Evolución Opción D. 1ª Parte: Origen de la vida en la Tierra. Tema 7 de Biología NS Diploma BI Curso

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1 Evolución Opción D 1ª Parte: Origen de la vida en la Tierra Tema 7 de Biología NS Diploma BI Curso

2 Dificultades estudiando el pasado (TdC) En este tema vamos a estudiar algunas de la cuestiones fundamentales en la historia de la humanidad: - De dónde venimos? - Cómo comenzó la vida en la Tierra? - Cómo eran nuestros ancestros hace millones de años? Como en todas las cuestiones científicas, se han formulado distintas hipótesis basadas en investigaciones y observaciones. Algunas de estas hipótesis han madurado hasta convertirse en las teorías que hoy conocemos, sin embargo, distan mucho de considerarse irrefutables. Podemos considerar como verdaderamente científica alguna investigación sobre la historia de la evolución de la vida en la Tierra? Una de las hipótesis más ampliamente aceptadas sobre el origen de la vida en la Tierra es que apareció a partir de moléculas sin vida, que se combinaron bajo las condiciones adecuadas para formar moléculas con capacidad de replicación, y con el tiempo, en las primeras células. Pero la pregunta es, qué es la vida?

3 Qué es la vida? (TdC) La vida es desequilibrio. De Duve. La vida es una región donde se incrementa el orden en ciclos movidos por un flujo de energía. Carl Sagan. Una zona separada del medio, que incluye una fuente de energía, que se adapta al medio y evoluciona, y que es capaz de reproducirse. Shapiro. La vida es información y ADN replicable (mediante proteínas), al abrigo de una membrana. McKay La vida es un objeto complejo que contiene información, se reproduce y evoluciona por selección natural. Orgel. La existencia de la vida debe considerarse como un hecho elemental que no puede ser explicado, sino que debe ser tomado como el punto de partida para la Biología. Niels Bohr. Por lo complicada que es, casi un milagro. Crick. Video1

4 Origen espontáneo de la vida Hasta el siglo XIX se creía que la vida se originaba de forma espontánea (propuesto por Aristóteles), cuando Louis Pasteur demostró que toda vida procede de otra vida preexistente. Web whfreeman.com El problema es que la Tierra era estéril cuando se originó hace Ma., pero de algún modo se originaron moléculas orgánicas. Para que ese planeta rocoso sin vida se convirtiera en lo que hoy conocemos, algunas dificultades debían ser superadas.

5 Origen espontáneo de la vida Cuatro son los procesos necesarios para el origen espontáneo de la vida en la Tierra: 1) La síntesis abiótica de moléculas orgánicas simples. - La vida tal como la conocemos está basada en moléculas orgánicas como los aminoácidos o glúcidos. - Si la Tierra primitiva solo tenía materia inorgánica (minerales, rocas, gases y agua), de dónde vino la primera molécula orgánica? 2) La combinación de estas moléculas para formar polímeros. - Los organismos vivos por definición son formas organizadas. - Los monómeros necesitan unirse entre si para formar polímeros como los polipéptidos o los polisacáridos, con objeto de construir compuestos orgánicos más complejos como las proteínas o los glúcidos.

6 Origen espontáneo de la vida 3) El origen de las moléculas autorreplicantes que hicieron posible la herencia. - Para que algo se considere vivo, debe reproducirse, por lo que moléculas autorreplicantes eran necesarias. - El ADN es la molécula más usada para la replicación de los organismos vivos. - Pero el ADN es una molécula compleja que requiere enzimas en su formación, por lo que es muy improbable que el ADN se desarrollara muy pronto. - Además, se necesita el ARN para para producir polipéptidos a partir del ADN. 4) El empaquetado de dichas moléculas dentro de membranas con un medio químico interno diferente del existente en el entorno exterior. - El último gran problema a solventar es el hecho de que el agua, aunque necesaria para la vida, tiende a despolimerizar moléculas (hidrólisis). - Muchos compuestos orgánicos se disuelven en agua, por lo que hace difícil que las moléculas lleguen a organizarse en polímeros.

7 Experimento de Miller-Urey Para responder a la primera de estas cuestiones, la síntesis abiótica de moléculas orgánicas, en 1923 se presentó una hipótesis por el científico ruso A. Oparin y el inglés Haldane. - Cuando la Tierra se formó hace unos millones de años, era una inmensa bola incandescente donde los elementos más ligeros salieron hacia el exterior formando una capa gaseosa, la protoatmósfera. - En una atmósfera oxidante como la actual no pudo surgir la vida (el oxígeno capta al hidrógeno libre imposibilitando la formación de moléculas orgánicas), por lo que la atmósfera primitiva debía ser reductora (rica en hidrógeno y donadores de electrones como el metano y el amoniaco).

8 Experimento de Miller-Urey - Estos gases estaban sometidos a intensas radiaciones ultravioletas (UV) provenientes del Sol y a fuertes descargas eléctricas, formándose moléculas cada vez más complejas que llegaban a los mares primitivos que se iban formando mediante la lluvia. - Oparin llamó a estos mares cargados de moléculas el CALDO o SOPA PRIMORDIAL. - Algunas de esas moléculas se unieron constituyendo unas asociaciones con forma de pequeñas esferas llamadas COACERVADOS, que todavía no eran células.

9 Experimento de Miller-Urey

10 Experimento de Miller-Urey En 1953 Stanley Miller y Harold Urey reprodujeron en su laboratorio de la Universidad de Chicago las condiciones que se pensaba tenía la atmósfera prebiótica primitiva: - Gases de metano, amoniaco e hidrógeno. - Radiación UV al carecer de capa de ozono protectora y tormentas eléctricas. - Alta temperatura. - Agua líquida calentada para evaporarla y enfriada para condensarla, recreando el ciclo del agua. Después de una semana de ciclos continuados, obtuvieron un caldo primordial con compuestos orgánicos como aminoácidos o urea.

11 Experimento de Miller-Urey TdC: Es posible demostrar que esto sucedió en algún momento del pasado o no pudo suceder de ningún modo? Web mcgraw-hill.com

12 Origen extraterrestre de la vida La Panspermia es una hipótesis, propuesta en 1908 por el químico sueco Arrhenius, que mantenía que la vida en la Tierra se originó gracias a la contribución cósmica de seres vivientes provenientes de algún punto del Universo. Actualmente, esta teoría no habla acerca de microorganismos que vagan en meteoritos avanzando a la Tierra para colonizarla, sino de sustancias químicas complejas que se habían formado desde los orígenes del Universo, las cuales alcanzaron la Tierra en un momento determinado.

13 Origen extraterrestre de la vida Esta nueva hipótesis surgió cuando algunos investigadores encontraron compuestos orgánicos (aminoácidos entre ellos) en meteoritos provenientes del espacio profundo. Meteorito marciano de 2 kg de peso descubierto en 1984 por una expedición a la Antártida. Evidencias geológicas muestran que nuestro planeta sufrió un intenso bombardeo de cometas y asteroides hace unos Ma., el cual pudo haber traído compuestos orgánicos y agua a la Tierra primitiva, siendo éste, el origen prebiótico de las moléculas orgánicas. Video2

14 Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos? Existen varias hipótesis acerca de dónde pudieron formarse los compuestos orgánicos, es decir, lugares cuyas condiciones habrían permitido su síntesis. 1) Emplazamiento extraterrestre - Mediante análisis de líneas espectrales de distintas nubes de partículas de polvo cósmico, se ha revelado la presencia de glicina, el aminoácido más simple. Esto sugiere que las moléculas orgánicas se pueden formar en el espacio y podría explicar que los cometas podrían haberlos traído a la Tierra (Cometa Wild 2). - Además, experimentos de laboratorio, donde se ha recreado el ambiente espacial de baja presión y temperatura, han sido capaces de sintetizar aminoácidos. La baja temperatura reduce el movimiento molecular favoreciendo la formación de polímeros. Revista Instituto Astrofísica de Andalucía

15 Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos? 2) Fumarolas hidrotermales - Se encuentran a grandes profundidades, donde las erupciones volcánicas son continuadas por la alta presión. - El magma solidificado calienta el agua, que sube arrastrando gran cantidad de minerales (black smokes). - Comunidades enteras viven en torno a estas fumarolas, sustentadas por arqueobacterias quimiosintéticas que utilizan el H 2 S para la obtención de energía. - Esto demuestra que en profundidades sin luz existe vida, y da credibilidad a la posibilidad del origen de las formas de vida más primitivas en torno a estas fumarolas. Video3

16 Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos? 3) Volcanes - Aunque las erupciones volcánicas puedan ser destructivas, también disipan vapor de agua, otros gases y minerales que podrían ser usados para la formación de materia orgánica. - Esta rica fuente de materia prima junto con el calor de la actividad volcánica podría haber provisto las condiciones favorables para la formación de aminoácidos y azúcares.

17 Papel del ARN en el origen de la vida Con objeto de trasmitir los rasgos hereditarios a la siguiente generación, la mayoría de los organismos almacenan su material genética en forma de ADN. El ADN necesita enzimas para su replicación (duplicarse). Sin embargo, en el mundo prebiótico no había enzimas, por lo que es difícil que el ADN fuera el medio en el que la herencia tenía lugar.

18 Papel del ARN en el origen de la vida Por otro lado, el ARN tiene dos propiedades que le habrían permitido desempeñar un papel importante en el origen de la vida: - Capacidad de autorreplicación: Bajo ciertas condiciones el ARN puede autorreplicarse sin necesidad de enzimas. Esta propiedad lo hace un candidato ideal como primer ácido nucleico en el comienzo de la vida. El ARN puede almacenar información en una de secuencia de 4 nucleótidos, de forma similar a como lo hace el ADN. Video4 - Actividad catalítica: El ARN es una ribozima, es decir, al igual que otras enzimas tiene capacidad catalítica, ayudando a que ciertas reacciones químicas tengan lugar. De hecho, pequeñas secuencias de ARN son capaces de copiar fielmente otros ARN. Por estas razones, el ARN podría dominar la Tierra primitiva, saliendo a flote en el caldo primordial, haciendo copias de si mismo.

19 Las protocélulas o protobiontes Antes de surgir la primera célula verdadera, deben haber existido protocélulas o protobiontes, caracterizadas por poseer una membrana externa que les permitiera poseer un ambiente químico interno diferente del exterior que los rodeaba. Ejemplos de protobioentes son las microesferas y coacervados. Distintos experimentos han demostrado que cuando se exponen al calor seco, los aminoácidos polimerizan abióticamente para formar una cadena polipeptídica denominada proteinoides. En las condiciones acuosas adecuadas, estas cadenas forman unas microesferas (Sidney Fox) como pequeñas burbujas, que permiten mantener un ambiente químico interno diferente al exterior que lo rodea y que poseen propiedades celulares.

20 Las protocélulas o protobiontes Fox pensó que su formación pudo tener lugar en áreas volcánicas, o mejor dicho, áreas con aguas subterráneas adyacentes a zonas volcánicas, donde la subducción del calor en el suelo calienta el agua freática, de modo que esta escapa en forma de géiseres y fumarolas formando diversas charcas. Bajo estas circunstancias, las piscinas ardientes, fumarolas y géiseres de una Tierra primitiva no solo podrían ser punto de síntesis de aminoácidos, sino también de organización de estos enproteinoides. Si una de estas charcas se seca, los proteinoides aumentarán su concentración y reducirán su volatilidad. El regreso del agua, a baja temperatura (por ejemplo, debido a la lluvia), induciría la formación de lasmicroesferas.

21 Las protocélulas o protobiontes Otro ejemplo de protobionte lo constituyen los coacervados. Bajo condiciones adecuadas, las mezclas de macromoléculas en agua tienden a producir unidades complejas denominadas coacervados, con capacidad para absorber sustancias del exterior, y con una bicapa lipídica (liposoma) en el exterior formando una especie de membrana.

22 Las protocélulas o protobiontes Web exploringorigins.org

23 De dónde viene el oxígeno de la atmósfera? No se sabe como, pero en un momento determinado, surge la primera célula verdadera a partir de estos protobiontes. Las células procariotas son las más sencillas, por lo que debió ser una bacteria esta primera célula en la historia de la vida. Estas células procariotas debían fabricar su propia materia orgánica en el ambiente anaerobio en el que se encontraban. Al igual que algunas bacterias quimiosintéticas actuales, serían capaces de obtener energía de reacciones químicas a partir de moléculas inorgánicas, utilizando el H 2 S como fuente de hidrógeno. En esta reacción, se produce azufre como desecho, como puede verse en forma de depósitos amarillos en los géisers volcánicos.

24 De dónde viene el oxígeno de la atmósfera? En determinado momento hace unos Ma., el metabolismo de estas bacterias se modificó, siendo capaces de usar el agua como fuente de hidrógeno y la luz como fuente de energía (bacterias fotosintéticas). En esta reacción, se produce oxígeno como desecho, que fue acumulándose en la atmósfera. El cambio a una atmósfera oxidante afecta progresivamente a todo el planeta y modifica sustancialmente las características de la atmósfera y la hidrosfera. El oxígeno era tóxico para las células anaerobias primitivas. Muchas desaparecen, dejando el camino libre para el desarrollo sin competencia de estas nuevas bacterias fotosintéticas o cianobacterias, aunque otras son apartadas a lugares anaerobios y otras se hacen resistentes.

25 De dónde viene el oxígeno de la atmósfera? Los estromatolitos son las paredes fosilizadas de estas bacterias fotosintéticas o cianobacterias, siendo los fósiles más antiguos que se conocen, de hace unos Ma. Vídeo 4.4 (9:29): Evolution and oxigen

26 Aparición de la célula eucariota:teoría endosimbiótica Las bacterias fueron los únicos organismos sobre la Tierra desde ese momento hasta hace unos Ma., momento del que se tiene el primer fósil de una célula con núcleo. Una teoría ampliamente aceptada es la teoría endosimbiótica de Lynn Margulis en 1967, que postula que los eucariotas han evolucionado a partir de los procariotas. Esta teoría mantiene que los orgánulos que se encuentran en el interior de las células eucariotas, una vez fueron procariotas independientes, pero que una célula de mayor tamaño los engulló.

27 Aparición de la célula eucariota:teoría endosimbiótica Procariota ancestral Membrana plasmática Citoplasma ADN Envoltura nuclear Fagocitosis de procariotas aeróbicos heterotróficos Mitocondria Eucariota heterótrofo ancestral Invajinación de la membrana plasmática Retículo endoplásmico Núcleo Célula con núcleo y sistema endomembranoso Mitocondria Fagocitosis de procariotas fotosintéticos por algunas células Cloroplasto Eucariota fotosintético ancestral Algunas células digirieron estas bacterias, alimentándose de ellas, pero aquellas células que no tenían enzimas capaces de digerir a estas procariotas fotosintéticos, adquirieron una ventaja por selección natural, ya que adquirieron su metabolismo fotosintético o aerobio. Dichos procariotas permanecieron en su interior, encontrando protección a cambio de sus servicios: endosimbiosis. Esto podría explicar como los orgánulos membranosos como la mitocondria o los cloroplastos llegaron a formar parte de las células eucariotas. Por otro lado, el núcleo y el sistema endomembranoso pudo haber surgido a partir de invajinaciones de la membrana plasmática.

28 Aparición de la célula eucariota:teoría endosimbiótica Esta teoría se basa en que las mitocondrias y cloroplastos comparten características que las hacen más parecidos a un procariota independiente, que a cualquier otro orgánulo celular: - Tienen doble membrana. - Tienen ADN circular propio. - Pueden sintetizar proteínas usando pequeños ribosomas. - Sus ribosomas son de igual tamaño que los procariotas (70S). - Se dividen por fisión binaria. - Mismo tamaño. Al igual que otras teorías, también tiene sus objeciones: - Aunque una célula sea engullida, no garantiza que la célula hospedadora pueda trasmitir a su descendencia en su código genético la habilidad de sintetizar orgánulos. - Cuando a una célula eucariota se le quita la mitocondria o cloroplasto, no puede vivir por si sola. Animación1 - No explica el origen de los cromosomas lineales o la meiosis.

29 Teoría endosimbiótica y TdC Al igual que sucede con otras teorías que tratan de explicar la evolución de la vida en la Tierra, podemos obtener pruebas que apoyen esta teoría y evaluar la solidez de dichas pruebas. Sin embargo, podemos estar seguros alguna vez de que la teoría explica lo que aconteció realmente en el pasado? Para que una teoría pueda ser considerada científica también debemos ser capaces de probar si es falsa. Podemos hacer esto cuando la teoría se refiere a un acontecimiento del pasado? Es suficiente con que nos permitan realizar predicciones? Vídeo5 y 6

30 Origen de la vida: Recursos Regis, Ed. Qué es la vida? Editorial Espasa Calpe, Shapiro, Robert. Orígenes, lo que sabemos actualmente sobre el origen de la vida. Biblioteca Científica Salvat VV.AA. La historia más bella del mundo: Los secretos de nuestros orígenes. Editorial Anagrama, Vídeo7