TEMA 3: EL ORIGEN DE LA VIDA Y EL SER HUMANO 1. La materia viva La materia viva no está formada por los elementos más abundantes en la corteza terrestre (como el silicio y el aluminio). En realidad, los elementos más abundantes en los seres vivos son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno. El hidrógeno y el oxígeno forman el agua. Además, otros elementos se encuentran en los seres vivos en cantidades menores (hierro, selenio, azufre o potasio), pero en total apenas sobrepasan la veintena. a) El agua En los seres vivos se producen reacciones químicas continuamente. Para ello es necesario que las sustancias que van a reaccionar estén disueltas, y el agua el un gran disolvente. b) El carbono Su gran ventaja es que puede formar cuatro enlaces y dar lugar a muy distintas moléculas de cadena muy larga, esenciales para la vida, como los glúcidos, los lípidos, las proteínas (esencial el nitrógeno) y los ácidos nucleicos.

2. Energía La vida necesita energía, que obtiene a partir de reacciones químicas en las que interviene materia orgánica. Esta materia orgánica se “fabrica” fundamentalmente en el proceso, denominado fotosíntesis, que llevan a cabo los organismos llamados autótrofos (plantas y algunas bacterias).

Esta materia orgánica sintetizada en la fotosíntesis se convierte en energía mediante un proceso llamado respiración celular.

Aunque la mayoría de los organismos usa el oxígeno para obtener la energía, algunos tipos de bacterias pueden obtenerla a partir de reacciones con otros elementos y compuestos, como el hidrógeno y los sulfuros que emiten los volcanes. Tales organismos se denominan quimiosintéticos. 3. Procedencia del carbono y del agua a) Carbono La nebulosa a partir de la cual se originó el sistema solar no es especialmente rica en carbono. De hecho, el Sol contiene 30 veces menos carbono que la biosfera, la zona de la Tierra donde se concentra la vida. No puede ser ese, por lo tanto el origen del carbono. En realidad, el carbono procede del interior de la Tierra, donde se acumuló durante la formación de nuestro planeta. Cada vez que un volcán emite dióxido de carbono a la biosfera, un ser vivo lo asimila.

b) Agua Se sospecha que parte del agua llegó a la Tierra transportada por cometas (contienen un gran porcentaje de hielo) que se fundieron al penetrar en la atmósfera. Otra parte procedería también de los volcanes, que entre otros gases emiten vapor de agua. La actividad volcánica era intensa en la Tierra primitiva. Dado que la temperatura era muy alta, el agua estaría al principio en estado gaseoso. Al enfriarse la Tierra el agua empezó a condensarse, formando los primitivos océanos donde, millones de años después, surgió la vida. 4. El escenario inicial Conocemos bastante bien cómo era la Tierra primitiva en la que surgió la vida. a) Un interior muy caliente Esto significa un vulcanismo intenso. Casi todo el vulcanismo era submarino, dado que la mayoría de los continentes aún no se habían formado. Sabemos que muchos organismos primitivos (sobre todo bacterias) viven en aguas muy cálidas ricas en minerales disueltos, sin necesidad de energía solar. Se trata de organismos autótrofos quimiosintéticos, capaces de obtener energía a partir de la pirita (un sulfuro de hierro).

Otros seres vivos microscópicos se alimentan de las bacterias, y así se generan unos ecosistemas complejos de hasta 300 especies, que no dependen de la fotosíntesis sino de la energía interna de la Tierra. b) Una atmósfera densa y sin oxígeno En la atmósfera primitiva no había oxígeno, y por tanto tampoco ozono que protegiese la superficie del planeta de la radiación UV capaz de destruir la vida. Por tanto, la vida debió prosperar protegida por un gran espesor de agua. Así, el escenario inicial debió ser un planeta oceánico con volcanes submarinos. ¿Cómo sabemos que no había oxígeno en la atmósfera primitiva?

Las imágenes pertenecen a dos muestras del mineral pirita. La muestra de la izquierda se encontró en un estrato inferior (más antiguo) y no está oxidada, revelando que en la época correspondiente al estrato donde se encontró la atmósfera carecía de oxígeno. En cambio, la muestra de la izquierda es de un estrato superior (más moderno) y está oxidada. Conocida la edad del estrato más antiguo donde aparece pirita oxidada, es posible estimar el momento en que el agua empezó a contener oxígeno disuelto, que poco a poco pasó a la atmósfera. 5. El experimento de Miller Trató de responder a la pregunta ¿cómo se transformó la materia inerte en materia viva?

Sin embargo, uno de los gases utilizados por Miller (el metano) es inestable en la atmósfera terrestre, y probablemente nunca fue demasiado abundante. Así pues, el experimento de Miller tiene gran valor histórico y demostró que es posible obtener materia orgánica a partir de materia inorgánica, pero no explica realmente el origen de la vida. 6. Hipótesis actuales sobre el origen de la vida a) Hipótesis metabólica Pequeñas moléculas sencillas se aislaron del medio mediante una membrana. A partir de ahí iniciaron una serie de procesos químicos cada vez más complejos (metabolismo), hasta que lograron reproducirse.

b) Hipótesis del mundo ARN Moléculas de ARN (ácido ribonucleico) surgidas al azar, devinieron capaces de reproducirse mediante mutaciones. Así lograron sintetizar proteínas. Estas proteínas permitieron la síntesis de ADN (ácido desoxirribonucleico) y éste, con ayuda del ARN, sintetizó nuevas proteínas.

7. ¿Cuándo surgió la vida? En Isua, al Suroeste de Groenlandia, se encuentran capas de rocas con una antigüedad de 3.850 millones de años, que inicialmente se depositaron en forma de fango en el fondo de un mar somero. Algunos de los minerales de las rocas de Isua son carbonatos. El carbono de estos carbonatos se presenta en forma de dos isótopos, 12C y 13C. Los seres vivos poseen una proteína que permite la asimilación del 12C pero no del 13C, por lo que los sedimentos donde haya habido seres vivos estarán enriquecidos en 12C. Y esto es precisamente lo que, a finales del siglo XX, se descubrió en las rocas de Isua. Bastaba, pues, calcular la edad de las rocas para conocer la fecha mínima de la aparición de la vida. Cálculo de la edad de una roca Los minerales de muchas rocas contienen isótopos radiactivos, cuyos núcleos son inestables y se desintegran lentamente en otros núcleos estables. Este proceso se desarrolla a velocidad constante, pero distinta para cada núcleo radiactivo, y da lugar a otros elementos llamados radiogénicos. Cuanto más antiguo sea un mineral, menos cantidad de elementos radiactivos y más de elementos radiogénicos contendrá. De esto modo, basta con medir la proporción de unos y otros para saber la antigüedad de la roca que contiene al mineral. Para ello se usan gráficas como la siguiente:

Conociendo el porcentaje de los isótopos radiactivos, basta con trazar una línea que corte al eje de tiempos y leer directamente la edad de la roca. Es así como se ha calculado para las rocas de Isua una antigüedad de 3.850 millones de años. Ante la posibilidad de que los vestigios descubiertos no correspondan a la primera vida surgida, se suele optar por una cifra más conservadora y situar la fecha de aparición de la vida en unos 4.000 millones de años. A partir de estas escasas primeras formas de vida, se ha pasado a la increíble variedad actual, que algunos cálculos estiman que podría rondar los 50 millones de especies. El

lento proceso que ha dado lugar a tanta diversidad es lo que se conoce como evolución. 8. Pruebas de la evolución Podemos dividirlas en tres grandes grupos. a) Pruebas biológicas Se basan en organismos actuales. Entre otras podemos hablar de Disposición y estructura de los huesos Los huesos de animales tan diferentes como el murciélago, el gato, la ballena o el ser humano presentan una disposición y estructura tan semejantes, que es inevitable pensar en ellos como adaptaciones de una única anatomía, la del antepasado común, a usos distintos.

Órganos vestigiales Son partes del cuerpo sin ninguna función en la especie actual, pero que debieron ser útiles a unos antepasados de formas de vida muy diferentes. Como ejemplos de órganos vestigiales en los humanos cabe reseñar el apéndice, las vértebras del coxis o las muelas del juicio.

La prueba definitiva de la evolución es que todos los seres vivos poseen el mismo sistema de transmisión de la información (el ADN) y comparten las mismas proteínas y reacciones químicas. Esto sería materialmente imposible si la vida no estuviese emparentada. b) Pruebas paleontológicas Son las que están apoyadas en los fósiles. Se estima que se han encontrado fósiles sólo de una pequeña fracción del total de especies que han habitado en la Tierra. Con todo, esta pequeña muestra basta

para plantear un gran árbol de cómo ha evolucionado la biosfera. En este árbol toda la vida queda interrelacionada y se remonta hasta el origen, y se observa que todos los seres vivos proceden de un mismo tronco.

c) Pruebas moleculares Su base es la genética. Parte de la suposición de que las mutaciones (cambios en los genes) se producen a un ritmo constante. Contando las diferencias en los genes entre dos especies o grupos, podemos averiguar su grado de parentesco y el momento en que se separaron. d) Pruebas embriológicas El estudio de los embriones de los vertebrados arroja un interesante resultado: las primeras fases del desarrollo son iguales para todos los vertebrados, siendo imposible distinguirlos. Sólo al ir avanzando el proceso cada grupo de vertebrados tendrá un embrión diferente al resto, siendo tano más parecidos cuanto más emparentadas estén las especies.

9. Explicación de la evolución a) Lamarckismo Fue la primera teoría evolucionista, elaborada por Lamarck. Propuso que las especies variaban al adquirir nuevos órganos para solucionar nuevas necesidades, y que estos caracteres adquiridos son heredables (lo cual hoy sabemos que es falso).

b) El darwinismo: la selección natural En 1831, a la edad de 22 años, Charles Darwin embarcó como naturalista en el velero Beagle, para un viaje de 5 años cuyo objetivo era cartografiar las costas de Sudamérica. Durante el viaje, Darwin tomó nota y observaciones detalladas de los animales y plantas autóctonos de los lugares que visitó.

En Bahía Blanca descubrió los restos fósiles de unos caparazones que cubrían el cuerpo de un gran animal. Tenía 4,5 metros de largo y un peso de una tonelada, y se llamaba Glyptodon. Era parecido a un armadillo pero de gran tamaño.

Al sur de la costa sudamericana encontró dos especies de ñandúes en territorios separados. ¿Cómo era esto posible? En las Islas Galápagos estudió tortugas, iguanas y pinzones. Tortugas Las terrestres tenían la parte delantera del caparazón doblada hacia arriba, con el cuello más largo, lo que les permitía comer las hojas altas de los arbustos. Las costeras tenían el caparazón en forma de domo. Iguanas Las que vivían en la costa eran negras, y las del interior de colores vivos. Pinzones En las Galápagos hay 13 especies diferentes pero estrechamente emparentadas. Todos son del mismo tamaño (10-20 cm) pero se diferencian sobre todo en el tamaño y la forma del pico. Los distintos tipos de pico están plenamente adaptados a las diferentes fuentes de alimento.

De vuelta en Londres, Darwin comprendió paulatinamente cómo podían variar las especies y cuáles podían ser los mecanismos de la evolución. Aún así, pasaron más de 20 años hasta que se decidió a publicar sus ideas: en aquella época predominaban el fijismo y el creacionismo (los seres vivos no han cambiado desde que fueron creados por Dios). Por fin, en 1859, Darwin publicó su libro: El origen de las especies. Darwin proponía que dentro de los individuos de la misma especie existe variabilidad, y que las especies no permanecían invariables en el tiempo sino que unas especies evolucionaban a partir de las otras. Esto ocurría porque algunos individuos presentaban características favorables que les permitían sobrevivir en circunstancias adversas, y por tanto se reproducían más y tenían una mayor probabilidad de transmitir esas características a su descendencia. De este modo Darwin establece los principios de la selección natural:

Principio de variación No todos los individuos de una población son iguales.

Principio de la eficacia biológica diferencial Los individuos que posean ciertas variantes están asociados a una mayor descendencia y/o longevidad.

Principio de la herencia Los individuos tienden a transmitir sus características a su descendencia.

Un ejemplo: la mariposa del abedul Se trata de una especie muy abundante en Inglaterra. Se posa durante el día en la corteza del abedul, que generalmente está cubierta de líquenes grisáceos. Tiene las alas de color blanco-grisáceo, por lo que se confunde fácilmente con la corteza del árbol.

A mediados del siglo XIX empezaron a observarse ejemplares de color oscuro. En 1895 eran oscuras el 95% de las mariposas, y en 1898 el 99%.

¿Qué había ocurrido? Con la llegada de la revolución industrial, el humo de las fábricas ennegreció la corteza de los abedules. Las mariposas ya no tenían donde ocultarse de sus depredadores. La variabilidad genética salvó a la especie. c) El neodarwinismo A las ideas de Darwin les faltaba una base genética. Hoy sabemos que las mutaciones son en realidad cambios en el ADN. Estos cambios repercuten en las características de los descendientes y hacen posible la evolución. Los genes son los factores determinantes de la herencia.

La principal discusión actual en el terreno del neodarwinismo se refiere al ritmo de la evolución. Para que una nueva especie se genere a partir de otra hace falta aproximadamente un millón de años. La forma más fácil de que esto ocurra es que una pequeña población de una especie quede aislada del resto (por ejemplo, si coloniza una isla). En este caso las mutaciones que se produzcan, si no son perjudiciales, se propagarán con eficacia y rapidez debido al pequeño número de individuos (es lo que se conoce como deriva genética). 10. Selección artificial Es un proceso por el que el hombre selecciona ejemplares de una especie animal o vegetal en función de sus características. Mediante la reproducción controlada se

fomentan las características cuyo desarrollo se desea. Tras varias generaciones, se consiguen variedades estables con fines agrícolas, ganaderos… La diferencia con la selección natural es que ésta viene impuesta por circunstancias ambientales.

Algunos ejemplos: a) El maíz

En la forma silvestre y primitiva apenas producía unos cuantos granos. Tras su domesticación se obtuvieron variedades con mazorcas mayores y más granos, pero perdió su capacidad para reproducirse sin la ayuda del hombre: las hojas que envuelven las mazorcas impiden que las semillas sean liberadas y puedan germinar (los agricultores deben retirar la envoltura y desprender los granos). En la forma silvestre las semillas no estaban cubiertas. b) Las vacas lecheras En las primeras vacas domesticadas algunas producían más leche de la que necesitaban sus crías y podían ser ordeñadas. Algunas vacas eran asustadizas, lo que suponía un peligro para ordeñarlas. Cuando los primeros ganaderos debían sustituir algún animal viejo o improductivo, conservaban las vacas más productivas, más tranquilas y más dóciles. De este modo obtenían más leche y ordeñaban más tranquilamente.

c) Los cerdos

En el proceso de selección artificial, el cerdo ha perdido parte de la fuerza y la capacidad para correr de su pariente silvestre, el jabalí, a costa de una distribución de músculos distinta que permite producir más carne. Además, los colmillos del jabalí tienden a desaparecer o a disminuir de tamaño en el cerdo doméstico.

La naturaleza selecciona algunas características por el beneficio que representan para la superviviencia y la reproducción (bellas plumas que facilitan el apareamiento en el pavo real, vacas con ubres mayores que producen más leche para las crías, jirafas de cuellos largos que permiten alcanzar hojas altas de los árboles). Pero cuando la característica se exagera, el pavo ya no puede escapar de los depredadores, la vaca enferma de mastitis y la jirafa es incapaz de beber agua de un arroyo. Es decir, cuando de manera artificial seleccionamos características exageradas, nos enfrentamos a ciertos “candados” que la naturaleza ha creado para proteger los diseños que tardó tanto tiempo en hacer. 11. Radiaciones evolutivas y extinciones Hay períodos en la evolución de nuestro planeta en los que el ritmo de renovación de especies se incrementa; esto es, son épocas de intensa aparición y extinción de especies. a) Radiaciones evolutivas Consiste en el aumento del número de especies a partir de unas pocas, que se produce a una velocidad mayor que la habitual. Puede producirse: Después de una gran extinción, dado que quedan muchos nichos ecológicos libres. Por ejemplo, después de la extinción de los dinosaurios se dio la radiación de los mamíferos. Debido a un aislamiento geográfico, que favorece que las especies evolucionen por separado. Por ejemplo, la separación de Madagascar de África, hace 165 millones de años, favoreció que aparecieran en la isla 165 especies endémicas de palmeras, frente a las 120 del continente africano, así como especies que evolucionaron por separado como los lémures.

b) Extinciones Continuamente están desapareciendo especies, pero durante la historia de la vida ha habido al menos cinco momentos en los cuales han desaparecido muchas especies en un breve lapso de tiempo. Son las extinciones masivas.

La extinción que afectó a un mayor número de especies tuvo lugar hace algo más de 200 millones de años. Según algunos autores desaparecieron en ella la mitad de las especies que existían en la Tierra. La hipótesis más aceptada respecto a esta extinción es la de una catástrofe por anoxia (falta de oxígeno en el agua marina) provocada, a su vez, por el calentamiento de la atmósfera tras una etapa de intenso vulcanismo. Se produjo en este caso lo que se conoce como efecto dominó: una alteración causa otras en cadena.

Sin embargo, la extinción más famosa ocurrió hace 65 millones de años, cuando desaparecieron los dinosaurios y otras muchas formas de vida (las especies que necesitaban más alimento y una temperatura más estable). Un gigantesco asteroide cayó en el Sur de México y provocó una catástrofe ambiental: onda expansiva con un enorme aumento de la temperatura, terremotos y tsunamis, incendios en toda la Tierra o una gran nube de polvo que bloqueó el paso de luz durante meses disminuyendo la actividad fotosintética y provocando un descenso global de la temperatura. Pruebas a favor de la hipótesis del asteroide En 1980 se descubrió en Italia una capa de arcilla de 5 mm de grosor y 65 millones de años de edad con un alto contenido en iridio y osmio, dos elementos químicos muy raros en la Tierra pero frecuentes en los meteoritos y, por tanto, en los asteroides de los que proceden.

Esta capa está presente en todo el globo terrestre, pero en el Caribe no tiene 5 mm sino 50 cm de espesor. Además, en estratos más antiguos que esta capa aparecen fósiles de dinosaurios, pero no hay ninguno en los estratos más modernos. En 1990 se descubrió el cráter Chicxulub, en México.

¿Por qué algunas especies sobrevivieron a las extinciones masivas? Vamos a ilustrarlo sobre el ejemplo de la extinción de los dinosaurios. Los dinosaurios herbívoros comen la abundante vegetación, y los carnívoros a los herbívoros. En esa época los pequeños mamíferos ocupan una posición marginal.

Cae el asteroide que causa la interrupción de la fotosíntesis, desaparece la vegetación y se interrumpe la cadena trófica. Sólo sobreviven los comedores de semillas y de carroña.

Cuando reaparece la luz las semillas germinan, nacen las plantas y la cadena trófica se reestructura con las especies supervivientes, entre las que no están ni los grandes herbívoros ni los grandes carnívoros. 12. El origen del ser humano Hace 8 millones de años, las corrientes convectivas del manto que mueven los continentes empezaron a romper África en dos partes desiguales, dando lugar al valle del Rift. Se trata de una gran grieta en el Este del continente. Este cambio relieve provocó un cambio climático hacia una mayor sequía, lo que provocó que muchos bosques se convirtieran en sabanas. Este cambio impulsó a los primates que habitaban la zona a modificar sus hábitos. Para recoger alimento en un paisaje abierto como la sabana, la postura bípeda tiene ventajas sobre la cuadrúpeda (es más fácil localizar tanto al alimento como a los depredadores). De este modo los mutantes bípedos tendrían ventaja sobre los especímenes cuadrúpedos.

La marcha bípeda de nuestros antepasados quedó demostrada con el descubrimiento de las huellas fósiles de Laetoli (Tanzania) que han sido datadas en 3,6 millones de años, y conllevó algunos cambios anatómicos: Alargamiento de las extremidades inferiores respecto a las superiores, acortamiento y ensanchamiento de la pelvis, columna vertebral en forma de S o alargamiento del dedo pulgar del pie, que se orienta paralelo a los otros dejando de ser oponible. Los fósiles homínidos bien conocidos pertenecen al género de los Australophitecus, entre los cuales cabe destacar las siguientes especies: A. Anamensis Hace unos 4 millones de años. Se piensa que inició una marcha bípeda con ciertas dificultades. Vivía en un bosque más abierto y seco, en el que se supone que el bipedismo le facilitó la búsqueda de alimento. Tenía un esmalte grueso que le permitía comer alimentos duros. A. Afarensis Son los responsables de las huellas de Laetoli. A esta especie pertenece un completo fósil de una hembra bautizado como Lucy.

Tanto las huellas de Laetoli como el análisis de la pelvis de Lucy confirmaron que ya estaba plenamente adquirida la marcha bípeda. En las huellas de Laetoli puede observarse que el pulgar se dirige hacia delante y no hacia un lado, como ocurre en los chimpancés. Esta diferencia resulta decisiva, pues el dedo pulgar es el último en separarse del suelo al caminar y el que proporciona el impulso final.

A. Robustus y A. Boisei También conocidos como Paranthropus. Especializados en comer semillas (mandíbulas fuertes y dientes de esmalte grueso). A. Africanus Aparecieron hace unos 3 millones de años en Sudáfrica. Caminaban erguidos, tenían una altura de 140 cm y un peso de 30-40 kg. Eran oportunistas carroñeros, lo que les permitía tener unas mandíbulas menos desarrolladas, y se cree que evolucionaron hacia el género Homo. La aparición de la inteligencia El cerebro y el conjunto del aparato digestivo consumen la mayor parte de la energía del organismo, por lo que una alimentación a base de semillas y raíces consumiría una gran cantidad de energía que no estaría a disposición del cerebro. Hoy se piensa que un segundo cambio climático hizo escasear los alimentos mencionados arriba, empujando a los homínidos a comer carne de cadáveres de animales. La carne es de más sencilla digestión, lo que pudo liberar energía que ahora estaría a disposición del cerebro, permitiendo un gran aumento de la capacidad craneal y la aparición de lo que hemos dado en llamar “inteligencia”. Tal vez a raíz de la evolución de los A. Africanus, apareció el género Homo hace unos 2,5 millones de años. Fabricaron los primeros utensilios sencillos, de piedra tallada toscamente. Presentaban un mayor volumen cerebral, y muy probablemente convivieron con los Australopithecus. Homo Habilis Vivieron entre 2,5-1,5 millones de años en África. Fueron los primeros en fabricar herramientas e instrumentos de piedra. 150 cm de altura, 50 kg de peso y un cerebro de 600-800 cm3. Eran cazadores y carroñeros, lo que les permitió acceder a alimentos de alta calidad.

Es posible que emplearan un lenguaje primitivo. Homo Ergaster África, hace alrededor de 1,5 millones de años. Se cree que fueron los primeros en salir de África. Eran omnívoros, y probablemente cazadores. Tenían una altura similar a la nuestra. Se cree que sabían aprovechar el fuego pero no producirlo. Dieron origen al Homo Erectus. Homo Erectus Se dispersó por toda Asia entre 1,3 millones de años y 50.000 años. Fueron los primeros en dominar el fuego. Vivieron en zonas frías, vistieron ropas y habitaron en cuevas. Estatura 160, cráneo alargado con capacidad 900-1300 cm3. Homo Antecessor Descubierto recientemente en Atapuerca (Burgos) es el fósil de homínido más antiguo hallado en Europa. Los restos más antiguos se han datado en 800.000 años. Eran altos y fuertes, con una capacidad craneal superior a 1000 cm3. Hay evidencias de que practicaban el canibalismo. Dio origen al Homo Neandertalensis Con ellos comienzan los enterramientos rituales, el cuidado de los enfermos y las manifestaciones estéticas. Los últimos habitaron hace 28.000 años en la cueva de Gorham (Gibraltar). Convivió con los Homo Sapiens, que finalmente los desplazaron. Homo Sapiens Su evolución conducirá al Homo Sapiens Sapiens, que es la única especie de homínido que vive hoy en la Tierra. Originarios de África, se extendieron rápidamente por todos los continentes, desplazando al resto de las especies de homínidos.

Homo Sapiens Sapiens Surge el arte rupestre. Un arte mural, en las paredes de las cuevas, y un arte mueble en forma de tallas en hueso, marfil y trozos de piedra, y dibujos en plaquetas (trozos de piedra de pequeño tamaño).