TEMA 3. L’ORIGEN DE LA VIDA , Apuntes de Biología

¡Descarga TEMA 3. L’ORIGEN DE LA VIDA y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity! TEMA 3. L’ORIGEN DE LA VIDA. 1. Quan es va originar la vida? 1.1. L’origen de l’Univers i de la Terra. Segons la NASA (sonda espaial WMAP) l’edat de l’Univers seria de 13.700 milions d’anys aprox. L’edat de la Terra és de 4.500 milions d’anys (4,5 Ga). 1.2. Com eren les condicions en la Terra primitiva? Els volcans feien erupció, expulsant gasos que passaven a formar part de l’atmosfera, i formant rius de lava. Es donaven violentes tempestes elèctriques que produïen pluges torrencials que erosionaven la Terra. El planeta era bombardejat contínuament per meteorits i altres objectes extraterrestres, que causaven canvis i cataclismes a l’escorça, els oceans i l’atmosfera. Incís: Descàrrega de corona: quan s’ionitza a l’aire al voltant d’un objecte. 1.3. Com era l’atmosfera primitiva? L’atmosfera primitiva es va formar a partir dels components que arribaven en cometes i meteorits, a més a més dels produïts per l’activitat volcànica. Era una atmosfera reductora, gairebé no hi havia oxigen. ▸ Composició química de l’atmosfera primitiva (era REDUCTORA): - Volcans i meteorits: CO2, vapor H2O, CO, H2, N2, SH2 - En menor quantitat: NH3, CH4 - Molt poc: O2 ❊ Hidrogen, carboni, oxigen i nitrogen representen el 95% de la matèria viva. Havien de estar presents d’alguna forma? Els organismes anoxigènics obtenen energia del metà, carboni, nitrogen… , van aparèixer aquests organismes que no necessitaven oxigen per viure. 1.4. Quina pot ser l’edat de les restes de vida més antigues? • Fa 3,9 Ga hi va haver el darrer episodi de bombardeig intens. Els impactes eren suficientment energètics per evaporar tota l’aigua del planeta. • Les roques volcàniques màfiques i sedimentàries metamorfitzades, són de les més antigues que es coneixen. S’han trobat els primers fòssils dels primers bacteris vius de la Terra (cinturó de roques verdes a Isua; acoplaments del magma rics en ferro, sílex, magnesi). • Els cianobacteris van evolucionar fa uns 2.400 milions d’anys, però la seva morfologia s’assembla a les molt més antigues (3,5 milions d’anys). • Les estructures considerades els fòssils més antics de bacteris, poden ser formacions microscòpiques minerals no associades a la vida. Formacions de ferro bandejat (BIF): demostren com el ferro es va oxidar i va precipitar, a causa de que cada vegada l’atmosfera era més oxidant i no més reductora. 1 ▸ Estromatòlits: • Formen roques calcàries que en el seu moment van ser colonitzades per diverses espècies de cianobacteris. • Les colònies van formar uns ecosistemes molt valuosos per a la conservació d’altres espècies, que s’alimentaven de cianobacteris. • Van enriquir l’atmosfera d’oxigen, gràcies a la fotosíntesi oxigènica. • Són indicadors paleoambientals, perquè ajuden a datar les condicions geològiques de la formació dels ecosistemes i de les espècies. 1. Estromatòlits (Austràlia) de diversos milers d’anys d’antiguitat. Formats per diverses capes de Cianobacteris i de sals de carbonats de calci → Fotosíntesi oxigènica. 2. Talls d’uns estromatòlits fòssils a Austràlia, i s’observen les capes de microorganismes i sediments acumulats durant 3.500 milions d’anys → Fotosíntesi anoxigènica. 2. A on es va organitzar la vida? 2.1.Litopanspèrmia; transferida d’algun lloc de l’univers. La vida podria haver vingut d’altres llocs, fora del planeta. Arran d’uns fòssils que es van trobar en un meteorit que va arribar a Mart, on s’observa que els fòssils presenten estructures que podrien ser d’un bacteri. 2.2. Sopa primigènia, en bassals d’aigua calenta a les vores dels oceans. Zones properes a l’oceà podrien tenir aigua amb elements químics, que a partir de subministraments d’energia (exterior; raigs, llamps…) que reaccionava per formar matèria orgànica. Oparin va formular una teoria sobre l’evolució química de les molècules de carboni. Miller va fer l’experiment de sintetitzar matèria orgànica, a partir de matèria inorgànica, sota unes condicions que intentaven simular les de la Terra primitiva. Els compostos simples (com aminoàcids) reaccionen entre si per arribar a formar polímers. ▸ Experiment de Miller i Urey: Pregunta: En les condicions de la Terra primitiva es van poder formar les molècules orgàniques? Hipòtesi: Les molècules orgàniques poden tomar-se en una atmosfera reductora similar a la que se suposa que tenía la Terra primitiva. Experiment: Van utilitzar un aparell per simular l’atmosfera reductora de la Terra primitiva. Es va generar una xispa elèctrica simulant llampecs. Resultats i conclusió: Els gasos de dins el matràs reaccionaren, i es van acumular varios compostos orgànics senzills com aminoàcids. Així, la formació de molècules orgàniques podria haver tingut lloc en les condicions inicials que presentava la Terra primitiva. ▸ Anàlisi de resultats del l’experiment de Miller i del meteorit Murchison: Es van comparar els resultats obtinguts de l’experiment de Miller amb les dades trobades del meteorit, i van trobar algunes diferencies i similituds entre els aminoàcids. Una de les diferències més importants és que en l’experiment de Miller s’obtenen formes racèmiques (igual proporció equimolar de L i D) dels aminoàcids, en canvi, en les mostres del meteorit només s’observen formes L dels aminoàcids (no D). Això vol dir que aquest meteorit podria provenir d’algun lloc on hi hagi matèria viva d’un altre planeta, perquè tots els aminoàcids estan en forma L (com en la Terra a l’actualitat). 2 L’H2 i el CO2 poden formar matèria orgànica i alliberar energia. Per això cal: - Catalitzador (minerals ferro-sofre). - Una mica d’energia (formació d’acetil tioèsters). Hi ha fòssils en xemeneies alcalines famoses, com les de Tynagh, Irlanda, de 350 milions d’anys. Les xemeneis hidrotermals alcalines si que generen continuament acetil tioèster, per tant, és un punt de partida per formar molècules orgàniques més complexes i la utilització de l'energia que calgui perquè es porti a terme. Les cèl·lules minerals que tenen les xemeneies proporcionen el medi de concentració dels productes i els catalitzadors precissos per accelerar el procés. El bombolleig d'hidrogen i altres gasos vol dir que tota la matèria es reposa contínuament i es barreja a consciència. L'aparició de la vida és dóna probablement en qualsevol planeta humit i rocós. Les xemeneies hidrotermals alcalines formen: - Orgànics simples. - Catalitzadors que dirigeixen el metabolisme primari. - Microspores amb propietats semblants a cèl·lules. - Gradients de protons equivalents a la força motriu de protons. 3.4. Propietats quimiosmòtiques dels “microsporus vents” i de les cèl·lules. Probabilitat general de les condicions primordials que donen lloc a una cèl·lula procariota. Només les xemeneies hidrotermals alcalines proporcionen una transició fluida de la geoquímica a la bioquímica, proporcionant una força motriu termodinàmica, un flux estable i continu de precursors reduïts, catàlisi mineral, activació de fosfats, estructures cel·lulars, gradients de protons, replicadors i un entorn adequat per a la selecció. 5 A) La força motriu de protons és un gradient de concentració de protons i potència elèctrica a l'energia solar i la fa disponible per a la síntesi i el transport. B) La força motriu és un gradient de concentració de protons i potencial elèctric que emmagatzema energia i la fa disponible per a la síntesi i el transport. 4. Per què es va originar la vida? 4.1. Evolució de la primera vida cel·lular a la Terra. ▸ L’origen de la vida equival a l’articulació de tres subsistemes supraquímics en les condicions de la Terra primitiva. 1. Es formen vesícules (confinament) 2. Metabolisme primari 3. Entre aquestes molècules es poden replicar. Evolució darwiniana 4.2. Controversies sobre l’origen de la vida. Origen heteròtrof: química prebiòtica compexa (compostos complexes) i metabolisme simple. - Primer la genètica: polímers primaris, espontanis i auto-replicatius (reacció de polimerització). - Cèl·lules endarrerides: les cèl·lules com simples compartiments per la replicació. Origen autòtrof: ambient químic senzill (compostos simples) i metabolisme complex. - Primer el metabolisme: mecanismes biogenètics primitius i simples. - Cèl·lules com a primeres invents: les cèl·lules són elements necessaris per a la bioenergia. Les cèl·lules engloben els seus òrgans. 4.3. Què va ser primer el protometabolisme o els polímers replicables? Dos models sobre l’origen de la vida. 1. L’aparició d’una molècula autoreplicable. 2. El que es basa en la formació d’un metabolisme de molècules petites. Ambdues hipòtesis parteixen de molècules formades en processos químics i no biològics. - En el model 1, alguns compostos s’uneixen entre sí en una cadena que, aleatòriament, dóna lloc a una molècula autoreplicable. Aquesta macromòlecula fabrica numeroses copies de si mateixa, i en ocasions froma molècules amb mutacions, que també són autoreplicables. Els replicadors mutants que millor s’adapten al medi substitueixen a les versions anteriors. Aquest procés evolutiu ha de conduir al desenvolupament de compartiments (com les cèl·lules) i d’un metabolisme, en el qual molècules de menor tamany utilitzen l’energia per dur a terme processos biològics. - En el model 2, comença amb la formació espontània de compartiments. Alguns tenen mescles dels compostos inicials que estableixen reaccions químiques que amb el temps, augmenten la complexitat. El sistema ha ha de donar el salt que li permeti emmagatzemar en polímers la informació. 6 4.4. Els polímers replicables. Les primeres entitats amb capacitat de reproduir-se i evolucionar probablement portaven la seva informació genètica en alguna molècula semblant a l’ARN. Com van sorgir els nucleòtids a partir de compostos químics més simples? Cadascun dels tres components d’un nucleòtid poden formar-se de forma espontània, però difícilment s’enllaçen entre si de forma adecuada. Però els nucleòtids C i U, poden haver sorgit mitançant una ruta diferent. ▸ Nucleòtids malmesos: les bases nitrogenades, el fosfat, la ribosa, es podrien haver combinat de forma natural per generar una quantitat suficient de nucleòtids d’ARN. Els nucleòtids podrien interaccionar amb làmines d’argila molt primes, i s’inicia el procés de polimerització i d'acoblar els nucleòtids entre si. Els canvis de pressió i temperatura fan que les làmines d’argila no estiguin en repós, i hagin fracturacions. Una vegada els nucleòtids estan formats s’alliberen a l’exterior. En les dissolucions aquoses on es van formar, els nucleòtids tenien poques possibilitats de generar llargues cadenes amb capacitat d’emmagatzemar informació genètica. Però en les condicions adecuades, els nucleòtids poden enllaçar-se per formar cadenes simples, semblants a l’ARN modern. ▸ Reproducció assistida: Una vegada alliberats al medi, els polímers formats podien ser engullits per sacs farcits d’aigua. Conforme els àcids grassos s'anaven acoblant entre si espontàniament per formar membranes. 1. En l’extrem fred de l’estany, les cadenes simples d’ARN. Els nucleòtids formen parells de bases, per generar cadenes dobles d’ARN. 2. En l’extrem calent de l’estany, la calor separa les dobles cadenes. 3. Les membranes podrien anar creixent lentament. 4. La protocèl·lula es divideix en dos cèl·lules filles. 5. Aquestes noves protocèl·lules començen el cicle de nou. ▸ Viatje hasta la cèl·lula moderna: Una vegada iniciada la vida, la competència entre les formes de vida va impulsar l’avanç fins organismes de més complexitat. 1. Comença l’evolució: la primera protocèl·lula correspon a un sac facit d’aigua i ARN. Necessita un estímul extern per reproduir-se. 2. ARN catalitzadors: sorgeixen els ribozism que s’encarreguen de funcions com augmentar la velocitat de reproducció i enfortir la membrana de la protocèl·lula. En conseqüència, les protocèl·lules començen a reproduir-se pel seu compte. 3. Comença el metabolisme: altres ribozims catalitzen el metabolisme; series de reaccions químiques que permeten que les protocèl·lules s’alimentin dels nutrients de l’exterior. 4. Apareixen les proteïnes: sistemes complexos d’ARN catalítics començen a traduir cadenes d’ARN a cadenes d’aminoàcids (proteïnes). Les proteïnes (enzims) resulten ser els catalitzadors més eficaços. 5. Les proteïnes prenen el relleu: els enzims substitueixen els ribozims. 7