objetivos de aprendizaje

1. diferenciar entre bacterias, arqueas y eukarya.
2. dibuja las relaciones filogenéticas entre bacterias, arqueas y eukarya.
3. Identificar formas en que las arqueas y las bacterias obtienen energía y carbono.
4. explicar la evidencia fósil, química y genética de eventos clave para la evolución de los tres dominios de la vida (bacterias, archaea, eukarya)
5. explicar por qué el florecimiento de las cianobacterias llevó a la oxigenación de la atmósfera.,
6. Lugar la evolución de los tres dominios de la vida en la escala de tiempo geológico.
7. describir la importancia de los procariotas (bacterias y arqueas) con respecto a la salud humana y los procesos ambientales.

tres dominios de la vida en la Tierra

Las comparaciones de secuencias de ADN y las comparaciones estructurales y bioquímicas categorizan consistentemente todos los organismos vivos en 3 dominios primarios: bacterias, arqueas y Eukarya (también llamados eucariotas; estos Términos se pueden usar indistintamente)., Tanto las bacterias como las arqueas son procariotas, microorganismos unicelulares sin núcleos, y Eukarya nos incluye a nosotros y a todos los demás animales, plantas, hongos y protistas unicelulares, todos organismos cuyas células tienen núcleos para encerrar su ADN aparte del resto de la célula. El registro fósil indica que los primeros organismos vivos fueron procariotas (bacterias y arqueas), y los eucariotas surgieron mil millones de años después.

Consejo de estudio: se sugiere que cree un gráfico para comparar y contrastar los tres dominios de la vida mientras lee.,

la siguiente información fue adaptada de OpenStax Biology 22.2

las arqueas y las bacterias comparten una serie de características, pero también son dominios distintos de la vida:

• tanto las arqueas como las bacterias son organismos unicelulares. De esta manera son diferentes de los eucariotas, que incluyen organismos unicelulares y multicelulares
• Archaea y las células bacterianas carecen de orgánulos u otras estructuras internas unidas a la membrana., Por lo tanto, a diferencia de los eucariotas, las arqueas y las bacterias no tienen un núcleo que separe su material genético del resto de la célula.
• las arqueas y las bacterias generalmente tienen un solo cromosoma circular, un trozo de ADN circular de doble cadena ubicado en un área de la célula llamada nucleoide. En contraste, muchos eucariotas tienen múltiples cromosomas lineales.
• las arqueas y las bacterias se reproducen a través de la fisión, un proceso en el que una célula individual reproduce su cromosoma único y se divide en dos., Los eucariotas se reproducen a través de la mitosis, que incluye pasos adicionales para replicar y dividir correctamente múltiples cromosomas entre dos células hijas. Muchos eucariotas también se reproducen sexualmente, donde un proceso llamado meiosis reduce el número de cromosomas a la mitad para producir células haploides (típicamente llamadas espermatozoides u óvulos), y luego dos células haploides se fusionan para crear un nuevo organismo. Las arqueas y las bacterias no pueden reproducirse sexualmente.,
• casi todos los procariotas tienen una pared celular, una estructura protectora que les permite sobrevivir en condiciones extremas, que se encuentra fuera de su membrana plasmática. En contraste, algunos eucariotas tienen paredes celulares, mientras que otros no. La composición de la pared celular difiere significativamente entre los dominios Bacteria y Archaea. Las paredes celulares bacterianas están compuestas de peptidoglicano, un complejo de proteínas y azúcares, mientras que las paredes celulares arqueales están compuestas de polisacáridos (azúcares)., La composición de sus paredes celulares también difiere de las paredes celulares eucariotas que se encuentran en las plantas (celulosa) u hongos e insectos (quitina). Algunas bacterias tienen una cápsula externa fuera de la pared celular.
• otras estructuras están presentes en algunas especies procariotas, pero no en otras. Por ejemplo:
  • La cápsula que se encuentra en algunas especies permite que el organismo se adhiera a las superficies, lo protege de la deshidratación y el ataque de las células fagocíticas, y hace que los patógenos sean más resistentes a nuestras respuestas inmunitarias.,
  • Algunas especies también tienen flagelos (singular, flagellum) utilizados para la locomoción, y pili (singular, pilus) utilizado para la fijación a las superficies.
  • Los plásmidos, que consisten en ADN extra-cromosómico, también están presentes en muchas especies de bacterias y arqueas.
• Los procariotas, especialmente las arqueas, pueden sobrevivir en entornos extremos que son inhóspitos para la mayoría de los seres vivos.

diversidad metabólica de procariotas

la siguiente información fue adaptada de OpenStax Biology 22.3

los procariotas han sido y son capaces de vivir en todos los entornos mediante el uso de cualquier fuente de energía y carbono disponible. Los procariotas llenan muchos nichos en la Tierra, incluyendo estar involucrados en ciclos de nutrientes como los ciclos de nitrógeno y carbono, descomponiendo organismos muertos y prosperando dentro de organismos vivos, incluidos los humanos., La amplia gama de ambientes que ocupan los procariotas es posible porque tienen diversos procesos metabólicos. Los fotótrofos (u organismos fototróficos) obtienen su energía de la luz solar. Los quimiotrofos (u organismos quimiosintéticos) obtienen su energía de compuestos químicos.

los procariotas no solo pueden usar diferentes fuentes de energía, sino también diferentes fuentes de compuestos de carbono. Recordemos que los organismos que son capaces de fijar carbono inorgánico (por ejemplo, dióxido de carbono) en carbono orgánico (por ejemplo, glucosa) se llaman autótrofos., En contraste, los heterótrofos deben obtener carbono de compuestos orgánicos. Los términos que describen cómo los procariotas obtienen energía y carbono se pueden combinar. Por lo tanto, los fotoautótrofos usan energía de la luz solar, y carbono del dióxido de carbono y el agua, mientras que los quimioheterótrofos obtienen energía y carbono de una fuente química orgánica. Los quimioautótrofos obtienen su energía de compuestos inorgánicos, y construyen sus moléculas complejas a partir de dióxido de carbono. Finalmente, los fotoheterótrofos utilizan la luz como fuente de energía, pero requieren una fuente de carbono orgánico (no pueden fijar el dióxido de carbono en carbono orgánico)., En contraste con la gran diversidad metabólica de procariotas, los eucariotas son solo fotoautótrofos (plantas y algunos protistas) o quimioheterótrofos (animales, hongos y algunos protistas). En el cuadro que figura a continuación se resumen las fuentes de carbono y energía en procariotas.,d=»36c0e46128″>

relaciones filogenéticas entre arqueas, bacterias y Eukarya

mientras que el término procariota («before-Nucleus») es ampliamente utilizado para describir tanto arqueas como bacterias, se puede ver en el árbol filogenético de la vida a continuación que este término no describe un grupo monofilético:

de hecho, Archaea y Eukarya forman un grupo monofilético, No Archaea y bacterias. Estas relaciones indican que las arqueas están más estrechamente relacionadas con los eucariotas que con las bacterias, aunque superficialmente las arqueas parecen ser mucho más similares a las bacterias que los eucariotas.,

eventos clave y evidencia en la evolución de los tres dominios de la vida en la Tierra

vida temprana en la Tierra: la Tierra tiene aproximadamente 4.6 mil millones de años de edad según la datación radiométrica. Si bien es formalmente posible que la vida surgió durante el Eón Hadeano, las condiciones pueden no haber sido lo suficientemente estables en el planeta como para sostener la vida porque se pensaba que un gran número de asteroides habían colisionado con el planeta durante el final del Eón Hadeano y el comienzo de los eones arqueos. La evidencia de microfósiles (literalmente «fósiles microscópicos») sugiere que la vida estaba presente en la Tierra al menos 3.,8 mil millones de años. La evidencia química más temprana de vida, en forma de firmas químicas producidas solo por organismos vivos, data de hace aproximadamente 3.6 mil millones de años. ¿Cómo eran estas primeras formas de vida? Durante los primeros mil millones de años de existencia de la Tierra, la atmósfera era anóxica, lo que significa que no había oxígeno molecular (O2). Así, los primeros seres vivos fueron unicelulares, anaerobios procarióticos (que viven sin oxígeno) y probablemente quimiotróficos.,

The Oxygen Revolution: the evolution of water-splitting and oxygen-generating photosynthesis by cyanobacteria led to the first free molecular oxygen about 2.6 billion years ago. El oxígeno libre producido por las cianobacterias reaccionó inmediatamente con hierro soluble en los océanos, causando que el óxido de hierro (óxido) se precipitara fuera de los océanos. El oxígeno no se acumuló todo a la vez, y la evidencia indica que los océanos no se oxigenaron completamente hasta hace 850 millones de años (Mai)., Hoy vemos evidencia de la lenta acumulación de oxígeno en la atmósfera a través de formaciones de hierro en bandas presentes en rocas sedimentarias de ese período.

el aumento del oxígeno, llamado «La Revolución del oxígeno», permitió la evolución de cuerpos y órganos y tejidos más grandes, como los cerebros, con altas tasas metabólicas. El aumento del oxígeno es un ejemplo dramático de cómo la vida puede alterar el planeta., La evolución de la fotosíntesis oxigénica cambió la atmósfera del planeta durante miles de millones de años, y a su vez causó cambios radicales en la Biosfera: de un entorno anóxico poblado por procariotas unicelulares anaeróbicos, a eucariotas que viven en un entorno microaerofílico (bajo en oxígeno), a organismos multicelulares en un entorno rico en oxígeno., El siguiente video proporciona una visión general de la Revolución del oxígeno (también conocida como la catástrofe del oxígeno), incluidos sus efectos perjudiciales sobre los organismos que vivían en ese momento:

orígenes de los eucariotas: ¿cómo surgieron los eucariotas? La hipótesis principal, llamada teoría endosimbiótica, es que los eucariotas surgieron como resultado de una fusión de células arqueas con bacterias, donde una antigua arquea envolvió (pero no comió) una antigua célula bacteriana aeróbica., La célula bacteriana engullida (endosimbiada) permaneció dentro de la célula arquea en lo que pudo haber sido una relación mutualista: la bacteria engullida permitió a la célula arquea huésped usar oxígeno para liberar energía almacenada en nutrientes, y la célula huésped protegió a la célula bacteriana de los depredadores. La evidencia microfósil sugiere que los eucariotas surgieron en algún momento entre 1,6 y 2,2 mil millones de años atrás. Los descendientes de esta antigua célula engullida están presentes en todas las células eucariotas hoy en día como mitocondrias. Discutiremos la teoría endosimbiótica para el origen de los eucariotas más en la siguiente lectura.,

formas de vida complejas: gran parte de la vida en la Tierra fue unicelular hasta poco antes de la «explosión» cámbrica, cuando vemos la aparición de todos los phyla animales modernos. La radiación Cámbrica (que significa diversificación evolutiva rápida) se produjo aprox. 540 Ma. El término» explosión » se refiere a un aumento de la biodiversidad de los organismos multicelulares a principios del Cámbrico, hace 540 millones de años., La vida multicelular apareció solo varias decenas de millones de años antes del comienzo del Cámbrico, como fósiles de aspecto extraño (biota Ediacárica/fósiles de Doushantuo) y exhibiendo planes corporales diferentes a los de los animales actuales. Estas especies desaparecieron en gran medida y fueron reemplazadas por la fauna Cámbrica, cuya variedad incluye todos los planes corporales que se encuentran en los phyla animales actuales. La aparición de la fauna Cámbrica se extendió por millones de años; no todos aparecieron simultáneamente como lo implica inexactamente el término «explosión».,

colocar eventos clave en la escala de tiempo geológico

¿Cómo se mapean cada uno de estos eventos en el tiempo geológico? La mayoría de ellos no son eventos «instantáneos», por lo que abarcan múltiples períodos de tiempo de la siguiente manera:

• Hadean eon (4.6-4 BYA): no hay vida presente en la tierra
• Archean Eon (4 a 2.5 BYA)
  • Origen de la vida (procariótica, anaeróbica), 2.8-2.6 bya
  • Primera cianobacteria, capaz de producir oxígeno a través de la fotosíntesis, ~2.5 bya
• Eon Proterozoico (2.,5 BYA a 542 MA)
  • La Revolución del oxígeno (o catástrofe, dependiendo de su punto de vista) y la formación de formaciones de Hierro con bandas, ocurre durante un período de 2.5 a 1.9 bya
  • primeros eucariotas unicelulares, ~1.6 BYA
  • primeras algas multicelulares, ~1.,4 BYA
  • First multicelular animals, ~635 MYA
• Phanerozoic Eon (542 MYA to present day)
  • Cambrian explosion (most major animal phyla appeared in the fossil record), 542 MYA
  • obviamente muchos otros eventos ocurren en el Phanerozoic, y pasaremos la mayor parte del resto de este módulo discutiéndolos

links to human health and environmental processes

la siguiente información fue adaptada de OpenStax Biology 22.,4 algunas especies procariotas pueden dañar la salud humana como patógenos: enfermedades y plagas transmitidas por patógenos devastadores, tanto de naturaleza viral como bacteriana, han afectado a los seres humanos desde el comienzo de la historia humana, pero en ese momento, su causa no se entendía. Con el tiempo, la gente se dio cuenta de que mantenerse aparte de las personas afligidas (y sus pertenencias) tendía a reducir las posibilidades de enfermarse. Para que un patógeno cause una enfermedad, debe ser capaz de reproducirse en el cuerpo del huésped y dañarlo de alguna manera, y para propagarse, debe pasar a un nuevo huésped., En el siglo 21, las enfermedades infecciosas siguen siendo una de las principales causas de muerte en todo el mundo, a pesar de los avances realizados en la investigación médica y los tratamientos en las últimas décadas. La siguiente información fue adaptada de OpenStax Biology 22.5 no todos los procariotas son patógenos; los patógenos representan solo un porcentaje muy pequeño de la diversidad del mundo microbiano. De hecho, nuestra vida no sería posible sin procariotas. Algunas especies procariotas son directamente beneficiosas para la salud humana:

• Las bacterias que habitan nuestra piel y tracto gastrointestinal hacen una serie de cosas buenas para nosotros., Nos protegen de los patógenos, nos ayudan a digerir nuestros alimentos y producen algunas de nuestras vitaminas y otros nutrientes. Más recientemente, los científicos han recopilado evidencia de que estas bacterias también pueden ayudar a regular nuestro estado de ánimo, influir en nuestros niveles de actividad e incluso ayudar a controlar el peso al afectar nuestras elecciones de alimentos y patrones de absorción. El proyecto de Microbioma Humano ha comenzado el proceso de catalogar nuestras bacterias normales (y arqueas) para que podamos comprender mejor estas funciones.,Los científicos también están descubriendo que la ausencia de ciertos microbios de nuestro tracto intestinal puede configurar para una variedad de problemas. Esto parece ser particularmente cierto con respecto al funcionamiento adecuado del sistema inmunológico. Hay hallazgos intrigantes que sugieren que la ausencia de estos microbios es un contribuyente importante al desarrollo de alergias y algunos trastornos autoinmunes. Actualmente se están realizando investigaciones para probar si la adición de ciertos microbios a nuestro ecosistema interno puede ayudar en el tratamiento de estos problemas, así como en el tratamiento de algunas formas de autismo.,
• Un ejemplo particularmente fascinante de nuestra flora normal se relaciona con nuestro sistema digestivo. Las personas que toman dosis altas de antibióticos tienden a perder muchas de sus bacterias intestinales normales, lo que permite que una especie naturalmente resistente a los antibióticos llamada Clostridium difficile crezca en exceso y cause problemas gástricos graves, especialmente diarrea crónica. Obviamente, tratar este problema con antibióticos solo lo empeora., Sin embargo, se ha tratado con éxito dando a los pacientes trasplantes fecales (las llamadas «píldoras de caca») de donantes sanos para restablecer la comunidad microbiana intestinal normal. Se están realizando ensayos clínicos para garantizar la seguridad y eficacia de esta técnica.

otros procariotas indirectamente, pero dramáticamente, impactan la salud humana a través de sus roles en los procesos ambientales:

• Los procariotas juegan un papel crítico en el ciclo biogeoquímico de nitrógeno, carbono, fósforo y otros nutrientes. El papel de los procariotas en el ciclo del nitrógeno es crítico. El nitrógeno es un elemento muy importante para los seres vivos, porque es parte de los nucleótidos y aminoácidos que son los bloques de construcción de los ácidos nucleicos y las proteínas, respectivamente., El nitrógeno es generalmente el elemento más limitante en los ecosistemas terrestres, con el nitrógeno atmosférico, N2, proporcionando la mayor reserva de nitrógeno disponible. Sin embargo, los eucariotas no pueden usar nitrógeno gaseoso atmosférico para sintetizar macromoléculas. Afortunadamente, el nitrógeno puede ser «fijo», lo que significa que se convierte en amoníaco (NH3) biológicamente o abióticamente. La fijación abiótica de nitrógeno se produce como resultado de un rayo o por procesos industriales. La fijación biológica de nitrógeno (BNF) se lleva a cabo exclusivamente por procariotas: bacterias del suelo, cianobacterias y Frankia spp., (bacterias filamentosas que interactúan con plantas actinorhizales como el aliso, la baya de laurel y el helecho dulce). Después de la fotosíntesis, la BNF es el segundo proceso biológico más importante en la Tierra.
• Los procariotas también son esenciales en la biorremediación microbiana, el uso de procariotas (o metabolismo microbiano) para eliminar contaminantes, como productos químicos agrícolas (pesticidas, fertilizantes) que se filtran del suelo a las aguas subterráneas y el subsuelo, y ciertos metales y óxidos tóxicos, como los compuestos de selenio y arsénico., Uno de los ejemplos más útiles e interesantes del uso de procariotas para fines de biorremediación es la limpieza de derrames de petróleo, incluido el derrame de Exxon Valdez en Alaska (1989), y más recientemente, el derrame de petróleo de BP en el Golfo de México (2010). Para limpiar estos derrames, los nutrientes inorgánicos adicionales que ayudan a las bacterias a crecer se agregan al área, y el crecimiento de bacterias descompone el exceso de hidrocarburos.,