Origen del Universo y Formación de las Galaxias

Se calcula que el Universo se originó hace 13.700 millones de años con el Big Bang. Antes de este evento, los conceptos de espacio y tiempo no existían.

Los grandes conjuntos de estrellas se llaman galaxias, y se agrupan en unidades aún mayores: cúmulos de galaxias, supercúmulos, etc.

Formación de las Estrellas

(300.000 años después del Big Bang)

En las zonas más densas de las nubes de gas y polvo, la materia se contrajo gravitacionalmente hasta calentarse enormemente y generar reacciones de fusión nuclear. El resultado son las estrellas, que emiten grandes cantidades de energía.

Nebulosas

Los materiales emitidos por una supernova originan una nube de gas y polvo: nebulosa, a partir de la cual puede formarse una nueva generación de estrellas.

Formación del Sistema Solar

Al igual que las demás estrellas, el Sol, y por tanto el Sistema Solar, se formó a partir de una nebulosa, denominada Nebulosa Solar, hace aproximadamente 5.500 millones de años. En su zona central, la temperatura aumentó progresivamente hasta originar el Sol. Los planetas gigantes gaseosos se originaron de una forma parecida al Sol, predominando la condensación sobre la acreción.

Formación de la Tierra

Hace 4.500 millones de años se formó el planeta Tierra. Después de la acreción, el bombardeo continuo de asteroides y cometas prosiguió mucho tiempo, contribuyendo a su calentamiento. También contribuyó al calentamiento terrestre la desintegración de los abundantes materiales radiactivos.

Diferenciación en Capas

La Tierra llegó a estar fundida casi por completo. Los materiales más densos se desplazaron hacia el centro, formando el núcleo. Los materiales más ligeros quedaron en la parte exterior, formando la corteza. La parte intermedia recibe el nombre de manto.

Colisión con otro Planeta

Se piensa que la Tierra sufrió un choque contra un planeta más pequeño, lanzando muchos fragmentos al espacio. La acreción de estos fragmentos daría origen a la Luna.

Métodos de Estudio de la Tierra

Métodos Directos

Podemos estudiar la Tierra y sus propiedades analizando los materiales que están a nuestro alcance. Algunos de los métodos utilizados en Geología son:

• Estudio de los volcanes y rocas volcánicas
• Sondeos en la corteza terrestre
• Estudio de las minas
• Difracción de Rayos X
• Yunque de diamante
• Espectrografía

Métodos Indirectos

Estudio del Campo Magnético Terrestre

Existen anomalías magnéticas en algunas zonas de la superficie, relacionadas con la existencia de materiales metálicos en el interior de la corteza.

Muchas rocas presentan sus partículas magnéticas orientadas en la dirección del campo magnético terrestre de la época en la que se formó la roca (paleomagnetismo). Las rocas de distintas épocas tienen polaridades invertidas (Norte-Sur). Mediante su estudio se han podido demostrar fenómenos como la expansión de los fondos oceánicos.

Estudio de la Gravedad

Las anomalías gravimétricas permiten conocer diferencias de densidad en el interior de la corteza terrestre.

Estudio de la Radioactividad

Ej: series radiactivas Uranio –> Plomo, Potasio –> Argón…

Estudio de los Meteoritos

La mayoría de los meteoritos tienen aproximadamente la misma edad de la Tierra, y esta edad se puede conocer por métodos radiométricos. Además, el material que forma los diferentes tipos de meteoritos es similar al que se supone que habrá en las distintas zonas del interior terrestre: corteza, manto y núcleo.

Estudio de las Ondas Sísmicas

Se registran mediante sismógrafos, y pueden ser:

• Profundas: se originan en el hipocentro (dentro de la corteza terrestre)
• Superficiales: se originan en el epicentro (superficie terrestre)

Las ondas sísmicas que pueden proporcionar datos acerca del interior terrestre son las profundas (internas). Las ondas superficiales son las que provocan los grandes daños y destrucciones de los terremotos.

Estructura Interna de la Tierra (Geosfera)

Si prescindimos de la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera, lo que queda de nuestro planeta se denomina Geosfera. Es una gran bola, en su mayor parte sólida, de unos 6.370 km de radio. Mediante el estudio de las ondas sísmicas, se ha descubierto que el interior de la Geosfera no es homogéneo, sino que presenta tres capas bien definidas: corteza, manto y núcleo, separadas por unas superficies llamadas discontinuidades sísmicas.

Discontinuidad de Mohorovicic

Es el límite entre la corteza y el manto superior.

Discontinuidad de Gutenberg

Es el límite entre el manto y el núcleo externo. En esta zona no se reciben ondas P ni ondas S.

Discontinuidad de Wiechert-Lehmann

Separa el núcleo externo (líquido) del núcleo interno (sólido).

Propagación de las Ondas Sísmicas

A lo largo de su recorrido por el interior de la Tierra, las ondas se reflejan en las discontinuidades, y también cambian su velocidad al atravesar diferentes medios.

Capas de la Geosfera

Corteza

Capa superficial, rica en oxígeno, silicio y aluminio (silicatos). Existen dos tipos de corteza:

• Continental, gruesa (25-70 km), compuesta fundamentalmente de rocas graníticas (poca densidad).
• Oceánica, más delgada (10 km), compuesta de rocas más densas, especialmente basaltos.

Manto

Capa que llega hasta los 2.900 km de profundidad, formada principalmente por rocas peridotitas. Tiene 2 partes:

• Manto superior
• Manto inferior

Núcleo

Parte más interna de la Tierra, formada principalmente por hierro y algo de níquel. Tiene 2 partes:

• Núcleo externo (líquido)
• Núcleo interno (sólido)

Modelo Dinámico de la Tierra

Litosfera

Capa superficial sólida, de comportamiento rígido y frágil, formada por la corteza y la parte más superficial del manto superior (manto litosférico). Puede ser Continental u Oceánica.

Astenosfera

Está formada por el resto del manto, cuyo comportamiento es plástico, manteniendo el estado sólido.

• Manto superior sublitosférico.
• En algunas zonas se ha definido una capa de gran plasticidad, la Astenosfera, concepto que hoy día está puesto en duda.

Mesosfera

De mayor densidad.

• Zona de transición entre el manto y el núcleo, cuyos materiales dan origen a corrientes ascendentes de materiales calientes (plumas o penachos térmicos).

Endosfera

Parte más interna de la Tierra, correspondiente al núcleo. El núcleo externo es líquido y el interno es sólido.

Temperatura Interna de la Tierra

Gradiente Geotérmico

En el pasado, la superficie terrestre estaba formada por rocas fundidas a altas temperaturas (océano de magma). Poco a poco, la corteza se fue enfriando, pero el interior del planeta sigue estando muy caliente. En zonas superficiales suele ser de 3ºC cada 100 metros, pero más adentro este gradiente no es tan marcado. Se piensa que en el centro de la Tierra la temperatura es de unos 5.000ºC.

Corrientes de Convección en el Manto

A pesar de que el manto terrestre es sólido, las altas presiones y temperaturas proporcionan gran plasticidad a su materiales y la propiedad de fluir muy lentamente. Así se originan las corrientes de convección.

Dinámica de la Atmósfera

En la parte inferior, su temperatura media es de unos 15 ºC. Así se originan los vientos.

En las zonas polares sucede lo contrario, se aplasta el aire frío contra el suelo (anticiclón polar). Circulación general de la atmósfera.

Sistemas Fluidos Externos: La Hidrosfera

La hidrosfera está formada por toda el agua existente en el planeta Tierra, tanto en estado líquido, como en el sólido (hielo) y gaseoso (vapor de agua). El agua en nuestro planeta está sometida a constantes cambios, tanto de estado físico como de localización. Los principales procesos de este ciclo son:

• Evaporación
• Transpiración
• Condensación
• Precipitación
• Escorrentía superficial
• Infiltración
• Escorrentía subterránea

La Biosfera

Se formó hace aproximadamente 3.800 millones de años.

Relación con la Hidrosfera

• La vida surgió en el agua, y el agua mantiene los numerosos y variados ecosistemas acuáticos, tanto de agua dulce como de agua salada.
• Los seres vivos producen una intensa meteorización sobre las rocas superficiales.

El Origen de la Vida (Teorías)

La Generación Espontánea

Se creía que los seres vivos se podían formar a partir de materia no viviente.

Hipótesis de la Panspermia

Según esta hipótesis, la vida se generó en otros lugares del Universo y llegó a la Tierra viajando posiblemente por medio de los cometas y meteoritos.

COMENTARIO: Sea o no cierta esta hipótesis, no soluciona el problema de cómo pudo surgir la vida.

Hipótesis de la Síntesis Prebiótica

Las hipótesis más aceptadas afirman que la vida se generó hace millones de años, de forma espontánea gracias a las particulares condiciones que hubo en las primeras etapas de la Tierra. En 1953, Stanley Miller y Harold Urey comprobaron experimentalmente que esto era posible, llegando a obtener aminoácidos.

Las Primeras Células

Según la teoría de Oparin, las primeras sustancias orgánicas pudieron reaccionar entre sí, formando moléculas más complejas. Algunos piensan que este proceso tendría lugar en un medio arcilloso más que acuático. A partir de seres unicelulares eucariotas, se formarían los primeros seres pluricelulares, probablemente gracias a la unión de células formando colonias.

La Evolución Biológica

¿Cómo pudieron formarse la gran cantidad y variedad de especies que existen en la actualidad?

El fenómeno por el cual unas especies de seres vivos se han ido convirtiendo en otras se denomina evolución. Las especies se extinguen en épocas de grandes catástrofes, seguidas de nuevas creaciones de otras especies.

Lamarckismo (Transformismo) – 1809

Jean Baptiste de Lamarck fue el que propuso la primera teoría de la evolución biológica, basada en los siguientes puntos:

• Los organismos tienden a evolucionar desde las formas más sencillas a las más complejas.
• Los órganos se desarrollan o se atrofian según su uso o desuso.
• Los caracteres adquiridos durante la vida de los organismos se heredan y son transmitidos a los descendientes, lo que conduce a los cambios en las especies (evolución).

El último de estos puntos (la herencia de los caracteres adquiridos) no se acepta en la actualidad, porque solamente pueden heredarse aquellos caracteres que se encuentran codificados en los genes, en forma de ADN.

Darwinismo – 1859

Se llama así a la teoría propuesta por Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, ampliamente aceptada en la actualidad. La teoría de Darwin se basó en:

• Las observaciones realizadas durante su viaje alrededor del mundo en el buque Beagle.
• El estudio de la selección artificial en animales domésticos y plantas cultivadas.
• Las ideas de Thomas Malthus sobre el crecimiento de las poblaciones humanas.

Puntos principales de la teoría de Darwin y Wallace:

• Las especies tienen la tendencia a reproducirse de forma ilimitada, pero en la naturaleza los recursos como el alimento y el espacio disponible son limitados, existiendo además competidores y depredadores.
• Los individuos de una población tienen una cierta variabilidad en sus caracteres: tamaño, color, velocidad…
• El medio ambiente selecciona a los que estén mejor adaptados (lucha por la supervivencia), de forma que vivirán más, se reproducirán más y dejarán más descendientes semejantes a ellos.

Según el darwinismo, la evolución de los seres vivos es un proceso gradual y continuo.

Origen de la Variabilidad

Sin variabilidad, no podría existir la selección natural. Las mutaciones son la fuente principal de variabilidad genética. La mezcla de gametos masculinos y femeninos (reproducción sexual) multiplica esta variabilidad casi hasta el infinito, con nuevas combinaciones génicas.

Presión de Selección

El medio ambiente influye enormemente en los seres vivos, y la supervivencia de estos nunca es fácil en la naturaleza.

Adaptación

La variabilidad de las especies permite que algunas características individuales soporten mejor esa presión de selección.

Variabilidad + Presión de selección = Adaptación = Evolución

Pruebas de la Evolución

Pruebas Anatómicas

Se basan en el estudio comparado de los órganos de seres vivos:

• Órganos homólogos: Tienen la misma estructura interna, aunque exteriormente su forma y función pueden ser diferentes. Indican un origen evolutivo común (divergencia evolutiva).
• Órganos análogos: Son órganos parecidos porque realizan funciones parecidas, pero no indican parentesco, sino convergencia evolutiva.
• Órganos vestigiales: Ej: muelas del juicio humanas, hueso del cóccix.

Pruebas Biogeográficas

Los organismos que viven juntos en un territorio y se reproducen entre sí, tienden a evolucionar de forma similar. Este hecho fue descrito por Charles Darwin y le ayudó a comprender el fenómeno de la evolución. Por ejemplo, la fauna de las Islas Galápagos.

Pruebas Paleontológicas

Los fósiles son restos de seres vivos del pasado que se encuentran formando parte de las rocas. Estudiándolos, podemos descubrir su similitud con muchas especies actuales, lo que indica una relación de parentesco evolutivo. Las pruebas paleontológicas son muy potentes para demostrar la evolución, pero hay que tener en cuenta que muy pocos organismos llegan a fosilizar y menos aún a ser encontrados por los científicos, por lo que en el registro fósil existen numerosas lagunas y es imposible tener fósiles pertenecientes a todas las especies que han existido.

Pruebas Embriológicas

Al estudiar el desarrollo embrionario de muchos animales, se observan semejanzas en algunas etapas, que reflejan el parentesco evolutivo entre especies. Por ejemplo, los embriones de vertebrados presentan hendiduras branquiales en las primeras etapas de su desarrollo.

Pruebas Moleculares

Gracias a los avances en biología molecular, se pueden comparar las secuencias de ADN y proteínas de diferentes especies. Cuanto mayor sea la similitud entre las secuencias, mayor será el parentesco evolutivo. Gracias a esto, se han podido establecer con más precisión las relaciones de parentesco entre las especies (árboles filogenéticos).

La Especiación

Es el proceso que conduce a la formación de una nueva especie a partir de otra preexistente. La especie está formada por seres vivos capaces de reproducirse entre sí y dejar descendientes fértiles. Para que se forme una nueva especie, es necesario que se produzca un aislamiento reproductivo entre dos poblaciones de la misma especie. Este aislamiento puede ser de varios tipos: geográfico, ecológico, temporal, etológico, mecánico, gamético, etc.

Especiación Alopátrida

El proceso es más sencillo si se produce un aislamiento geográfico de dos poblaciones en lugares distintos. Con el tiempo, las dos poblaciones acumulan diferencias genéticas debido a mutaciones, selección natural y deriva genética. Si las diferencias son suficientes para impedir la reproducción entre las dos poblaciones, se habrán convertido en especies diferentes (especiación alopátrida).

Otros Tipos de Aislamiento Reproductivo

Además del geográfico, existen muchos tipos de aislamiento reproductivo que pueden llevar a la especiación: anatómico, sexual, fisiológico, cromosómico, etológico, etc.

Neodarwinismo (Teoría Sintética)

Los avances científicos del siglo XX han permitido formular de una forma más correcta las teorías darwinistas sobre la evolución. El neodarwinismo integra la teoría de la evolución de Darwin con la genética mendeliana y la genética de poblaciones. Los principales puntos del neodarwinismo son:

• La mutación es la fuente principal de variabilidad genética.
• La selección natural actúa sobre la variabilidad genética, favoreciendo la supervivencia y reproducción de los individuos mejor adaptados.
• La deriva genética, el flujo genético y la recombinación genética también influyen en la evolución.
• La evolución es un proceso lento y gradual y las especies necesitan mucho tiempo para evolucionar (gradualismo).

Otras Teorías Evolutivas

Teoría Neutralista (Motoo Kimura)

La evolución se basa en mutaciones neutrales, sobre las que no actúa tanto la selección natural como otros factores, como el aislamiento geográfico.

Teoría del Equilibrio Puntuado (Stephen Jay Gould y Niles Eldredge)

Hay épocas en que aparecen de repente muchas especies (períodos de especiación) y otras épocas con muy pocos cambios (períodos de estasis).

Teoría Simbiogenética (Endosimbionte) (Lynn Margulis)

La reproducción es una transferencia vertical de genes (de padres a hijos), pero también se pueden transmitir genes de forma horizontal (de unas especies a otras), lo que explicaría la aparición de cambios fuertes y repentinos. Esta teoría explica el origen de las células eucariotas a partir de la simbiosis entre diferentes tipos de células procariotas. Así se originaron las células eucariotas.

Evolución de la Especie Humana

Nuestra especie (Homo sapiens) ha evolucionado a partir de otras especies. Clasificación taxonómica:

• Reino: Animal
• Filum: Cordados
• Subfilum: Vertebrados
• Clase: Mamíferos
• Orden: Primates
• Familia: Homínidos
• Género: Homo
• Especie: Homo sapiens

Nuestra especie es la única que vive actualmente perteneciente al género Homo y a la familia Homínidos. En el orden Primates hay otra familia muy importante, los Póngidos, considerados como nuestros parientes actuales más cercanos.

Características de los Primates

• Pulgar prensil (opuesto a los demás dedos)
• Visión binocular en colores (ojos frontales)
• Adaptación de la vida a los árboles
• Uñas planas
• Comportamiento social complejo
• Alto desarrollo cerebral

De modo sencillo, pueden clasificarse en:

• Prosimios (primates inferiores): lémures, loris …
• Antropoides (primates superiores): monos, antropomorfos y homínidos.

Los Primates aparecieron hace unos 60 millones de años.

Características de los Homínidos

• Bipedismo: caminar erguidos, sobre dos pies. Ventajas: Mayor campo de visión, Liberación de las manos para otras funciones (transporte, manipulación de objetos, etc.), Menor absorción de calor solar en climas cálidos.
• Desarrollo del cráneo y cerebro, especialmente la corteza cerebral, lo que ha permitido la inteligencia, la tecnología, la creación artística, comportamiento social complejo, etc.
• Capacidad del habla, gracias al desarrollo del aparato fonador.

Los Primeros Homínidos

Los primeros homínidos aparecieron en el Este de África, hace aproximadamente 6-7 millones de años.

Australopithecus

• Aparecieron hace unos 4,2 millones de años.
• Se extinguieron hace 1 ó 2 millones de años.
• Había diversas especies, y no sabemos cuál de ellas dio origen a los humanos.
• Ejemplos: Australopithecus anamensis (posible ancestro), Australopithecus afarensis (Lucy), Australopithecus africanus (Pless), Paranthropus, con especies como P. boisei y P. robustus. También vivían en las sabanas hace 2 millones de años.

Características del Género Homo (Humanos)

Como homínidos que son, su locomoción es bípeda, con pies no prensiles y pulgar alineado con los demás dedos del pie. Presentan un gran desarrollo cerebral y capacidad para fabricar herramientas. Pero no solo manejarlos, sino crearlos y conservarlos. Los primeros humanos aparecieron hace 2,5 millones de años. A excepción del Homo sapiens, todas las demás especies están extinguidas. Los últimos en extinguirse fueron el H. neanderthalensis hace 30.000 años y el H. floresiensis hace 12.000 años. Todas las interpretaciones son provisionales, y se basan en los restos fósiles encontrados y estudiados hasta el momento.

Homo habilis (Hombre Habilidoso) (2,5 a 1,5 m.a.)

• Cráneo de unos 600 cc.
• Dedos curvos de pies y manos, lo que indica que aún utilizaban los árboles.
• Fabricaba herramientas sencillas de piedra.

Homo ergaster (Trabajador, en griego) (Entre hace 1,8 y 1,3 m.a.)

• Gran estatura, unos 1,80 metros.
• Aumento importante del tamaño del cráneo (800 a 900 cc.).
• Probablemente utilizaba el fuego.
• Gran caminante y explorador, se desplazó fuera de África.
• Se duda sobre su capacidad para el lenguaje articulado.

Homo erectus (Vivió entre hace 1,8 m.a. y 300.000 años)

• Talla elevada y muy robusto.
• Cráneo de 900 a 1.200 cc.
• Dominaba el fuego.
• Fabricaba herramientas más complejas (bifaces).
• Se extendió por Asia y Europa.

Homo antecessor (1 m.a.)

• Se han encontrado restos en Atapuerca (Burgos).
• Rasgos intermedios entre H. ergaster y H. sapiens pero algo más robustos.
• Practicaban el canibalismo.

Homo heidelbergensis (600.000-250.000 años)

• Se considera Pre-Neanderthal.
• Estatura y proporciones corporales: alto y robusto, con mayor masa muscular y esquelética, y el tronco más ancho que el hombre actual.
• Ritos funerarios: Acumulación de cuerpos y un bifaz (excalibur).
• Se han encontrado en Heidelberg (Alemania) y en Atapuerca.

Homo rhodesiensis (800.000 – 160.000)

• Características parecidas a los heidelbergenses, pero hallados en África, por lo que algunos les consideran antepasados del Homo sapiens.

Homo neanderthalensis (Entre hace 200.000 y 30.000 años)

• Vivió en Europa y Asia occidental.
• Robusto y de baja estatura, con huesos y mandíbulas potentes, dominó durante miles de años.
• Cráneo de 1.500 cc. (mayor que el del hombre actual).
• Tallaba piedras como herramientas.
• Enterraba a sus muertos.
• En algunos casos, convivió con el Homo sapiens.
• Según algunos científicos, podría pertenecer a nuestra misma especie: Homo sapiens neanderthalensis.

Homo floresiensis (Entre hace 75.000 y 12.000 años)

• Se han encontrado restos en la isla de Flores (Indonesia).
• Eran hombres de un metro de estatura (adaptación a la insularidad), pero de brazos bastante largos.
• Probablemente desapareció hace 12.000 años a causa de una gran erupción volcánica en la isla.

Homo sapiens sapiens fósil

• Apareció en África hace unos 200.000 años.
• Cráneo de 1.400 cc.
• Esqueleto menos robusto que el de los neandertales.
• Desarrolló el arte rupestre.
• Se extendió por todos los continentes del mundo. Tras la extinción de los neanderthales hace 30.000 años, y del hombre de Flores hace 12.000 años, es la única especie humana que queda en la Tierra.