Vida: qué es, características, origen y bases biológicas

Los seres vivos, u organismos, pueden explicarse como sistemas abiertos. Siempre están cambiando, porque intercambian materiales e información con su entorno. Se someten al metabolismo, mantienen la homeostasis, poseen capacidad de crecimiento, responden a los estímulos y se reproducen.

A través de la selección natural, se adaptan a su entorno en generaciones sucesivas. Los organismos vivos más complejos pueden comunicarse por diversos medios. Se pueden encontrar muchas formas de vida en la Tierra. Las propiedades comunes a estos organismos -plantas, animales, hongos, protistas, arqueas y bacterias- son una forma celular basada en el carbono y el agua con una organización compleja e información genética heredable.

Los sistemas que conforman la vida tienen muchos niveles de organización. De menor a mayor, son: molécula, célula, tejido (grupo de células con un propósito común), órgano (parte del cuerpo con un propósito), sistema de órganos (grupo de órganos que funcionan juntos), organismo, población (grupo de organismos de la misma especie), comunidad (todos los organismos que interactúan en un área), ecosistema (todos los organismos de un área y los alrededores no vivos) y biosfera (todas las partes de la Tierra que tienen vida).

En la actualidad, la Tierra es el único planeta del que los humanos tienen información detallada. La cuestión de si existe vida en otros lugares del Universo está abierta. Ha habido una serie de afirmaciones sobre la existencia de vida en otros lugares del Universo. Ninguna de ellas ha sido confirmada hasta ahora. La mejor prueba de vida fuera de la Tierra son los ácidos nucleicos que se han encontrado en ciertos tipos de meteoritos.

Una de las explicaciones de la vida es la llamada teoría celular. La teoría celular tiene tres puntos básicos: todos los seres vivos están formados por células. La célula es el ser vivo más pequeño que puede hacer todas las cosas necesarias para la vida. Todas las células deben proceder de células preexistentes.

A menudo se dice que algo está vivo si:

• crece,
• Toma los alimentos, los utiliza para obtener energía y elimina los productos de desecho (véase el metabolismo),
• se mueve: debe moverse por sí mismo, o tener movimiento dentro de sí mismo,
• se reproduce, ya sea sexualmente (con otro ser vivo) o asexualmente, creando copias de sí mismo,
• reacciona a su entorno,
• funciones

Sin embargo, no todos los seres vivos se ajustan a todos los puntos de esta lista.

• Las mulas no pueden reproducirse, y las hormigas obreras tampoco.
• Los virus y las esporas no están activamente vivos (se metabolizan) hasta que se dan las condiciones adecuadas.

Sin embargo, se ajustan a las definiciones bioquímicas: están hechos del mismo tipo de sustancias químicas.

La definición termodinámica de la vida es cualquier sistema que pueda mantener sus niveles de entropía por debajo del máximo (normalmente mediante la adaptación y las mutaciones).

Un enfoque moderno

Una definición moderna fue dada por Humberto Maturana y Francisco Varela en 1980, a la que dieron el nombre de autopoiesis:

1. La producción de sus propios componentes
2. El montaje correcto de estos componentes
3. Reparación y mantenimiento continuos de su propia existencia.

Roth comentó que "en resumen, los organismos son sistemas autorreproducibles y automantenidos, o 'autopoiéticos'". Este enfoque hace uso de las ideas de la biología molecular y de la ciencia de los sistemas.

Química

La vida en la Tierra está hecha de compuestos orgánicos: moléculas que contienen carbono. Hay cuatro tipos de moléculas de cadena larga (macromoléculas) importantes: los hidratos de carbono, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

• Los hidratos de carbono simples (azúcares) se utilizan para obtener energía, o como bloque de construcción. Los carbohidratos complejos, como el almidón y la celulosa, pueden mantener la energía durante mucho tiempo. También se utilizan para hacer una estructura fuerte, como el tallo de una planta.
• Los lípidos pueden ser aislantes para mantener el calor de un ser vivo, como la grasa de un pingüino, o para impedir que el agua entre o salga, como las plumas impermeables. Dos capas de fosfólido (un tipo de lípido) componen todas las membranas celulares. Algunos tipos de lípidos son hormonas, que envían mensajes de una célula a otra.
• Las proteínas, largas cadenas de aminoácidos, tienen muchas finalidades. Se pliegan en formas complejas porque sus aminoácidos interactúan. Las proteínas intervienen en muchas reacciones químicas, para hacerlas más rápidas.
• Los ácidos nucleicos, incluidos el ADN y el ARN, son largas cadenas de nucleótidos. Sólo hay cuatro tipos de nucleótidos en cada cadena, pero son las instrucciones para la vida, como un lenguaje. Cada tres nucleótidos indican a la célula que debe fabricar un aminoácido. Una parte de un ácido nucleico es el código de una molécula de proteína.

Casi todos los seres vivos necesitan los elementos químicos carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo para construir estas macromoléculas. Los seres vivos también necesitan pequeñas cantidades de otros elementos, llamados oligoelementos. El agua es una parte muy importante de todos los seres vivos. Por ejemplo, los seres humanos son aproximadamente dos tercios de agua. El agua es un disolvente que permite a las moléculas mezclarse y reaccionar con otras moléculas.

Fuentes de energía

Todos los seres vivos necesitan energía para sobrevivir, moverse, crecer y reproducirse. Algunos pueden obtener energía del medio ambiente sin ayuda de otros seres vivos: son los llamados productores, o autótrofos. Las plantas, las algas y algunas bacterias, un grupo de productores llamados fotoautótrofos, utilizan la luz del sol para obtener energía. Cuando los productores utilizan la luz para fabricar y almacenar compuestos orgánicos, esto se llama fotosíntesis. Algunos otros productores, llamados quimioautótrofos, obtienen la energía de las sustancias químicas que salen del fondo del océano en los respiraderos hidrotermales. Otros seres vivos obtienen su energía de los compuestos orgánicos: son los llamados consumidores, o heterótrofos. Los animales, los hongos, la mayoría de las bacterias y la mayoría de los protistas son consumidores. Los consumidores pueden comer otros seres vivos o material muerto.

Tanto los productores como los consumidores necesitan descomponer los compuestos orgánicos para liberar energía. La mejor manera de hacerlo es la respiración aeróbica, que libera la mayor cantidad de energía, pero los seres vivos sólo pueden hacer la respiración aeróbica si tienen oxígeno (O2). También pueden descomponer estos compuestos sin oxígeno, mediante la respiración anaeróbica o la fermentación.

Todos los seres vivos tienen células. Cada célula tiene una membrana celular en el exterior y un material gelatinoso que llena el interior, llamado citoplasma. La membrana es importante porque separa las sustancias químicas del interior y del exterior. Algunas moléculas pueden atravesar la membrana, pero otras no. Las células vivas tienen genes, hechos de ADN. Los genes dicen a la célula lo que debe hacer, como un lenguaje. Una molécula de ADN, con muchos genes, se llama cromosoma. Las células pueden copiarse a sí mismas para crear dos nuevas células.

Hay dos tipos principales de células: procariotas y eucariotas. Las células procariotas sólo tienen unas pocas partes. Su ADN tiene la forma de un círculo, dentro del citoplasma, y no tienen membranas dentro de la célula. Las células eucariotas son más complejas y tienen un núcleo celular. El ADN está dentro del núcleo y una membrana rodea el núcleo. Las células eucariotas también tienen otras partes, llamadas orgánulos. Algunos de estos otros orgánulos también tienen membranas.

La taxonomía es la forma en que las formas de vida se clasifican en grupos. Los grupos más pequeños están más estrechamente relacionados, pero las clases más grandes están más distanciadas. Los niveles, o rangos, de la taxonomía son dominio, reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. Hay muchas ideas sobre el significado de las especies. Una idea, denominada concepto de especie biológica, es la siguiente. Una especie es un grupo de seres vivos que pueden aparearse entre sí y cuyos hijos pueden hacer sus propios hijos.

La taxonomía pretende agrupar a los seres vivos con un ancestro común. Esto puede hacerse ahora comparando su ADN. Originalmente, se hacía comparando su anatomía.

Los tres dominios de la vida son las bacterias, las arqueas y los eucariotas. Las bacterias y las arqueas son procariotas y tienen una sola célula. El tamaño de las bacterias oscila entre 0,15 micrómetros cúbicos (Mycoplasma) y 200.000.000 micrómetros cúbicos (Thiomargarita namibiensis). Las bacterias tienen formas que resultan útiles para su clasificación, como la redonda, la larga y fina y la espiral. Algunas bacterias causan enfermedades. Las bacterias de nuestros intestinos forman parte de nuestra flora intestinal. Descomponen parte de nuestros alimentos. Tanto las bacterias como las arqueas pueden vivir donde no pueden hacerlo formas de vida más grandes. Las bacterias tienen una molécula llamada peptidoglicano en su pared celular, pero las arqueas no. Las arqueas tienen una molécula llamada isopreno en su membrana celular, pero las bacterias no.

Los eucariotas son seres vivos con células eucariotas y pueden tener una o muchas células. La mayoría de los eucariotas utilizan la reproducción sexual para hacer nuevas copias de sí mismos. En la reproducción sexual, dos células sexuales, una de cada progenitor, se unen para hacer un nuevo ser vivo.

Las plantas son eucariotas que utilizan la luz del Sol para obtener energía. Incluyen las algas, que viven en el agua, y las plantas terrestres. Todas las plantas terrestres tienen dos formas durante su ciclo vital, lo que se denomina alternancia de generaciones. Una forma es diploide, en la que las células tienen dos copias de sus cromosomas, y la otra forma es haploide, en la que las células tienen una copia de sus cromosomas. En las plantas terrestres, tanto las formas diploides como las haploides tienen muchas células. Dos tipos de plantas terrestres son las plantas vasculares y las briofitas. Las plantas vasculares tienen largos tejidos que se extienden de extremo a extremo de la planta. Estos tejidos transportan agua y alimentos. La mayoría de las plantas tienen raíces y hojas.

Los animales son eucariotas con muchas células, que no tienen paredes celulares rígidas. Todos los animales son consumidores: sobreviven comiendo otra materia orgánica. Casi todos los animales tienen neuronas, un sistema de señalización. Suelen tener músculos, que hacen que el cuerpo se mueva. Muchos animales tienen cabeza y patas. La mayoría de los animales son machos o hembras. Necesitan una pareja del sexo opuesto para tener descendencia. Las células sexuales del macho y de la hembra pueden encontrarse dentro o fuera del cuerpo.

Los hongos son eucariotas que pueden tener una célula, como las levaduras, o muchas células, como los hongos. Son saprófitos. Los hongos descomponen la materia viva o muerta, por lo que son descomponedores. Sólo los hongos, y unas pocas bacterias, pueden descomponer la lignina y la celulosa, dos partes de la madera. Algunos hongos son micorrizas. Viven bajo tierra y aportan nutrientes a las plantas, como el nitrógeno y el fósforo. Los eucariotas que no son plantas, animales ni hongos se llaman protistas. La mayoría de los protistas viven en el agua.

A lo largo de miles o millones de años, los seres vivos pueden cambiar, a través del proceso de evolución. Un tipo de evolución se produce cuando una especie cambia con el tiempo, como cuando a las jirafas les crece el cuello. La mayoría de las veces, la especie porque se adapta mejor a su entorno, un proceso llamado adaptación. La evolución también puede hacer que un grupo de seres vivos se divida en dos grupos. A esto se le llama especiación si da lugar a una nueva especie. Un ejemplo son los sinsontes de las Islas Galápagos: una especie de sinsonte vive en cada isla, pero todas las especies se dividieron a partir de una especie ancestral compartida. Los grupos que son más grandes que las especies también pueden dividirse a partir de un ancestro compartido; por ejemplo, los reptiles y los mamíferos. Un grupo de seres vivos y su ancestro compartido se llama clado.

Los seres vivos pueden evolucionar hasta ser muy diferentes de sus ancestros. Por ello, algunas partes del cuerpo también pueden cambiar. La misma estructura ósea se convirtió en las manos de los humanos, los cascos de los caballos y las alas de las aves. Las partes del cuerpo que evolucionaron a partir de lo mismo se denominan homólogas.

La extinción se produce cuando todos los miembros de una especie mueren. Aproximadamente el 99,9% de todas las especies que han existido se han extinguido. La extinción puede ocurrir en cualquier momento, pero es más común en ciertos periodos de tiempo llamados eventos de extinción. El más reciente fue hace 65 millones de años, cuando se extinguieron los dinosaurios.

El origen de la vida

Al comparar los fósiles y el ADN, sabemos que toda la vida actual en la Tierra tuvo un ancestro compartido, llamado último ancestro común universal (LUCA). Otros seres vivos pueden haber estado vivos al mismo tiempo que el LUCA, pero se extinguieron. Un estudio de 2018 sugiere que el LUCA tiene unos 4.500 millones (4.500.000.000) de años, casi tanto como la Tierra. Las pruebas fósiles más antiguas de vida tienen unos 3.500 millones de años.

¿Cómo se convirtió la materia no viva en viva? Esta es una pregunta difícil. El primer paso debió ser la creación de compuestos orgánicos. En 1953, el experimento de Miller-Urey convirtió compuestos inorgánicos en compuestos orgánicos, como los aminoácidos, utilizando calor y energía.

La vida necesita una fuente de energía para las reacciones químicas. En la Tierra primitiva, la atmósfera no tenía oxígeno. La oxidación mediante el ciclo de Krebs, habitual hoy en día, no era posible. Es posible que el ciclo de Krebs actuara al revés, realizando la reducción en lugar de la oxidación, y que el ciclo creara moléculas más grandes. Para crear vida, las moléculas necesitaban hacer copias de sí mismas. El ADN y el ARN hacen copias de sí mismos, pero sólo si hay un catalizador, un compuesto que acelere la reacción química. Una conjetura es que el propio ARN sirvió de catalizador. En algún momento, las moléculas se rodearon de membranas, lo que dio lugar a las células.

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