TEMA 3 : ORIGEN DE LA TIERRA Y LA VIDA

Vivimos en este planeta , pero ¿cómo "hemos llegado" aquí? ¿cómo se ha formado la Tierra? ¿qué produjo la aparición de la vida en la Tierra?Estos aspectos están íntimamente relacionados, como veremos a lo largo del tema. La existencia de vida, tal y como la conocemos, está completamente ligada a las condiciones que se dan en la Tierra.

1.- El origen de la TierraPara estudiar el origen de la Tierra hemos de empezar estudiando como se formó el sistema solar. Los científicos creen que sistemas "solares" se están formando también en otras regiones del espacio.

La formación del Sistema Solar.

La hipótesis actual sobre la formación del sistema solar es la hipótesis nebular. Según esta hipótesis, hace unos 5 mil millones de años el sistema solar se formó a partir de una nube molecular gigante. Se considera que en la formación de sistema solar intervino la explosión de una supernova. De esta forma, la onda de choque de esta supernova pudo haber desencadenado la formación del Sol a través de la creación de regiones de sobredensidad en la nebulosa circundante, causando el colapso gravitatorio de ellas.Por otra parte, la explosión de una supernova inundaría el espacio circundante de los elementos desde el carbono al hierro que encontramos en la composición de la Tierra y que solo se forman en el interior de las estrellas.El primer paso consiste en la formación del Sol. Se inició formándose una protoestrella rodeada por un disco compuesto por cuerpos de alrededor de unos pocos kilómetros de diámetro que giraban alrededor de la estrella y que chocaban entre sí. El choque y la unión de estos cuerpos generaban cuerpos de masa cada vez mayor. A este fenómeno se le conoce como acreción (unión) colisional.

Según iban creciendo en tamaño estos cuerpos, su fuerza gravitatoria aumenta, de forma que aumenta su capacidad para atraer cuerpos más pequeños en una fase de crecimiento más rápida. Los cuerpos formados de esta manera se les conoce como planetésimos y su tamaño es de varios kilómetros. A esta fase se le conoce como acreción gravitacional.

La siguiente fase de formación consistiría en una diferenciación distintas capas en el cuerpo planetario. Podemos imaginar que la temperatura del planeta era del orden de miles de grados centígrados debido a los choques y a la desintegración radiactiva de algunos de los elementos que los componen.

Debido a las altas temperaturas se produciría la fusión de los diferentes materiales que componían la Tierra primigenia y propiciaría una diferenciación gravitatoria de sus elementos químicos. De esta manera se obtuvo una distribución concéntrica en función de la densidad de los elementos constituyentes, así como por las afinidades que tenían éstos para asociarse y formar compuestos químicos estables. Es por ello, que el hierro y el níquel se desplazarían hacia el interior, mientras que el silicio, carbono, aluminio y calcio se situarían en zonas más superficiales. Esta fue la razón por la cual aparece la corteza, el manto y el núcleo. Envolviendo todo quedó la atmósfera formada por los elementos volatilizados a causa de la gran temperatura, aunque se perdió gran parte de la atmósfera por la debilidad del campo gravitatorio terrestre.

Planeta sin capas diferenciadas Planeta con capas diferenciadas

La última fase tuvo lugar después de formarse la corteza terrestre. La Tierra fue sometida a una verdadera lluvia de objetos celeste de diversos tamaños, que iban añadiendo masa al conjunto formado inicialmente. Este proceso queda reflejado por la formación de cráteres en su superficie, aunque en la Tierra han desaparecido la mayor parte debido a los procesos de erosión. Este proceso se va amortiguando a medida que se van reduciendo los cuerpos capturables dentro del Sistema Solar.En ese momento también se forman las capas fluidas del planeta. En principio se supone que no existen ya que debido a las altas temperaturas los elementos volátiles más ligeros como el hidrógeno y el helio, escaparon al espacio exterior. Al ir disminuyendo la temperatura los gases provenientes de las emisiones volcánicas o de meteoritos, como el agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre se condensaron en la hidrosfera. El resto formarían parte de la atmósfera primitiva, cuya composición era muy diferente de la actual.

2.- El interior de la Tierra¿Has sentido alguna vez un temblor de Tierra? ¿Has presenciado una erupción volcánica?Estas son solo algunas de las muestras de que la Tierra está viva, viva puesto que está sometida al cambio. Los ejemplos anteriores son una muestra de ese cambio, pero aparte de esas podemos encontrar alguna más. Pero, ¿cómo explicamos ese cambio?

Muchos hechos observables en la naturaleza dan idea de que los continentes no estaban en el pasado en el mismo lugar que ahora. Los científicos habían observado los siguientes hechos:

- Pruebas paleontológicas Entre las pruebas más importantes para demostrar que, en el pasado, continentes como África y Sudamérica estuvieron unidos, están las paleontológicas; es decir, las concernientes a los fósiles.Existen varios ejemplos de fósiles de organismos idénticos que se han encontrado en lugares que hoy distan miles de kilómetros, como en Sudamérica, África, India y Australia.

Los estudios paleontológicos indican que estos organismos prehistóricos hubieran sido incapaces de recorrer y cruzar los océanos que hoy separan esos continentes. Esta prueba indica que los continentes estuvieron reunidos en alguna época pasada.

- Pruebas geográficas

Se sospechó que los continentes podrían haber estado unidos en épocas pasadas al observar una gran coincidencia entre las formas de la costa de los continentes, especialmente entre Sudamérica y África. Si, en el pasado, estos continentes hubieran estado unidos formando uno solo, es lógico que los fragmentos coincidan en forma. La coincidencia es aún mayor si se tienen en cuenta no las costas actuales, sino los límites de las plataformas continentales.

- Pruebas geológicas y tectónicas

Si se unen los continentes en uno solo, se puede observar que los tipos de rocas, la cronología de las mismas y las cadenas montañosas principales tendrían continuidad física, es decir, formarían un cinturón casi continuo. Por tanto, se puede deducir que muchas formaciones geológicas y cordilleras se originaron cuando todos los continentes estaban reunidos y que después se separaron.- Pruebas paleoclimáticas Se descubrió que existían zonas en la Tierra cuyos climas actuales no coincidían con los que tuvieron en el pasado. Existen lugares hoy que tienen un clima tropical o subtropical, pero que estaban cubiertas de hielo hace 300 millones de años. También hay regiones donde reinaban condiciones climáticas semejantes a las que se dan en las actuales zonas tropicales, que favorecieron la formación de grandes yacimientos de carbón; hoy día, estos lugares se encuentran, sin embargo, en climas muy fríos. Estas pruebas hacen suponer que los continentes se localizaban en una latitud más al sur que la que ocupan actualmente.

Desde la antigüedad el hombre ha fantaseado con el interior de la Tierra. Era un lugar inhóspito, desconocido, inalcanzable. La herencia cultural de las religiones lo describían como el infierno,mientras otros, como Julio Verne, crearon una visión de un mundo interior, desconocido y fascinante.Hoy en día conocemos que la Tierra está formada por capas concéntricas: corteza, manto y núcleo. La corteza y el manto se separan por la discontinuidad de Mohorovicic, y el manto y el núcleo por la discontinuidad de Gutemberg.

Explicando los cambios en la superficie terrestre

Un modelo para explicar los cambios en la superficie terrestre: La tectónica de placas.Es evidente que en la superficie terrestre se van produciendo cambios, aunque de manera lenta. Para explicar estos cambios se debe recurrir a un modelo dinámico. Este modelo es la tectónica de placas, y consiste en lo siguiente:

• Los materiales rocosos de la corteza y de la parte superior del manto constituyen una unidad rígida y quebradiza, que recibe el nombre de Litosfera.

• La Litosfera se encuentra fragmentada en trozos llamados placas litosféricas, que encajan entre sí, como las piezas de un puzzle.

• Las placas litosféricas flotan sobre el manto superior y están en continuo cambio: se mueven, se crean y se destruyen, etc...

• Las placas pueden estar formadas por litosfera oceánica , o ser mixta y tener parte de litosfera oceánica y parte de litosfera continental

• Las placas litosféricas están limitadas por los bordes de placa, que pueden ser de tres tipos: convergentes, divergentes o fallas de trasformación.

El motor del movimiento de las placasEn la imagen de abajo puedes ver de forma general en que consiste la dinámica del manto. El motor de este movimiento es el calor del núcleo interno de la Tierra, junto con el tirón gravitacional debido al hundimiento de placa litosférica dentro del manto. El calor interno del núcleo provoca corrientes de convección, debidas a la diferencia de temperatura entre la parte superior del manto (más fría), y la parte inferior (más caliente).En la imagen hay zonas donde la corteza penetra en el manto. Son bordes de placa destructivos puesto que en estas zonas es donde se destruye la litosfera oceánica. En este borde las dos placas colisionan al moverse en sentido contrario.En las dorsales oceánicas se produce litosfera, por lo que se llaman bordes constructivos . En estos lugares se produce la separación entre placas.

3.- El origen de la vidaA lo largo de la historia el hombre ha tratado de dar una respuesta a esta pregunta. Veamos algunas de ellas.LA CREACIÓNEn la cultura occidental durante mucho tiempo se ha aceptado como válido lo escrito en la Biblia, más concretamente en el Génesis, sobre el origen de la vida. Según lo escrito, la creación de todas las cosas se llevó a cabo durante sólo seis días. En nuestros días se interpreta la Biblia de otra manera, desde un punto de vista moral y religioso, y no como una fuente de saber científico. De igual modo, la ciencia no debe prestar atención a problemas religiosos o morales.GENERACIÓN ESPONTÁNEA. Fue durante la antigua Grecia cuando surge esta idea, y esta se ha mantenido viva durante más de dos mil años. Esta idea supone que pueden surgir seres vivos a partir de la carne muerta en descomposición, el barro o la comida. La idea se basaba en la observación de que efectivamente esto ocurría.Esta idea sufrió un golpe cuando Francesco Redi en el siglo XVII, Realizó un experimento en el que puso carne en unos recipientes. Unos se sellaban y los otros no, con lo que resultaba que en los recipientes sellados no "aparecían" moscas de la carne y en los abiertos sí.Más tarde Spallanzani y Pasteur refutaron esta idea a partir de un experimento con caldo de carne caliente. En los recipientes cerrado no se generaban microorganismos y en los abiertos sí. PANSPERMIA Esta hipótesis defiende que la vida se ha generado en el espacio exterior, y por él viaja de un sistema a otro. Fue Anaxágoras en Grecia, en el s VI a.C. el primero que la formula, pero fue a partir del sXIX cuando cobra auge, debido a que los análisis realizados en meteoritos demuestran la existencia en ellos de materia orgánica.Unos de sus máximos defensores, el químico sueco Svante Arrhenius, afirmaba que la vida provenía del espacio exterior en forma de esporas que viajaban impulsadas por la radiación de las estrellas.

¿Cómo era la Tierra hace 3600 millones de años?La respuesta a esta pregunta es la clave para averiguar el origen de la vida. Sabiendo las condiciones de la Tierra en ese momento, podemos plantear una hipótesis que nos permita explicar el origen de la vida.

• La atmósfera primitiva estaba formada por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), amoniaco (NH3), vapor de agua (H2O) y sulfuro de hidrógeno (SH2). Era una atmósfera que carecía de oxígeno.

• La Tierra estaba sometida a una intensa radiación, debida a la radiación solar ultravioleta,

tormentas eléctricas, radiactividad natural, viento solar, actividad volcánica y rayos cósmicos, con lo que la reactividad de los gases sería muy alta, y reaccionarías de forma espontánea.

• La Tierra estaba cubierta por agua líquida, caldo de cultivo de toda esta mezcla.

Hipótesis de OparinAlexander Oparin lanzó en 1930 la hipótesis de la aparición de la vida en la Tierra. Propuso que la primitiva atmósfera terrestre contenía metano, hidrógeno y amoniaco. La presencia de agua la atribuyó al vapor que acompaña a las abundantes emisiones volcánicas de la época, tal y como ocurre en la actualidad.Las altas temperaturas, los rayos ultravioleta y las descargas eléctricas en la primitiva atmósfera habrían provocado reacciones químicas de los elementos para formar primitivos aminoácidos (materia orgánica). De los aminoácidos pasaríamos a las primitivas proteínas sencillas.

Millones de años de lluvias crearon los mares cálidos y arrastraron las moléculas hacia ellos, donde se combinaron hasta formar los coacervados (Un coacervado es un agregado de moléculas que se mantienen unidas por fuerzas electrostáticas.)EXPERIMENTO DE MILLERPara probar la hipótesis de Oparin, en 1953 Stanley Miller ideó un experimento: en un circuito cerrado, con tubos y balones de vidrio, simuló las condiciones de la atmósfera primitiva (calor, descargas...). Metió dentro los supuestos componentes inorgánicos y lo dejó funcionando una semana. Aparecieron compuestos orgánicos en el líquido resultante, que antes no estaban. Repitió el experimento varias veces con idénticos resultados. Comprobó así la aparición de materia orgánica a partir de materia inorgánica. Otra cosa es comprobar la formación de las moléculas más complejas.

¿Cómo se obtuvieron moléculas complejas (ácidos nucleicos, proteínas)?En estos momentos se barajan diferentes hipótesis que expliquen la formación de moléculas más complejas, puesto que el experimento de Miller demuestra sólo que se pudieron formar moléculas orgánicas sencillas. Los siguientes pasos debieron ser:

• Unión de moléculas sencillas para formar moléculas más complejas como ácidos nucleicos y proteínas.

• Formación de agregados de estas moléculas sintetizadas de forma abiótica en pequeñas gotas o protobiontes, con un medio interno con características diferentes del ambiente exterior.

• La capacidad de crear copias y el origen de la herencia.

¿Cómo se forman los ácidos nucleicos y las proteínas?Resulta difícil aceptar la formación de grandes moléculas como proteínas o ácidos nucleicos en las condiciones propuestas por Oparin. Hay que tener en cuenta que cada una de las proteínas de nuestro organismo está formada por muchas moléculas más pequeñas, diferentes, loa aminoácidos. Además la síntesis de las proteínas se realiza siguiendo un orden determinado, que sabemos que está marcado por la información contenida en los ácidos nucleicos. Es por ello que resulta difícil asimilar que la formación de este tipo de moléculas ocurriera tal y como proponia Oparin. Actualmente se barajan varias hipótesis:

• Génesis mineral: Es probable que estas grandes moléculas se sintetizaran sobre superficies arcillosas, de manera que la arcilla u otro minaral actuara atrayendo y facilitando la unión de todas esas pequeñas moléculas en mayores moléculas.

• Las fuentes hidrotermales: En los océanos, cerca de las dorsales oceánicas existen todos los precursores disueltos, como CH4, CO2 y NH3 junto con altas temperaturas. Es en estos lugares donde se podría haber producido la formación de las biomoléculas, puesto que la pirita, un mineral rico en hierro habría facilitado la formación de las grandes biomoléculas.

• El mundo del ARN: Esta hipótesis supone que la primera gran biomolécula formada en los mares primitivos sería el ARN, el cual puede almacenar información y incluso puede actuar aumentando las velocidades de reacción. Es a partir de esta biomolécula, cuando empezarían a sintetizarse las primeras proteínas, y la propia biomolécula sufriría un proceso de cambio funcional para formar ADN, más estable.

Relación entre la composición de la atmósfera y la aparición de la vidaEn el gráfico siguiente podemos ver como ha ido variando la composición de la atmósfera a lo largo del tiempo. Además se indican los momentos importantes en el proceso de formación de la vida tal y como la conocemos actualmente. Presta atención al memento en que aparecen las primeras células procariotas (células simples cuyo ADN está disperso en su interior), cuando aparecen los células eucariotas (células más compleja con un núcleo que contiene el ADN), y cuando empiezan las células a realizar la fotosíntesis (proceso que permite la obtención de materia orgánica a partir de materia inorgánica, con el desprendimiento de oxígeno).

Desarrollo de los primeros organismosTeniendo en cuenta los datos obtenidos de la tabla anterior, una secuencia en el desarrollo de los seres vivos seria:Aparece la membrana biológica, la cual separa el interior del organismo, del medio ambiente externo, con lo que pudo tener un metabolismo rudimentario que le permitió a la célula ancestral obtener energía por medio de la nutrición, reproducirse y responder a las variaciones del exterior.Teniendo en cuenta que la aparición de vida fue en un mar de moléculas orgánicas, seguramente los primeros organismos obtenían sus alimentos a partir de su entorno, por lo que serían bacterias heterótrofos anaerobios fermentadores.Este proceso está limitado a la existencia de alimento en el medio ambiente, por lo que algunos organismos desarrollarían su propia forma de obtener energía, la fotosíntesis, con lo que a a partir de luz solar transformarían el dióxido de carbono, en hidratos de carbono, emitiendo como residuo oxígeno.Este proceso transformó la atmósfera primitiva a algo muy parecido a nuestra atmósfera actual, en la que el oxígeno se convierte en un veneno mortal para los organismos anaerobios. Entre los organismos existentes, algunos se adaptaron y lo empezaron a utilizar para obtener energía a partir de los nutrientes orgánicos, en un proceso llamado respiración celular, en el que se desprende dióxido de carbono como residuo.Mucho tiempo después, se desarrollaron las primeras células eucariotas, a partir de una asociación simbiótica entre células bacterianas más simples. Esta teoría se conoce como la teoría endosimbionte.