NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA.

La materia viva e inerte se puede encontrar en diversos estados de agrupación diferentes a los que se denominan niveles de organización de los seres vivos.

Esta agrupación u organización puede definirse en una escala de organización que sigue como se describe más adelante el criterio de menor a mayor complejidad, de menor a mayor organización.

Es necesario tener en cuenta que cada uno de los niveles de organización agrupa a los anteriores por lo que podríamos imaginar que funcionan como las muñecas rusas (matrioskas) que encajan una dentro de la otra, así por ejemplo, el nivel de organización de la molécula engloba al nivel atómico, y al nivel subatómico.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LOS SERES VIVOS

1. Partículas fundamentales: la componen los quarks y los leptones que son los constituyentes fundamentales de la materia. Especies de leptones se unen para formar electrones y especies de quarks se unen para formar neutrones y protones. La física es la ciencia que se encarga del estudio de este ámbito junto con el nivel atómico y subatómico.

2. Subatómico: este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.

3. Átomo: es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico. A nivel biológico podemos llamar a los átomos como bioelementos y clasificarlos según su función:

o Si cumplen una función estructural son bioelementos primarios: son el carbono, el fósforo, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y azufre que forman por ejemplo, las membranas de las células, las proteínas, los ácidos grasos, los lípidos…

Ilustración 1Las muñecas rusas encajan una dentro de la otra, ilustra como los niveles de organización engloban al anterior

o Si cumplen una función estructural y catalítica son bioelementos secundarios: calcio, sodio, potasio, magnesio, cloro, iodo… son fundamentales para el funcionamiento de la célula pero no forman parte estructural de las mismas.

o Si cumplen sólo función catalítica son oligoelementos o elementos vestigiales porque sus cantidades en el organismo son muy escasas como por ejemplo pueden ser el Cobalto, el Zinc, que intervienen en el funcionamiento de ciertas enzimas.

1. Moléculas: las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para formar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos… Las moléculas pueden ser orgánicas (glucosa, lípidos, grasas) o inorgánicas (agua, sales minerales, gases, óxidos…) La bioquímica se encarga del estudio de este nivel de organización, siendo una de las disciplinas más punteras y que mayor recursos de investigación obtiene en investigación y universidades dentro de las áreas de este artículo.

2. Estructuras sub-celulares u orgánulos: no es uno de los niveles de organización que tradicionalmente se incluyen ya que está a medio a camino entre las moléculas y las células. Se puede considerar como un paso más, ya que supone la unión de varias moléculas para formar estructuras más grandes como los orgánulos de las células: membranas plasmáticas, aparato de Golgi… La citología o biología celular se encarga del estudio de las células y los orgánulos que las componen.

3. Celular: las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de auto-replicación. Las células puede ser eucariotas o procariotas dependiendo de su estructura. También pueden formar organismos de vida independiente como son los protozoos o las amebas.

4. Tisular: las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular… En plantas hablaríamos del parénquima, por ejemplo. La histología es la ciencia que se encarga del estudio de los tejidos.

1. Organular: los tejidos están estructurados en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones… En las plantas, podemos hablar de hojas, tallo, raíz,…

2. Sistémico o de aparatos: los órganos se estructuran en aparatos o sistemas más complejos que llevan a cabo funciones más amplias. Tenemos el ejemplo de los sistemas

digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos…

3. Organismo: nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos,…

4. Población: los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos… coinciden además, en el tiempo y el espacio.

5. Comunidad: es el conjunto de seres vivos de un lugar, por ejemplo, un conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes. Está formada por distintas especies.

6. Ecosistema: es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia. Las poblaciones, comunidades y ecosistemas son estudiados por la ecología.

7. Paisaje: es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros características de las provincias del sureste español llamado agro-sistemas.

8. Región: es un nivel de organización superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.

9. Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales: macro-climáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga que se define por las coníferas que es un elemento identificador muy claro pero no homogéneo, también se define por la latitud y la temperatura.

10.Biosfera: es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.

Como decíamos antes, tal vez ahora queda más claro que cada nivel de organización engloba a los niveles inferiores anteriores. Por ejemplo, un elefante tiene un sistema respiratorio que consta de órganos como son los pulmones, que a su vez están compuestos de tejidos como el tejido respiratorio, el epitelial, que a su vez lo conforman células, y así sucesivamente.

Por otra parte se encuentran los niveles de organización morfológicos, especialmente en los vegetales que se agrupan en diferentes niveles de acuerdo a su estructura.

CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS.

Todos los seres vivos reúnen una serie de características que los diferencian de la materia inerte:

Organización: Los seres vivos están organizados en distintos niveles de complejidad estructural. El nivel inferior es el de las biomoléculas orgánicas, compuestos químicos complejos y exclusivos de la materia viva. Por el contrario, la materia inerte está formada por compuestos químicos más sencillos. Las biomoléculas orgánicas se asocian para formar distintas estructuras celulares. Estas, a su vez, se unen para formar células. En los organismos pluricelulares las células se organizan en tejidos, estos en órganos, y los órganos en sistemas y aparatos. Cada uno de estos pasos es un nivel de organización.

Reproducción: los seres vivos son capaces de generar copias de sí mismos por sí mismos, sin necesidad de ayuda externa. Mediante la reproducción perpetúan la vida y garantizan la continuidad de su especie.

Crecimiento y desarrollo: pueden aumentar el número de células que los constituyen y/o el tamaño de las mismas. El crecimiento puede darse durante toda la vida del organismo (por ejemplo, en determinados árboles) o limitarse a un periodo de su vida (en la mayoría de los animales).

Evolución: los seres vivos son capaces de modificar a lo largo del tiempo su estructura y comportamiento para adaptarse mejor al medio en el que habitan.

Homeostasis: mantienen su medio interno en equilibrio constante. Para ello necesitan energía que obtienen mediante la nutrición. La nutrición tiene lugar en el interior de las células donde los nutrientes procedentes de los alimentos son transformados en energía, necesaria para realizar las funciones vitales, y en materia, necesaria para reparar las partes dañadas y crecer.

Respuesta ante cambios ambientales: Todos los seres vivos nos relacionamos con el medio en que vivimos. Percibimos cambios (estímulos) en el entorno y elaboramos las respuestas más adecuadas para adaptarnos a ellos.

Movimiento: poseen desplazamiento mecánico de alguna o de todas las partes que los forman. Movimiento son los tropismos y las nastias de las plantas. También se mueven los orgánulos en el interior del citoplasma celular.

FUNCIONES VITALES DE LOS SERES VIVOS.

Si tratamos de pensar en una definición para las funciones vitales comunes entre todos los seres vivos, primero debemos definirlas para poder distinguir cada una de ellas. Las funciones vitales de los seres vivos son todas las funciones determinadas a mantener la vida, y esto es lo que diferencia la materia orgánica con vida de la materia sin vida. Las tres funciones vitales más importantes son:

Reproducción Nutrición Relación

1. Reproducción

Es una de las características de la “materia viva”. Simplemente es la capacidad vital de generar un organismo semejante a sí mismo y así, lograr que su especie sobreviva a lo largo del tiempo. Dentro de los modos de reproducirse hay reproducción sexual y reproducción asexual.

Reproducción Sexual: en este tipo de reproducción intervienen dos individuos, los sexos masculino y femenino. En este tipo de reproducción intervienen las llamadas células sexuales o “gametas”. Para que ocurra la reproducción sexual tenemos que comprender otro término importante: fecundación. La fecundación es la unión de las células sexuales o gametas (óvulos y espermatozoides). La fecundación ocurre solamente en la reproducción sexual. La fecundación puede ser:

Externa: las gametas en este tipo de fecundación se unen en el agua. Los huevos recién formados quedan en el agua.

Interna: los espermatozoides tienen que ingresar al cuerpo de la hembra para que se unan las gametas.También podemos aprender que los animales según como se reproduzcan

tienen diferentes formas de tener sus crías. Hay animales que se los puede llamar ovíparos, que son aquellos en los que el desarrollo de las crías termina afuera del

cuerpo de la madre. Mientras que por otro lados, hay animales vivíparos en los que el desarrollo de las crías se da por completo en el interior de la madre.

Reproducción Asexual: en la reproducción asexual no intervienen los sexos femenino ni masculino, sino que se reproducen los seres vivos a partir de sí mismos. Las distintas maneras de reproducirse para estos seres vivos son:

Bipartición: Una célula se divide en dos y da dos células hijas.

Fragmentación: Es la división en dos de un solo organismo para generar dos nuevos seres vivos.

Brotación o gemación: Los nuevos organismos se van a formar a partir de “yemas” del cuerpo del progenitor o padre.

2. Nutrición

Esta función vital comprende todas las actividades por las cuales los seres vivos van a obtener la materia y la energía para vivir. Dentro de la nutrición como función vital, vamos a encontrar estos componentes:

La alimentación: Este proceso en los vegetales ocurre con la elaboración propia de nutrientes (fotosíntesis). En los animales ocurre la incorporación de alimentos por diversos medios dependiendo del ambiente y el lugar en donde vivan. En estos dos grupos de seres vivos entonces vamos a encontrar los autótrofos (los vegetales) y los heterótrofos (los animales). Ver más abajo fotosíntesis paso a paso.

La respiración: Es el proceso que realizan los seres vivos para obtener oxígeno. La respiración siempre tiene como finalidad la utilización del oxígeno combinado con el alimento para crear energía. Es decir, el producto final de la respiración es la elaboración de la energía. La respiración se divide en la respiración del organismo o ser vivo y en la respiración celular. Este último tipo de respiración es el que ocurre en las mitocondrias, y es el responsable de que cada una de las millones de nuestras células puedan respirar y obtener energía.

La circulación: Es el transporte de sustancias a través del cuerpo. Los ejemplos más comunes de circulación es el sistema circulatorio. Este sistema es por donde viajan las sustancias que produce el ser vivo.

La excreción: Es la eliminación de sustancias a través del cuerpo. En el ser humano eliminamos sustancias por medio de la orina y la materia fecal.

3. Relación

Es la capacidad que tienen los seres vivos de reaccionar ante estímulos o cambios del ambiente. Esta capacidad de percibir estímulos, está apoyada en los órganos de los sentidos los cuales están encargados de proveer la información al organismo.

PROCESO EVOLUTIVO.

Los científicos y científicas admiten que los seres vivos que hoy habitan la Tierra no aparecieron espontáneamente, sino que descienden unos de otros, y poseen caracteres diferentes que fueron adquiriendo a lo largo de grandes periodos de tiempo.

El proceso que ha generado la gran diversidad de formas de vida existentes y que continúa modificándolas a lo largo del tiempo, provocando cambios que hacen que aparezcan especies nuevas, recibe el nombre de evolución.

El concepto de evolución fue introducido por el naturalista británico Charles Darwin (1809-1882) que formuló una teoría completa sobre el origen y la evolución de los seres vivos, en su obra El origen de las especies, publicada en 1859. Aunque su obra más polémica fue El origen del hombre (1871), en la que postulaba que el ser humano evolucionó a partir de otros primates.

Las ideas de Darwin fueron un hito, no solo en la historia de la biología sino también en la del pensamiento humano. Darwin refutó la arraigada creencia de que el hombre poseía un origen divino y demostró que los seres humanos somos el resultado de un proceso de desarrollo biológico y que evolutivamente estamos emparentados con los simios.

Darwin rebatió mediante teorías científicas las tradicionales explicaciones, de carácter teológico, sobre el origen de los seres vivos y del ser humano. Las teorías de Darwin tuvieron un fuerte impacto en la mentalidad de la época. Sus nuevas ideas provocaron una enorme controversia en la sociedad decimonónica y dieron lugar a encendidos debates, ya que si el ser humano no era una creación divina, tal como afirmaban las creencias vigentes hasta el siglo XIX, entonces no había razón para sostener que ocupaba un lugar central en el orden natural.

Una de las pruebas que demuestran que la evolución ha ocurrido es el estudio del desarrollo embrionario. Así, los embriones de todos los vertebrados tienen hendiduras branquiales que desaparecen posteriormente en los animales terrestres y se desarrollan en los acuáticos. O los embriones de todos los vertebrados tienen cola, aunque luego muchos grupos la pierden.

¿CÓMO SE ORIGINARON LAS PRIMERAS MOLÉCULAS DE LA VIDA?

Si la edad del planeta fuese el equivalente a 24 horas, el ser humano moderno habría aparecido en los últimos tres segundos.

Se cree que debieron pasar más de mil millones de años desde que se formó la Tierra, hace unos 4.500 millones de años, hasta que apareció la vida en ella. Durante este periodo ocurrieron numerosos cambios en el planeta. Los más importantes fueron la consolidación de los materiales de la corteza terrestre y la aparición de la atmósfera.

En 1924, el bioquímico ruso Alexander Oparin propuso la teoría más aceptada hasta hoy sobre el origen de las moléculas que constituyen la materia viva. Según su teoría, debido a reacciones químicas entre los componentes de la atmósfera primitiva, se formaron algunas moléculas orgánicas exclusivas de los seres vivos.

Aquella atmósfera primitiva era muy distinta a la actual. En ella no había oxígeno ni nitrógeno. Era una inhóspita mezcla gaseosa de hidrógeno, metano, amoníaco y vapor de agua. Bombardeada por la intensa radiación energética del sol y sometida a numerosas tormentas eléctricas, aquella mezcla habría propiciado la formación de una gran cantidad de moléculas orgánicas. Estas fueron arrastradas por las lluvias durante millones de años, acumulándose y constituyendo un verdadero “caldo de cultivo” de los primeros seres vivos.

Probablemente en lagunas y marismas donde se hallaban atrapadas, esas primeras moléculas orgánicas se asociaron unas con otras formando largas cadenas. Algunas de estas cadenas se envolvieron con membranas, transformándose en glóbulos pre-vivientes (precursores de las primeras células). De la evolución lenta de estas primitivas estructuras nació la vida y sus diversas formas.

La vida surgió en el agua y necesita del agua para mantenerse. El 70% de la superficie terrestre está cubierta por agua. De esta el 97% es agua de mar y el 3% agua dulce.

Científicos muy renombrados, entre ellos Francis Crick (descubridor de la estructura del ADN) consideran casi imposible que la vida haya podido crearse por azar de combinación entre compuestos químicos presentes en una cálida laguna. Sostienen que para que esto haya sido posible sería necesario muchísimo tiempo (del orden de 10.000 millones de años y no solo los 600-1.000 millones de años transcurridos desde el origen de la Tierra y el origen de la primera célula).

Para ellos, lo más probable es que la vida en la Tierra tenga un origen extraterrestre, es decir, que moléculas químicas orgánicas complejas o, incluso, células completas hayan llegado a nuestro planeta en meteoritos, cometas o asteroides.

En la actualidad, han sido detectados en restos de material extraterrestre que ha impactado en la corteza terrestre, moléculas químicas orgánicas complejas, idénticas a las que forman parte de nuestras estructuras vivas.

¿CÓMO SURGIERON LAS PRIMERAS CÉLULAS DE LA VIDA?

Las primeras células aparecieron en la Tierra hace unos 3500 millones de años. Se trataba de células procariotas (sin núcleo), con una organización celular simple. Durante 2000 millones de años, en la Tierra sólo hubo células procariotas. La aparición de la célula eucariota fue hace 1500 millones de años.

Según la teoría de Lynn Margulis (ampliamente aceptada en la actualidad) la célula eucariota surgió por fagocitosis entre dos células procariotas, siendo una ingerida por otra. La ingerida no se “murió” sino que se quedó en el interior de la otra de forma simbiótica, dando lugar a las actuales mitocondrias (máquinas de obtención de energía de las células eucariotas).

Las células procariotas constituyen un tipo de organización celular altamente adaptado a diferentes medios ambientales, capaces de desarrollar metabolismos muy variados y versátiles. Por ello, se trata de organismos evolutivamente muy exitosos.

Sin embargo, sólo las células eucariotas han sido capaces de asociarse entre sí y especializarse en determinadas funciones, dando lugar a los organismos vivos pluricelulares, como las plantas y los animales que nos rodean.

¿COMO SE DESARROLLARON LAS PRIMERAS IDEAS SOBRE EVOLUCION?

La ciencia antes de Darwin, fuertemente influida por la teología, sostenía que todos los organismos fueron creados simultáneamente por Dios, y que toda forma de vida permanecía fija e inmutable desde el m omento de su creación. Esta explicación del origen de la diversidad de la vida fue expresada elegantemente por los antiguos filósofos griegos, en especial por Platón y Aristóteles. Platón (427-347 a. C.) propuso que todo objeto existente en la Tierra era simplemente un reflejo temporal de su “forma ideal” inspirada por la divinidad. Aristóteles (384-322 a. C.), discípulo de Platón, clasificó todos los organismos en una jerarquía lineal a la que llamó la “escala de la Naturaleza”

Estas ideas constituyeron el fundamento de la idea de que la forma de cada tipo de organismo es siempre la misma. Esta opinión prevaleció sin cuestionarse durante casi 2000 años. Sin embargo, en el siglo XVII empezaron a surgir evidencias que erosionaron el dominio de esta visión estática de la creación.

Algunos científicos del siglo XVIII fueron aún más lejos al especular que las especies, de hecho, habían cambiado a lo largo del tiempo, Por ejemplo, el naturalista francés G eorges Louis LeClerc (1707-1788), conocido con el título de Conde de Buffon, sugirió que quizá la creación original suministró un número relativamente reducido de especies fundadoras y que algunas de las especies modernas habían sido “concebidas por la Naturaleza y producidas por el Tiempo”, es decir, que habían evolucionado mediante procesos naturales.

A pesar de la creciente evidencia de los fósiles, muchos científicos de la época no aceptaban la propuesta de que las especies sufrían modificaciones y de que algunas habían surgido en el transcurso del tiempo. Con el fin de explicar la multitud de especies extintas dejando intacta al mismo tiempo la idea de la creación por parte de Dios, Georges Cuvier (1769-1832) propuso la teoría del catastrofismo. Cuvier, un paleontólogo francés, formuló la hipótesis de que se había creado inicialmente una cantidad inmensa de especies. Catástrofes sucesivas (como el diluvio universal que se describe en la Biblia) produjeron las capas de roca y destruyeron numerosas especies, fosilizando al mismo tiempo algunos de sus restos. Los organismos del mundo moderno, según su teoría, son las especies que sobrevivieron a las catástrofes.

Uno de los primeros científicos en proponer un mecanismo de evolución fue el biólogo francés Jean Baptiste Lamarck (1744-1829). A Lamarck le impresionó la progresión de las formas en las capas de roca. Observó que los fósiles más antiguos tienden a ser más simples, en tanto que los fósiles más recientes tienden a ser más complejos y más parecidos a los organismos actuales. En 1801 Lamarck propuso la hipótesis de que los organismos evolucionan mediante la herencia de características adquiridas, un proceso por el que los organismos vivos sufren modificaciones en función del uso o desuso de algunas de sus partes y heredan estas modificaciones a sus descendientes. ¿Por qué tendría que modificarse el cuerpo de los organismos? Lamarck propuso que todos los organismos poseen un impulso innato hacia la perfección. Por ejemplo, si los antepasados de las jirafas estiraban el cuello para alimentarse de las hojas que crecían a gran altura en los árboles, su cuello se alargaba un poco. Sus descendientes habrían heredado este cuello más largo y se habrían estirado aún más para alcanzar hojas todavía más altas. Con el tiempo, este proceso pudo haber dado origen a las jirafas modernas, con un cuello en verdad muy largo.

En la actualidad sabemos cómo funciona la herencia y que el proceso evolutivo no es como el que propuso Lamarck. Las características adquiridas no se heredan. El hecho de que un futuro padre levante pesas no significa que sus hijos se parecerán a Arnold Schwarzenegger. Recordemos que en tiempos de Lamarck aún no se habían descubierto los principios de la herencia. (Mendel nació unos cuantos años antes de que Lamarck muriera). De cualquier forma, la idea de

Lamarck de que la herencia desempeña un papel importante en la evolución fue una importante influencia en los biólogos posteriores, quienes descubrieron la clave del mecanismo de evolución.

Hacia mediados del siglo XIX cada vez más biólogos concluyeron que las especies existentes habían evolucionado a partir de otras que les precedieron. Pero, ¿cómo? En 1858 Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, cada uno por su cuenta, aportaron pruebas convincentes de que la fuerza motriz del cambio evolutivo era un proceso simple, pero poderoso.

De los dos, Darwin fue el primero en describir en un documento su mecanismo propuesto para la evolución. Darwin escribió ese documento en 1842, pero no lo publicó, quizá porque se sentía temeroso de la controversia que se generaría. Algunos historiadores se preguntan si Darwin se habría decidido a publicar su trabajo si no hubiera recibido, 16 años después, un borrador de un documento de Wallace que contenía ideas notablemente similares a las suyas. Entonces, Darwin comprendió que no podía esperar más.

En 1858 Darwin y Wallace, cada uno por su parte, describieron un mecanismo de la evolución en artículos notablemente similares que presentaron ante la Linnaean Society de Londres. En un principio, sus artículos tuvieron poca repercusión. De hecho, el secretario de la sociedad escribió en su informe anual que nada interesante había ocurrido en ese año. Por fortuna, al año siguiente Darwin publicó su monumental obra El origen de las especies por medio de la selección natural, que atrajo mucha atención hacia la nueva teoría.

En la actualidad, prácticamente todos los biólogos consideran la evolución como un hecho. ¿Por qué? Porque hay una cantidad abrumadora de pruebas que no permite llegar a otra conclusión. Las líneas fundamentales de prueba proceden de los fósiles, la anatomía comparada (el estudio de cómo las estructuras anatómicas difieren entre las especies), la embriología, la bioquímica y la genética.

La evidencia de que la evolución es un hecho consumado no nos indica cómo evolucionó la vida. Darwin y Wallace propusieron que la enorme variedad de excelentes diseños de seres vivos obedece a un proceso de tener descendencia con modificaciones, en el que los miembros de cada generación difieren ligeramente de los miembros de la generación anterior. A lo largo de periodos prolongados, estos pequeños cambios se acumulan y dan origen a grandes transformaciones.

La teoría de Darwin y Wallace se basa en cuatro postulados: El razonamiento que condujo a Darwin y Wallace a concluir cómo se realiza el proceso de evolución es sorprendentemente sencillo y directo. Se basa en cuatro postulados acerca de las poblaciones, es decir, todos los individuos de una especie que ocupan una región específica.

Postulado 1: Los miembros individuales de una población difieren entre sí en muchos aspectos.

Postulado 2: Por lo menos algunas de las diferencias entre los miembros de una población se deben a características que se transmitieron de los progenitores a la descendencia.

Postulado 3: En cada generación de una población, algunos individuos sobreviven y se reproducen con éxito, pero otros no.

Postulado 4: El destino de los individuos no está determinado por el azar o la suerte. En vez de ello, la probabilidad de supervivencia y reproducción de un individuo depende de sus características. Los individuos con características que les confieren ventajas sobreviven más tiempo y dejan el mayor número de descendientes, un proceso que se conoce como selección natural.

Darwin y Wallace comprendieron que si estos cuatro postulados eran verdad, la población inevitablemente cambiaría a lo largo del tiempo. Si los miembros de una población tienen diferentes características (postulado 1), y aquellos que están mejor adaptados a su ambiente dejan el mayor número de crías (postulados 3 y 4), y esos individuos transmiten sus características favorables a la siguiente generación (postulado 2), entonces las características favorables serán más comunes en las generaciones posteriores. Las características de la población cambiarán ligeramente con cada generación. Este proceso es la evolución por selección natural. ¿Son verdaderos los cuatro postulados? Darwin así lo pensaba y dedicó buena parte de El origen de las especies a fundamentarlos. Examinemos brevemente cada postulado, con la ventaja que nos brinda el conocimiento que no estaba disponible en la época de Darwin y Wallace.

TEORIAS DEL ORIGEN DE LA VIDA.

Creacionismo.

Atribuye la existencia de la vida a una “fuerza creadora” desconocida. Esta idea surgió quizá del hombre primitivo y se reforzó en las primeras culturas, como la egipcia o la mesopotámica. La teoría creacionista considera que la vida, al igual que todo el Cosmos, se originó por la voluntad creadora de un “ser divino”.

Teoría de la panspermia.

A principios del siglo xx, el científico llamado Svante Arrhenius propuso que la vida había llegado a la Tierra en forma de bacterias, procedente del espacio exterior, de un planeta en el que ya existían. Aunque a esta teoría se le pueden poner dos objeciones:

No explica cómo se originó la vida en el planeta de donde provienen las “bacterias”.

Sería imposibles que cualquier forma de vida puede atravesar la atmósfera de la Tierra sin quemarse debido a que se ha comprobado que cuando penetran el planeta se alcanzan elevadas temperaturas.

Teoría de la generación espontánea o abiogénesis.

“Esta hipótesis plantea la idea de que la materia no viviente puede originar vida por sí misma”. Aristóteles pensaba que algunas porciones de materia contienen un "principio activo" y que gracias a él y a ciertas condiciones adecuadas podían producir un ser vivo. Este principio activo se compara con el concepto de energía, la cual se considera como una capacidad para la acción. Según Aristóteles, el huevo poseía ese principio activo, el cual dirigir una serie de eventos que podía originar la vida, por lo que el huevo de la gallina tenía un principio activo que lo convertía en pollo, el huevo de pez lo convertía en pez, y así sucesivamente. También se creyó que la basura o elementos en descomposición podían producir organismos vivos, cuando actualmente se sabe que los gusanos que se desarrollan en la basura son larvas de insectos.

Esta hipótesis fue aceptada durante muchos años y se hicieron investigaciones alrededor de esta teoría con el fin de comprobarla. Uno de los científicos que realizó experimentos para comprobar esta hipótesis fue Jean Baptiste Van Helmont, quien vivió en el siglo XVII. Quien realizó un experimento con el cual se podían, supuestamente, obtener ratones y consistía en colocar una camisa sucia y granos de trigo por veintiún días, lo que daba como resultado algunos roedores. El error de este experimento fue que Van Helmont sólo consideró su resultado y no tomo en cuenta los agentes externos que pudieron afectar el procedimiento de dicha investigación. Si este científico hubiese realizado un experimento controlado en donde hubiese colocado la camisa y el trigo en una caja completamente sellada, el resultado podría haber sido diferente y se hubiese comprobado que lo ratones no se originaron espontáneamente sino que provenían del exterior.

Platón o Aristóteles creyeron en la generación espontánea, y aceptaron la aparición de formas inferiores de vida a partir de “materia no viva”. Se basaban en la observación natural de la carne en descomposición, de la que al cabo de unos días, surgían gusanos e insectos.

Francesco Redí (1626-1698) fue un médico italiano que se opuso a la teoría de la generación espontánea y demostró que en realidad esos gusanos que aparecían, eran las larvas de moscas que habían depositado sus huevos previamente. Para demostrar su teoría, en 1668 diseñó unos sencillos experimentos, que consistieron en colocar pequeños trozos de carne dentro de recipientes cubiertos con gasa y otros trozos en recipientes descubiertos, para que sirvieran como “testigo”. Unos días después, la carne que quedó al descubierto

tenía gusanos, mientras que la carne protegida no los tenía. Además, sobre la gasa que cubría los frascos se encontraron los huevecillos de las moscas, que no pudieron atravesarla.

En la misma época, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723), un comerciante holandés con una gran afición por pulir lentes, estaba construyendo los mejores microscopios de su época, y realizó las primeras observaciones reconocidas de microorganismos, a los que él denominaba “animálculos”.

En 1745, el clérigo inglés John T. Needham (1713-1781), un investigador vitalista intentó, a pesar de los resultados obtenidos por Redi, demostrar la veracidad de la generación espontánea. Para ello realizó unos experimentos que consistieron en hervir caldos nutritivos durante dos minutos, para destruir los microorganismos que en ellos hubiera (ese tiempo de ebullición no es suficiente para matar a todos los microorganismos). A los pocos días volvían a aparecer pequeños microorganismos que, por tanto, debían haberse creado “espontáneamente”.

Lázaro Spallanzani (1726-1799), un naturalista italiano, no aceptó las conclusiones de Needham. En 1765 preparó “caldos” en distintas vasijas de cristal con boca alargada (similar a un matraz aforado) y los sometió a ebullición prolongada. Unas vasijas las dejó abiertas, mientras que otras las tapó herméticamente. Cuando calentaba un caldo en un frasco abierto, se observaba que al cabo de un tiempo aparecían microorganismos, mientras que cuando lo hacía en frascos cerrados, éstos no aparecían.

Los resultados de Spallanzani no convencieron a Needham y sus partidarios, quienes alegaron que el calor excesivo destruía la vida y que los resultados de Spallanzani, únicamente demostraban que la vida se encontraba en el aire y que sin él no podía surgir (en los experimentos de Needham, los matraces estaban abiertos). Spallanzani repitió el experimento, hirviendo durante dos horas sus caldos, pero cometió el error de dejarlos semi-tapados como Needham acostumbraba a hacer, por lo que al observarlos después de unos días encontró que todos los caldos se habían contaminado con microorganismos que procedían del aire. Al considerarse que las pruebas no eran concluyentes, el problema quedo sin decidirse otros 100 años, en los que la controversia continuó, hasta que en 1859, la “Academia francesa de Ciencias” ofreció un premio a quien pudiera demostrar, con suficientes pruebas, si existía o no la generación espontánea.

El premio lo ganó Louis Pasteur (1822-1895) quien a pesar de su juventud, en aquella época ya era un reconocido químico-biólogo. Mediante una serie de serie de sencillos pero ingeniosos experimentos, obtuvo unos resultados irrefutables, que derrumbaron una idea (la “generación espontánea") que había durado casi 2.500 años. A partir de entonces se considera indiscutible que todo

ser vivo procede de otro (Omne vivum ex vivo), un principio científico que sentó las bases de la teoría germinal de las enfermedades y que significó un cambio conceptual sobre los seres vivos y el inicio de la Bacteriología moderna.

Teoría de Oparín (abiótica o quimiosintética).

El soviético A. I. Oparin y el inglés J. B. S. Haldane publicaron (en 1924 y 1929, respectivamente) trabajos independientes acerca del origen de la vida con un enfoque materialista. Sin embargo la obra realizada por Oparin es más conocida y extensa, este autor concibió una atmósfera primitiva de naturaleza química reductora, formada por metano, amoniaco, vapor de agua e hidrógeno que gracias a la acción de los rayos ultravioleta y otras formas de energía, las sustancias nombradas anteriormente dieron lugar a diversos compuestos orgánicos. Tales rayos consiguieron penetrar hasta la superficie de la Tierra porque, con la ausencia de oxígeno en la atmósfera, resultaba imposible la existencia la existencia de una capa de ozono como la que, afortunadamente, protege al planeta desde hace muchos millones de años.

Es importante anotar que, en 1952, el estadounidense S. L. Mille demostró experimentalmente que esta de la teoría de Oparin pudo corresponder con lo ocurrido. Para ello, construyó un aparato donde introdujo una mezcla de metano, amónico, vapor de agua e hidrógeno y, después de someterla a descargas eléctricas durante una semana, obtuvo, según lo demostraron los análisis químicos, entre ellos algunos aminoácidos.

Pero la teoría de Oparin no se detiene en la formación de compuestos orgánicos, sino que propone que posteriormente se formaron amontonamientos o agregados moleculares de constitución química diversa (llamados coacervados), visualizados como una especie de puente entre los compuestos orgánicos y las células. Para Oparin, entre los coacervados más estables se produciría una selección natural que permitiría seguir evolucionando hacia niveles superiores de organización.

Teoría celular

La primera aportación a esta teoría se atribuye al inglés Robert Hooke (1635-1703). Fue en el año 1665 cuando este científico realizó cortes muy delgados de tejido de corcho y, mediante observación microscópica se percató de que estaban formados por una gran cantidad de pequeños espacios a los que llamó celdillas o células. De igual manera la idea de la célula como unidad biológica nació en el siglo XVII gracias a las aportaciones de varios científicos, entre ellos el holandés Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) autodidacta y constructor de sus propios microscopios, que lograban amplificar las imágenes

unas 300 veces, lo cual contribuyó ampliamente a que pudiera observar células que poseían movimiento en agua, ya fuera en el sarro de sus dietes o en semen.

Posteriormente en 1831 el escocés Robert Brown (1773-1858) describió un corpúsculo constante en todas las células, al que llamó núcleo. Por otra parte, en Inglaterra, Joseph Lister (1827-1912) creó un microscopio de doble lente, mucho más potente con lo cual pudo ser posible que se realizaran observaciones más precisas en las células.

Basándose en los estudios que se sacaban de mencionar los alemanes Matthias Jakob Schleiden (1804 - 1881) y Theodor Schwann (1810 – 1882) propusieron en 1839 los primeros dos principios de la teoría celular.

Postulados básicos de la teoría celular.

1. Unidad de estructura. La célula es la unidad anatómica o estructural de los seres vivos, porque se dice que todos los seres vivos están formados por al menos una célula.

2. Unidad de función. La célula es la unidad fisiológica o de función de los seres vivos, porque cada célula lleva a cabo funciones propias de un ser vivo (nutrición, crecimiento, reproducción y muerte) y especificas (las funciones que corresponden a un tejido).

3. Unidad de origen. Toda célula proviene de otra, semejante ya existente. Este postulado puso final a la teoría de la generación espontánea, ya que demostró que cada célula porta en sus genes las características hereditarias de su estirpe.

La autoría de este postulado, fue adjudicado durante mucho tiempo al alemán Rudolf Virchow (1821-1902); sin embargo, estudios históricos recientes demuestran que el científico germano-polaco Robert Remark (1815 – 1865).

Postulado 1: Las poblaciones varían

La precisión del postulado 1 es evidente para quienquiera que se haya fijado en la gente dentro de una habitación llena. Las personas difieren en estatura, color de ojos, color de piel y muchas otras características físicas. De igual forma, la variabilidad se presenta en las poblaciones de otros organismos, aunque esto podría ser menos obvio para el observador casual. Ahora sabemos que las variaciones en las poblaciones naturales surgen enteramente por el azar, como resultado de las mutaciones fortuitas en el DNA (véase los capítulos 9 y 10). Por consiguiente, las diferencias entre individuos se extienden al nivel molecular. La razón de que las pruebas de DNA permiten identificar la sangre de un sospechoso en el lugar de un crimen es que la secuencia exacta del DNA de cada persona es única.

Postulado 2: Los rasgos se heredan

Los principios de la genética aún no se habían descubierto cuando Darwin publicó El origen de las especies. Por consiguiente, aunque la observación de la gente, las mascotas y los animales de granja parecía indicar que la descendencia generalmente se parece a sus progenitores, Darwin y Wallace no contaban con evidencias científicas para fundamentar el postulado 2. Sin embargo, el trabajo posterior de Mendel demostró de manera concluyente que características particulares se transmiten a la descendencia. Desde la época de Mendel los investigadores en el campo de la genética han logrado hacer una descripción increíblemente detallada de cómo funciona la herencia.

Postulado 3: Algunos individuos no logran sobrevivir y reproducirse

La formulación de Darwin y Wallace del postulado 3 tuvo una fuerte influencia del Ensayo sobre el principio de la población (1798) de Thomas Malthus, que describía los peligros del crecimiento sin control de las poblaciones humanas. Darwin estaba muy consciente de que los organismos pueden producir mucha más descendencia de la que se requiere sólo para remplazar a los progenitores. Por ejemplo, calculó que una sola pareja de elefantes podría multiplicarse hasta constituir una población de 19 millones en 750 años si cada descendiente tuviera seis hijos. Pero el mundo no está invadido de elefantes. El número de elefantes, al igual que el número de individuos en casi todas las poblaciones naturales, tiende a permanecer relativamente constante. Por lo tanto, deben nacer más organismos que los que sobreviven el tiempo suficiente para reproducirse. En cada generación muchos individuos mueren muy jóvenes. Incluso entre los que sobreviven, muchos no se reproducen, engendran unos cuantos hijos o producen una descendencia poco vigorosa que no logra sobrevivir ni reproducirse. Como cabría esperar, siempre que los biólogos hacen un conteo de la progenie en una población, encuentran que algunos individuos tienen más descendientes que otros.

Postulado 4: El éxito reproductivo no es aleatorio

Si la reproducción desigual es la norma en las poblaciones, ¿qué determina cuáles individuos dejan el mayor número de crías? Una gran cantidad de evidencia científica ha demostrado que el éxito reproductivo depende de las características de un individuo. Por ejemplo, los elefantes marinos machos más grandes en una población de California tienen más descendencia que los de menor tamaño. En una población de Colorado, las plantas llamadas boca de dragón con flores blancas se reproducen más que aquellas con flores amarillas. En la población de gorgojos de la harina en un laboratorio se observó que aquellos

resistentes a los pesticidas teman más descendencia que los que eran sensibles a éstos. Tales resultados y cientos de otros similares demuestran que, en la competencia por sobrevivir y reproducirse, los ganadores se determinan no por el azar, sino por las características que poseen.

¿CÓMO SE RELACIONAN LAS POBLACIONES, LOS GENES Y LA EVOLUCIÓN?

Los cambios que vemos en el organismo de un individuo en el curso de su vida no son cambios evolutivos. Por el contrario, los cambios evolutivos ocurren de una generación a otra, causando que los descendientes sean diferentes de sus antepasados.

Además, no podemos detectar el cambio evolutivo a través de generaciones con observar sólo un conjunto de progenitores y descendientes. Por ejemplo, si observas que un hombre de 1.80 m de estatura tiene un hijo adulto de sólo 1.50 m de estatura, ¿concluirías que los seres humanos están evolucionando para volverse más pequeños? Por supuesto que no. Más bien, si quisieras aprender más acerca del cambio evolutivo de la estatura humana, comenzarías por medir a muchos seres humanos de muchas generaciones para saber si la estatura promedio está cambiando con el transcurso del tiempo. Es evidente que la evolución no es una propiedad de los individuos, sino de las poblaciones (una población es un grupo que incluye a todos los miembros de una especie que vive en una región específica).

El hecho de reconocer que la evolución es un fenómeno a nivel de poblaciones fue uno de los principios fundamentales de Charles Darwin. No obstante, las poblaciones están compuestas por individuos, y las acciones y los destinos de éstos determinan qué características se pasarán a sus poblaciones descendientes. En este sentido, la herencia proporciona el vínculo entre las vidas de los organismos individuales y la evolución de las poblaciones. Por consiguiente, comenzaremos nuestra explicación de los procesos evolutivos repasando algunos principios de la genética en cuanto a su aplicación a los individuos. Luego, extenderemos tales principios a la genética de las poblaciones.

Los genes y el ambiente interactúan para determinar las características.

Cada célula de cada organismo lleva información genética codificada en el DNA de sus cromosomas. Recuerda que el gen es un segmento del DNA ubicado en un sitio particular del cromosoma.

La secuencia de nucleótidos en un gen codifica la secuencia de los aminoácidos en una proteína, comúnmente una enzima que cataliza una reacción específica en la célula. En un sitio determinado de un gen, miembros diferentes de una especie pueden tener secuencias de nucleótidos ligeramente diferentes, llamadas alelos. Los alelos diferentes generan formas distintas de la misma

enzima. Así, en los seres humanos, varios alelos del gen que influye en el color de ojos, por ejemplo, ayudan a producir ojos de color café, azul, verde, etcétera.

En cualquier población de organismos, generalmente hay dos o más alelos de cada gen. U n individuo de una especie diploide, cuyos alelos de un gen particular sean ambos iguales, se llama homocigoto de ese gen, y un individuo con alelos diferentes de ese gen es heterocigoto. Los alelos específicos en los cromosomas de un organismo (su genotipo) interactúan con el ambiente para influir en el desarrollo de sus características físicas y conductuales (su fenotipo).

Ilustremos estos principios con un ejemplo. El pelaje negro de un hámster es de ese color debido a una reacción química de sus folículos capilares que produce un pigmento negro. Cuando decimos que un hámster tiene el alelo para un pelaje negro, queremos indicar que un segmento específico del DNA de uno de sus cromosomas contiene una secuencia de nucleótidos que codifica la enzima que cataliza esta reacción. Un hámster con el alelo para un pelaje café tiene una secuencia de nucleótidos diferente en la posición del cromosoma correspondiente. Esa secuencia diferente codifica una enzima que no produce pigmento negro. Si un hámster es homocigoto del alelo negro o es heterocigoto (un alelo negro y un alelo café), su pelaje contendrá el pigmento y será negro. Pero si el hámster es homocigoto del alelo café, sus folículos capilares no producirán pigmento negro y su pelaje será café. Como el pelaje del hámster es negro aun cuando está presente sólo una copia del alelo negro, éste se considera dominante y el alelo café recesivo.

La poza génica es la suma de los genes de una población.

Con frecuencia nuestro entendimiento sobre un tema depende de que lo veamos desde más de una perspectiva. Observando el proceso desde el punto de vista del gen, se ha comprobado que el estudio de la evolución es una herramienta ampliamente eficaz. En particular, los biólogos evolucionistas utilizan de forma excelente las herramientas de una rama de la genética llamada genética de poblaciones, la cual estudia la frecuencia, distribución y herencia de alelos en las poblaciones. Para aprovechar esta poderosa ayuda y entender la evolución, necesitarás aprender unos cuantos conceptos fundamentales de la genética de poblaciones. La genética de poblaciones define la poza génica como la suma de todos los genes en una población. En otras palabras, la poza génica consiste en todos los alelos de todos los genes de todos los individuos de una población. También se considera que cada gen particular tiene su propia poza génica, que consiste en todos los alelos de ese gen específico en una población. Si sumáramos todas las copias de cada alelo de ese gen de todos los individuos en una población, podríamos determinar la proporción relativa de cada alelo, que es una cantidad llamada frecuencia de alelos. Por ejemplo, la población de 25 hámsteres, que se muestran en la figura 15-2, contiene 50 alelos del gen que controla el color del pelaje (porque los hámsteres son diploides y cada hámster

tiene dos copias de cada gen). Veinte de esos 50 alelos son del tipo que codifica el pelaje negro, así que la frecuencia de ese alelo en la población es de 0.40 (o 40 por ciento), porque 20/50 = 0.40.

La evolución es el cambio de la frecuencia de alelos dentro de una población.

Un observador casual podría definirla evolución basándose en los cambios en la apariencia externa o en las conductas de los miembros de una población. Sin embargo, un experto en genética de poblaciones observa una población y nota una poza génica que acaba de dividirse en paquetes, a los que llamamos organismos individuales. A sí que cualquier cambio exterior que observemos en los individuos que forman la población puede verse también como la expresión visible de cambios subyacentes de la poza génica. Por lo tanto, dicho experto en genética define la evolución como los cambios en las frecuencias de alelos que ocurren en una poza génica con el transcurso del tiempo. La evolución es un cambio en la composición genética de las poblaciones a través de las generaciones.

La población en equilibrio es una población hipotética donde no ocurre la evolución.

Es más fácil comprender qué es lo que causa que evolucionen las poblaciones, si comenzamos examinando las características de una población que no evoluciona. En 1908 el matemático inglés Godfrey H. Hardy y el médico alemán Wilhelm Weinberg desarrollaron, de manera independiente. El principio de Hardy-Weinberg establece que las frecuencias de alelos permanecerán constantes con el paso tiempo en la poza génica de una población grande, donde hay una apareamiento aleatorio pero no hay mutaciones, ni flujo de genes, ni selección natural. Además, Hardy y Weinberg demostraron que si las frecuencias de alelos no cambian en una población en equilibrio, la proporción de individuos con un genotipo específico también permanecerá constante, un sencillo modelo matemático conocido.

Este modelo demostró que, en determinadas condiciones, las frecuencias de alelos y de genotipos de una población permanecerán constantes sin importar cuántas generaciones hayan pasado. En otras palabras, esta población no evolucionará. Los expertos en genética emplean el término población en equilibrio para esta población considerada como ideal y sin evolución, en la cual no cambian las frecuencias de alelos, siempre y cuando se cumplan las siguientes condiciones:

No debe haber mutación. No tiene que haber flujo de genes entre poblaciones. Es decir, no

debe haber movimiento de alelos hacia dentro o afuera de la

población (como lo causaría, por ejemplo, el movimiento de organismos hacia dentro o afuera de la población).

La población debe ser muy grande. Todos los apareamientos tienen que ser aleatorios, sin ninguna

tendencia hacia ciertos genotipos para aparearse con otros genotipos específicos.

No debe haber selección natural. Es decir, todos los genotipos tienen que reproducirse con el mismo éxito.

En estas condiciones, las frecuencias de alelos dentro de una población permanecerán sin cambio de forma indefinida. Si se viola una o más de estas condiciones, entonces las frecuencias de alelos pueden cambiar; es decir, la población evolucionará.

¿QUE CAUSA LA EVOLUCION?

La teoría de la genética de la población predice que el equilibrio de Hardy-Weinberg puede alterarse por las desviaciones de cualquiera de sus cinco condiciones. Por lo tanto, podríamos predecir cinco causas principales del cambio evolutivo: mutación, flujo de genes, población pequeña, apareamiento no aleatorio y selección natural.

Las mutaciones son la fuente original de la variabilidad genética

Una población permanece en equilibrio genético sólo si no hay mutaciones (cambios en la secuencia del DNA). La mayoría de las mutaciones ocurren durante la división celular, cuando una célula debe hacer una copia de su DNA. Algunas veces hay errores en el proceso de copiado y el DNA que se copia no coincide con el original. La mayor parte de tales errores los corrigen rápidamente los sistemas celulares que identifican y reparan los errores de copiado del DNA, aunque algunos cambios en la secuencia de nucleótidos escapan a los sistemas de reparación. Una mutación sin reparar en una célula que da origen a gametos puede transmitirse a los descendientes y entrar a la poza génica de una población.