Las primeras formas de vida sobre la tierra

Las primeras formas de vida sobre la tierra deben haber obtenido sus materias primas y energía de moléculas orgánicas simples disueltas en su ambiente acuoso. Estas moléculas orgánicas tuvieron que formarse por medios abióticos, o sea como resultado de reacciones químicas no biológicas que ocurrieron en los océanos primitivos. Por tanto, justo como los seres humanos sobreviven con los nutrimentos que toman de su ambiente, del mismo modo debieron ser las formas de vida originales. Los organismos que dependían de una fuente externa de compuestos orgánicos se llamaron heterótrofos.

El número de organismos heterótrofos que vivió en la tierra primitiva debió ser muy limitado porque la producción espontánea de moléculas orgánicas es muy lenta. La evolución de la vida en el planeta recibió un impulso tremendo con la aparición de organismos que empleaban una nueva estrategia metabólica. A diferencia de sus predecesores, estos organismos podían fabricar sus propios nutrimentos orgánicos a partir de tipos mas sencillos de moléculas inorgánicas, como el dióxido de carbono (CO₂) y el sulfuro de hidrogeno (H₂S). Los organismos capaces de sobrevivir con CO₂ como su principal fuente de carbono se denominaban autótrofos.

La manufactura de moléculas orgánicas complejas a partir de CO₂ demanda grandes cantidades de energía. En el curso de la evolución surgieron dos tipos principales de autótrofos que se distinguen por su fuente de energía. Los quimioautótrofos utilizan la energía almacenada en moléculas inorgánicas para convertir el CO₂ en compuestos orgánicos, mientras que los fotoautótrofos emplean la energía radiante del sol para obtener el mismo resultado. Como todos los quimioautotrofos son procariotas y su contribución relativa a la formación de la biomasa en la tierra es pequeña, sus actividades metabólicas no se consideran más. Por otro lado, los fotoautótrofos son los encargados de capturar la energía que impulsa las actividades de la mayor parte de los organismos de la tierra. El grupo de fotoautótrofos incluye plantas y algas eucariotas, varios protistas flagelados y miembros de varios grupos de procariotas. Todos estos organismos realizan fotosíntesis, un proceso en el que la energía de la luz solar se transforma en energía química que se almacena en carbohidratos y otras moléculas orgánicas.

Durante la fotosíntesis se retiran electrones con relativamente baja energía de un compuesto donador y se convierten en electrones de alta energía con la energía absorbida de la luz. Estos electrones de alta energía se emplean después en la síntesis de moléculas biológicas reducidas, como almidón y aceites. Es probable que los primeros grupos de fotoautótrofos que pudieron haber dominado a la tierra durante dos mil millones de años, utilizaran sulfuro de hidrógeno como su fuente de electrones para la fotosíntesis.

Hace 2700 millones de años apareció en la tierra un nuevo tipo de procariota fotosintético que podía utilizar una fuente mucho mas abundante de electrones, el agua. El uso del agua no solo permitió a estos organismos, llamados cianobacterias, explotar una variedad mucho más amplia de hábitat en el planeta, también produjo un compuesto de desecho como consecuencias enormes para todas las formas de vida. El producto de desecho era oxigeno molecular (O₂). El cambio de H₂O en H₂O como fuente de electrones para la fotosíntesis requirió una revisión de la maquinaria fotosintética.

En algún punto de la evolución una de estas cianobacterias ancestrales productoras de oxigeno se alojo dentro de una célula procariota no fotosintética que contenía mitocondrias. Con el tiempo las cianobacterias simbióticas se transformaron de organismos separados que vivieran dentro de una célula huésped en un organelo citoplásmico, el cloroplasto. Conforme el cloroplasto evoluciono, la mayor parte de los genes que al principio estaban presentes en la cianobacteria simbiótica se perdió o se traslado al núcleo de la célula vegetal. Como resultado los polipéptidos que se encuentran en los cloroplastos de las plantas actuales se codifican en los genomas del núcleo y del cloroplasto. Los extensos análisis de los genomas del cloroplasto sugieren que todos los cloroplastos modernos surgieron de una relación simbiótica ancestral única. Como resultado de su ancestro común, los cloroplastos y las cianobacterias comparten muchas características básicas, inclusive una maquinaria fotosintética similar.