jueves, 3 de mayo de 2012

El medio está cambiando continuamente

 Desde el origen de los tiempos las condiciones abióticas han ido cambiando constantemente y la Vida surgió a partir de los compuestos que había. Desde entonces ha ido ajustándose a las condiciones de cada momento y lugar, teniendo como resultado la biodiversidad conocida, que es una consecuencia de la historia de la diversificación de la Vida. Para comprenderla e interpretarla desde el punto de vista de la morfología hay que considerar dos aspectos muy importantes, el tiempo y el espacio.

Si nos situamos en un lugar concreto y permanecemos allí mucho tiempo, por ejemplo un millón de años, nos daremos cuenta que las condiciones bióticas y abióticas van cambiando lentamente. En segundo lugar, si en vez de permanecer en el mismo sitio nos vamos desplazando en cualquier dirección, las condiciones también van cambiando mas o menos lentamente según los casos.
Pero ambos factores son muy diferentes para los distintos seres vivos. Todo el mundo repite que un año de vida en un perro equivale a 7 años en una persona, por lo que un perro de 10 años es ya un tanto mayor. Igualmente nos podemos preguntar, ¿cuánta diferencia hay entre nuestra especie y un organismo unicelular que se divida por fisión binaria, como una bacteria por ejemplo? Si se acepta que la bacteria puede dividirse cada media hora, en dos días se pueden conocer 96 generaciones. En nuestra especie, con un tiempo de generación de 20 años, para tener las mismas generaciones harían falta 1920 años. Para tener una idea de lo que eso significa, basta pensar que en el año 92 (= 2012 - 1920) España estaba habitada por los romanos en su mayor parte y ciudades como Mérida, Lugo, Zaragoza o Tarragona eran de las mas importantes de la península Ibérica en aquel momento.
Las ideas de tiempo y espacio, tal como las concebimos, surgen por primera vez inmediatamente después del Big Bang. El tiempo, como el transcurrido desde el momento de la explosión y el espacio como la distancia de una partícula al punto de origen. Otros conceptos de interés que aparecen simultáneamente son: velocidad, que ha permitido a una partícula llegar a donde se encontre en el tiempo transcurrido; temperatura, que disminuye a medida que se aleja del punto inicial como generador de calor, etc. Desde aquel instante, entre dos puntos del espacio hay diferencias de temperatura, de presión, de tiempo y en definitiva, de energía. Ellas son las responsables, en última instancia, del dinamismo que afecta a todas las partículas materiales.

 

Tiempo: fusión

Como consecuencia de la explosión inicial, unos segundos después se encuentran multitud de partículas elementales, como electrones, neutrinos, fotones, neutrones y protones, libres en el espacio. Entre ellas se dan colisiones de modo constante, debido al movimiento caótico de cada una de ellas, a la energía que poseen y a la temperatura. En definitiva, debido a las condiciones del medio.
Cuando el resultado de esas colisiones es una organización estable, se conserva durante cierto tiempo y, como consecuencia, cambia la composición del medio. Al proceso se le denomina fusión. Así se cree que se inició el proceso de nucleosíntesis o formación de los núcleos de los futuros átomos, inmediatamente después de la gran explosión.
La fusión más sencilla es la de un protón con un neutrón y así se obtiene el deuterio. A medida que siguen dándose colisiones, aumenta la cantidad de deuterio y, por lo tanto, disminuye la de protones y neutrones libres. Pero en las nuevas colisiones también participa el deuterio como partícula y así se forma, por ejemplo, el núcleo de helio con dos protones y dos neutrones. Mientras tanto, las partículas se van alejando del centro de la explosión y la temperatura sigue disminuyendo, es decir, la composición y las condiciones del medio siguen cambiando.
Se calcula que media hora después de la explosión inicial había ya una cuarta parte de núcleos de helio y tres cuartas partes de núcleos de hidrógeno, junto a pequeñas cantidades de otros isótopos. Sin embargo parece ser que hicieron falta entre 300.000 y 400.000 años para que las condiciones del medio permitieran a los núcleos de los átomos y a los electrones libres, formar partículas estables más complejas. La fusión estable entre estas partículas supuso la formación de los primeros átomos de hidrógeno y helio. Más tarde, nuevas fusiones permitieron la formación de otros elementos como el carbono, nitrógeno, etc.

 

Tiempo: fisión

Durante un tiempo en la historia, el resultado de las colisiones entre partículas era la fusión de las mismas cuando la unión era estable, o se volvían a separar sin que ocurriera nada destacable, si no se daba la estabilidad necesaria. Así se fueron formando partículas cada vez más complejas y cuando se alcanzó suficiente grado de complejidad apareció una nueva posibilidad de cambio, que es la fisión o rotura. Ésta consiste en la rotura del núcleo en varios núcleos (no tienen por que ser dos necesariamente) y algunos otros productos como neutrones libres, fotones y energía. Los núcleos atómicos resultantes de una fisión pueden ser varios elementos químicos, si bien lo más probable es encontrar los que tienen la mitad de protones y neutrones que el átomo original. De hecho, la fisión nuclear es el método utilizado en las centrales nucleares para obtener energía. Se trata de romper un átomo pesado como el del uranio o el plutonio, para lo que se bombardea con neutrones. Cuando se logra la primera fisión se producen dos átomos diferentes, más ligeros y dos o tres neutrones que vuelven a chocar contra otros átomos y repiten el proceso.
Todo lo descrito son procesos que ocurren de modo habitual en la naturaleza y son los responsables de que hayamos encontrado el mundo como nos lo encontramos. Es decir, somos o estamos en un momento de la historia del Cosmos. Es evidente que en el tiempo transcurrido desde la explosión inicial ha habido tiempo y condiciones para que se formara lo que se ha formado y no se han encontrado partículas más complejas porque no han tenido tiempo para formarse o porque son muy inestables y no se conservan el tiempo suficiente para ser detectadas.
El aumento gradual de la complejidad de las partículas permitió que en 1870, Mendeleiev y Lothar Meyer, por separado, organizaran la tabla periódica de los elementos químicos que todavía sigue ampliándose. En la actualidad consta de 118 elementos de los que algo más de 25 son sintéticos, es decir que no se han encontrado en la naturaleza. Entre los más complejos se pueden citar elementos como, el ununbio o el roentgenio, que se incluyó en la tabla periódica en el año 2004. Todos ellos son elementos muy pesados con un periodo medio de vida que va desde unos pocos minutos hasta menos de un segundo.

 

Fusión y fisión: posibilidades teóricas

Figura 1. Diferentes posibilidades cuando chocan dos partículas.
La fusión y la fisión son procesos que, en la historia del Cosmos, vuelven a suceder entre los primeros seres vivos, cuando están formados por una sola célula y más tarde entre los seres pluricelulares. Se trata, por tanto, de procesos generales que se repiten con diferentes grados de complejidad.
Podemos valorar su influencia en los cambios del medio con un caso sencillo, que nos permita considerar todas las posibilidades teóricas. En la figura 1 se representan las situaciones que pueden darse cuando se encuentran dos partículas, que se han dibujado como círculos de diferente tamaño y color.

 

a) Chocan y se vuelven a separar.

a-1. Chocan y se separan de inmediato.
No hay ninguna modificación, es como el choque entre dos bolas en el billar.
a-2. Están unidas cierto tiempo.
La unión no es muy estable y terminan por separarse. No hay modificación.
a-3. Chocan con cierta energía.
Si es suficiente, una de ellas se rompe y descompone en partículas más pequeñas, imprevisibles.

 

b) Chocan y se da una fusión estable

b-1 y b-2. Pérdida de la independencia de una de ellas.
Puede ocurrir entre partículas inanimadas y entre partículas animadas o elementos celulares. En el primer caso explica la aparición de elementos o moléculas químicas más complejas a medida que va pasando el tiempo. Por ejemplo la formación NaCl, (cloruro sódico) con propiedades distintas a las de cualquiera de los componentes. En el segundo, el resultado se parece más a una digestión, como se aprecia por ejemplo en la ciclosis de un protozoo. En ambos casos hay incremento de masa en la forma resultante.

 

c) Chocan y se fusionan manteniendo la independencia o "individualidad" cierto tiempo.

c-1. El conjunto se mantiene estable poco tiempo, al cabo del cual desaparece la menor.
Es un caso muy parecido a b-1 y b-2 en los que el tiempo no supone ninguna modificación cualitativa. Por tanto puede ser un caso de fusión o de digestión,
c-2) El conjunto se mantiene estable durante más tiempo, al cabo del cual desaparece la mayor.
Si se trata de partículas inanimadas es equivalente a una fisión y los elementos resultantes ser variados, como en a-3. Si se trata de elementos celulares, queda liberada la menor, que en vez de incrementar su biomasa personal, lo que hace es aumentar el numero de copias semejantes a ella. Es lo que ocurre en una infestación vírica, microbiana o un caso de parasitismo por ejemplo. En este último caso la partícula mayor puede desaparecer o no, según las relaciones que mantengan entre ambos.
c-3) El conjunto se mantiene estable mucho más tiempo y no desaparece ninguno de los "sumandos".
La forma resultante no es ninguna de las iniciales sino algo nuevo, cualitativamente diferente. Si son partículas inanimadas se forma un compuesto nuevo, como en b-1 y b-2. Si son partículas vivas se trata de una simbiosis, originando un organismo totalmente distinto a los que lo componen, por ejemplo un liquen que no es ni el alga ni el hongo que lo constituyen, sino algo diferente.

 

Modificación del medio

Desde el principio de los tiempos, como consecuencia de las fusiones y fisiones entre partículas, fueron cambiando las cantidades disponibles de cada una de ellas, es decir, se daba un cambio en las proporciones de las partículas presentes en cada momento, por tanto del medio ambiente. Para comprender y valorar la importancia de ese cambio del medio vamos a realizar un cálculo sencillo.
Imaginemos una bolsa con igual número de bolas grandes y pequeñas y que al combinarlas de dos en dos, se dan todas las posibilidades señaladas en la figura 1 con idéntica probabilidad. Iniciamos el ejercicio con 80 bolas de cada tipo, que llamaremos g (grandes) y p (pequeñas).
En el cuadro 1 se muestran los valores numéricos y está organizado de la siguiente manera:
Hay tres filas. En la superior se indica el caso de la figura 1 en que nos encontramos. En la central está el numero resultante de partículas grandes después de la modificación correspondiente. Por último en la fila inferior está el número resultante de partículas pequeñas después de la modificación correspondiente. En cuanto a las columnas, la primera indica la situación inicial con 80 bolas de cada uno de los dos tamaños. Las que siguen, señaladas con letras desde a1 hasta la c3, representan las situaciones indicadas con esas letras en la figura 1. La última representa el estadio final, con el número de partículas resultantes de cada tipo. Son 8 los casos considerados y como todos tienen la misma probabilidad, participan 10 partículas en cada uno.
El modo de interpretarlo es muy sencillo. Por ejemplo, la columna c1 equivale a una fusión con desaparición de la p, por tanto el resultado 10 en la fila de las grandes (g) y 0 en la de las pequeñas (p). Las casillas con asterisco (*) indican que el resultado no es ninguna de las partículas conocidas inicialmente, grandes o pequeñas, sino algo completamente nuevo.
Cuadro 1
En la composición del medio ambiente inicial había 80g y 80p entre las que se daban todo tipo de fusiones y fisiones. Sin embargo, el medio ambiente final tienen 40g y 60p, más 10s nuevas, resultantes de la simbiosis y n nuevas resultantes de la fragmentación en a3. Es evidente que ha habido un cambio en los elementos que constituían el medio inicial y que, al cabo de un tiempo, el medio es diferente. En consecuencia, a medida que va pasando el tiempo va cambiando la composición del medio ambiente, en el Cosmos y en cualquier lugar concreto de él.
También es evidente que a medida que sigan ocurriendo fusiones y fisiones entre partículas, los cambios en la composición del medio tendrán una amplitud cada vez mayor.
De todo lo anterior se pueden obtener varias deducciones interesantes:
a) Las partículas iniciales eran las más sencillas y a partir de ellas se fueron formando otras más complejas. El primer proceso básico para esta transformación fue la fusión y más tarde la fisión.
b) En una sustancia densa, los choques entre partículas son inevitables. Cuando la forma resultante es estable se conserva durante mas tiempo que si es inestable, en cuyo caso desaparece de nuevo.
c) Como consecuencia de estos procesos va cambiando la composición del medio. Esto hace que, también de modo continuo, las nuevas partículas se encuentren en nuevas condiciones que amplían sus posibles reacciones. Y todos estos cambios se suceden en una especie de espiral imparable.
d) De este modo, con tiempo suficiente, las formas estables dan lugar a otras más complejas pero también estables, mientras que las inestables desaparecen y vuelven a la situación anterior. Por estas razones cabe pensar que las formas resultantes no son debidas al azar (1), sino que son fruto de la estabilidad. Si se entiende por azar igualdad de oportunidades para cualquier forma, es evidente que las formas más estables tienen más posibilidades de futuro que la más inestables, por lo que no se da nunca esa igualdad de oportunidades. Por ejemplo, el carbono gracias a su estabilidad y flexibilidad se combinó rápidamente con hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre, y generó tal cantidad de sustancias que entre todos forman la mayor parte de las moléculas de la vida y suponen el 99% del peso seco de cualquier ser vivo.
e) Siempre que se disponga de tiempo y estabilidad suficientes se puede obtener cualquiera de las partículas conocidas. Un buen ejemplo se puede ver en la tabla periódica de los elementos químicos. Los primeros elementos son los más estables y los que más participan en la formación de moléculas. Otros no se han encontrado nunca en la naturaleza, bien porque no han tenido tiempo, o bien por ser muy inestables y no poder persistir mucho tiempo. Eso ha permitido al hombre sintetizar a algunos de ellos, como es el caso de todos los que van desde el 93 al 118, con alguno otro intercalado como el tecnecio (43) y el Prometio (61).

(1). Si se entiende por azar igualdad de oportunidades para cualquier forma. Es evidente que las formas más estables tienen más posibilidades de futuro que la más inestables, por lo que no se da nunca esa igualdad de oportunidades.

El espacio y las posibilidades de combinación

Figura 2. Algunas combinaciones con dos tipos de azulejos



En la estabilidad de un compuesto es importante el lugar relativo que ocupan cada uno de sus elementos, en definitiva, su situación en el espacio. Del mismo modo que con un paquete de ladrillos podemos hacer varias construcciones con distinta forma, resistencia, etc. en definitiva, diferentes propiedades, con los mismos elementos químicos también se pueden obtener moléculas con propiedades diferentes. Por ejemplo, el grafito y el diamante tienen la misma composición, solo carbono, pero cambia la posición relativa de los átomos. El grafito sirve para hacer puntas de lápiz y es deleznable mientras que el diamante es el elemento con mayor dureza, capaz de rayar a cualquier otro material, aparte de su valor como joya si está bien tratado.
Para quienes no estén muy familiarizados con la química o simplemente para enseñar esto mismo de un modo sencillo y fácil de ver, se pueden considerar las posibilidades de combinación del carbono con el hidrógeno si sustituimos al primero por un cuadrado con un dibujo y al segundo por un rectángulo con otro dibujo, como si se tratara de azulejos. En la figura 2 se muestran varias combinaciones entre ellos utilizando siempre igual número de ambos y se invita al lector a que busque otras nuevas.

Importancia de las condiciones del medio

Es evidente que en la forma de organizarse los átomos de un compuesto influyen poderosamente las condiciones del medio, Por ejemplo, el cianato amónico y la urea tienen la misma fórmula en cuanto a los elementos químicos que la forman y sus cantidades respectivas, pero cambia su ordenación dentro de la molécula:

Un cambio, como aumentar la temperatura, hace que el cianato amónico se transforme en urea. Lo descubrió Wöhler en 1828 de modo mas bien accidental, cuando estaba calentado el primero para obtenerlo cristalizado y en vez de eso, se le transformó en urea. Ese hecho terminó con la idea dominante en la época de que ninguno de los productos orgánicos se podía obtener en el laboratorio porque eran obra exclusiva de los seres vivos. Y terminó también con la separación de la Química en orgánica e inorgánica. Desde entonces ya no se aceptó que los productos orgánicos no se pudieran sintetizar en el laboratorio y de hecho, en la actualidad, son mayoría los compuestos de carbono obtenidos por síntesis y que no existen en la naturaleza (importancia del factor tiempo).
Otros ejemplos pueden ser los Miller y Urey que en 1953 repitieron la atmósfera primitiva (amoníaco, vapor de agua, metano e hidrógeno) y la sometieron a descargas eléctricas durante una semana. Al término del experimento encontraron en los recipientes alanina, glicina y otras sustancias orgánicas. Desde entonces se han obtenido casi todos los componentes de las moléculas complejas. Pero los que se forman con más facilidad son los cuatro aminoácidos más abundantes en las proteínas de todo organismo (nuevo ejemplo de que las combinaciones o por lo menos las resultantes de las combinaciones no son debidas al azar). También se ha logrado ATP (molécula que almacena energía) y todas las partes necesarias para obtener ADN y ARN. Incluso Orgel ha encontrado una molécula con 50 nucleótidos que se formó espontáneamente a partir de compuestos sencillos de carbono. Por último, Eigen en el instituto Max Planck de Göttingen ha obtenido moléculas de ARN cortas, que se han autorreplicado en ausencia total de células vivas.

 

A modo de conclusión

El tiempo y el espacio modifican las condiciones del medio y éste influye en los elementos y en los organismos que hay en ese momento y en ese lugar, constituyendo una fuerza importante para valorar la evolución de cualquier organismo. La sucesión de cambios, basados cada uno en la situación anterior, constituye la historia del Cosmos, de la Tierra, de la Vida, de los Cordados, etc. y ayuda a comprender la biodiversidad conocida.

 

Agradecimiento

Al Dr. José Ramón Bergueiro, por la lectura comentada del artículo


Para saber (glosario de términos)

 
Azar
Ciclosis
Espacio
Fisión
Fusión
Infestación
Liquen
Nucleosíntesis
Simbiosis

Tabla Periódica
Temperatura
Tiempo
Velocidad


Para ver

9,47' Sobre el origen del Cosmos



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