras supramoleculares: estructuras con un alto grado de orden molecular, formadas por interacciones moleculares precisas que permiten cambios reversibles en relación con su actividad funcional. Ejemplos: membranas, ribosomas, microfilamentos, etc.
Organelos: son estructuras subcelulares con un rol específico en la célula. Pueden estar constituidos o no por membranas. Con membranas: mitocondrias, aparato de Golgi o retículo endoplasmático. Sin membranas: centriolos y ribosomas.
Célula: es el principal nivel de organización biológica. Es el primer nivel con vida independiente y presenta todas las características de los seres vivos, especialmente la capacidad de autorreproducción. Ejemplo: ameba. Los niveles anteriores existen solo en el contexto celular.
Asociaciones celulares: las células pueden asociarse unas a otras formando colonias de individuos unicelulares, o formando tejidos con funciones específicas, como ocurre en organismos metacelulares: metafitas y metazoos.
Órganos y sistemas: los diferentes tejidos se organizan en órganos, donde cada tejido contribuye a la función específica del órgano. La integración morfofuncional de diferentes órganos en relación a una función específica forma los sistemas. Ejemplo: boca, esófago, estómago, intestino, hígado y páncreas, que forman parte del sistema digestivo.
Organismo metacelular: aparece como resultado de la integración de tejidos, órganos y sistemas, que funcionan coordinadamente bajo el estricto control de sistemas de regulación.
Poblaciones y comunidades: todos los organismos vivos de una misma especie se organizan en poblaciones de individuos, lo que garantiza la reproducción y conservación de la especie. La asociación de las diferentes poblaciones en comunidades satisface la dependencia energética entre los seres vivos.
Ecosistemas y biosfera: una comunidad de individuos asociada a un medio ambiente particular, al cual están adaptados, constituye un ecosistema. Los diferentes ecosistemas de la Tierra forman en conjunto la biosfera.
El número de niveles de organización es arbitrario, aunque los principales niveles podrían corresponder a célula, organismo, población y ecosistemas. Aun así, es importante destacar la existencia de patrones de organización molecular y celular.
Organización molecular de los seres vivos
De todos los elementos químicos presentes en la corteza terrestre, los seres vivos seleccionan solo 27 a 30 para sus estructuras celulares. Estos bioelementos forman una gran variedad de compuestos químicos inorgánicos y orgánicos o biomoléculas. Las principales moléculas orgánicas presentes en los seres vivos son: proteínas, ácidos nucleicos, lípidos e hidratos de carbono.
Las proteínas y los ácidos nucleicos están formados por las mismas unidades en toda la escala biológica, y están universalmente presentes en los seres vivos, aunque presentan una secuencia específica de sus subunidades, la cual es característica de cada especie.
La presencia universal de proteínas y ácidos nucleicos plantea un posible origen común para todos los seres vivos. Asimismo, la secuencia específica de sus unidades evidencia la enorme capacidad de variabilidad de la materia viva.
Origen de la vida en la Tierra
El origen de la vida terrestre está íntimamente ligado a la formación del sistema solar y a la formación de la Tierra. Se postula que el colapso gravitacional de polvo y gases interestelares, o Big Bang, expulsó materia al espacio creando las galaxias y todos los elementos químicos conocidos, hace aproximadamente 10 a 20 x 109 años. El sistema solar se habría formado hace aproximadamente 5 x 109 años, y la Tierra hace aproximadamente 4 x 109 años, según determinaciones de la edad de las rocas mediante U-238, que tiene una vida media de 4.5 x 109 años.
Luego del calentamiento inicial de la Tierra y de la compactación gravitacional, que produjo una atmósfera reductiva (CO, CO2, H2, N2, H2S y X4), la Tierra habría sufrido un enfriamiento que provocó lluvias torrenciales, dando origen a mares y océanos. En este ambiente se habría originado la vida por sucesivas etapas:
A) Evolución química: con formación de biomoléculas y polímeros complejos tales como proteínas, ARN y ADN (3.5 x 109 años).
B) Aparición de moléculas con capacidad autocatalítica (probablemente ARN) y autorreplicación molecular en agregados macromoleculares o protobiontes.
C) Evolución biológica: aparición de las primeras células procariotas (3 x 109 años) y evolución a células eucariotas (1.6 x 109 años).
Paralelamente, se habría producido una evolución del sistema metabólico, que siendo originalmente heterótrofo, habría evolucionado a un sistema autótrofo que usaba H2S como fuente de protones, para usar posteriormente H2O. Como resultado de esto se produjo un aumento de O2 en la atmósfera, lo que favoreció la aparición de un sistema de metabolismo oxidativo aerobio, mucho más eficiente para obtener energía. Junto con esto se produjo la evolución de los mecanismos de reproducción celular y de la maquinaria genética.
Algunas evidencias en apoyo a este proceso de origen de la vida son los experimentos de síntesis abiótica de aminoácidos y nucleótidos (Miller y Urey, 1953), a partir de los cuales la materia viva, en su evolución, seleccionó solo algunos para sus proteínas y ácidos nucleicos. Además, se han encontrado fósiles de las primeras células procariotas y eucariotas con una antigüedad de 1.300 millones de años (1.3 x 109 años).