HITOS DE LA VIDA EN LA TIERRA I

YA HEMOS VISTO QUE EL ESQUELETO DE LA VIDA ES EL CARBONO…

El carbono tiene capacidad de combinarse consigo mismo formando cadenas, redes y anillos, y además las moléculas de carbono se unen con el H y el O formando productos solubles en agua que se transportan fácilmente. Son los carbohidratos.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

2

EVIDENCIAS: ESTUDIANDO EL ENIGMA DEL ORIGEN

VAMOS A ANALIZAR: Hitos I Teoría quimiosintética: ¿cómo se formaron los elementos orgánicos?

la Física y Química de la Tierra antes de la vida Teorías Experimentos de Miller & Urey Hipótesis sobre los primeros catalizadores Teoría de la replicación del ARN (RNA) Origen de las membranas y de las células procariotas

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

3

Hitos II Teoría endosimbióntica sobre el origen de los eucariotas

TEORÍA QUIMIOSINTÉTICA

QF QF-B

• Membranas • Coacervados

•Protobiontes •Evolución prebiológica

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

4

QF

• Moléculas • Monómeros • Polímeros

PROCESOS NECESARIOS PARA LA ABIOGÉNESIS EN LA TIERRA Síntesis abiótica de moléculas orgánicas simples

• • • • •

Obviamente, si no había nada vivo la fuente de las moléculas orgánicas tendría que ser abiótica. Teoría de Oparín y Haldane: Teoría Físico Química. Los estudios del mexicano Alfonso Herrera Los experimentos de Miller y Urey Cerca de 15 KMA después del “Big Bang”, empezaron a formarse planetas... Asumimos que la Tierra primigenia tenía todos los elementos base y energía necesarios: volcanismo, lluvia de meteoritos, radioactividad natural…

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

5

•

CARBONO ¿DESDE EL PRIMER ORGANISMO? Los ladrillos de la vida El C, el H, el O y el N son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables. Debido a esto dan lugar a una gran variedad de moléculas y de gran tamaño.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

6

De todos ellos el carbono es el más importante. Este átomo es la base de la química orgánica y de la química de los seres vivos.

EL ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS La atmósfera primigenia de la tierra era “reductora”. No había oxígeno. Discutir

All molecules public domain from Wikimedia Commons, Background image http://www.flickr.com/photos/lrargerich/4587244190/

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

7

La atmósfera terrestre tendría moléculas inorgánicas ¿Puedes identificar estas moleculas?

TEORÍA QUIMIOSINTÉTICA

QF QF-B

• Membranas • Coacervados

•Protobiontes •Evolución prebiológica

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

8

QF

• Moléculas • Monómeros • Polímeros

LOS EXPERIMENTOS DE MILLER & UREY SOBRE EL ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS

The atmosphere contained: Hydrogen Nitrogen Water vapour Methane Ammonia Hydrogen sulfide

The gases came from abundant volcanic activity…

All molecules public domain from Wikimedia Commons, Background image http://www.flickr.com/photos/lrargerich/4587244190/

9

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

ENERGÍA PARA FORMAR MOLÉCULAS ORGÁNICAS. ¿Como era la tierra primitiva? ´Marzo 1998, de la revista National Geographic

El joven sol brillaria un 70% de lo que brilla en la actualidad

La energía necesaria provendría de:

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

10

Tormentas y rayos Actividad volcánica Bombardeo de Meteoritos Altísimas temperaturas debido a los gases invernadero Radiación cósmica porque faltaba la capa de ozono

10

VARIACIÓN DE LA COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA CON EL TIEMPO fotosíntesis

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

11

células simples con el ADN disperso en su interior

células más complejas con un núcleo que contiene el ADN

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

12

NO TODO APUNTA A UNA ATMOSFERA SIN OXIGENO EN EL INICIO

TEORÍA QUIMIOSINTÉTICA QF

• Polímeros • Experimentos

QF

• Membranas • Coacervados

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

13

•Protobiontes QF-B •Evolución prebiológica

FORMACIÓN DE POLÍMEROS El oxígeno era escaso o nulo en la atmósfera, todo el oxígeno posible era “absorvido” por las rocas. Así pues no había oxígeno “ladrón” de electrones de otros átomos (que los oxidaba). La atmósfera sería pues reductora, lo que facilitaría la formación de moléculas complejas.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

14

Así, los monómeros podrían formar polímeros en distintos ambientes.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

→

POLÍMEROS

15

MONÓMEROS

FORMACIÓN DE POLÍMEROS —BASES DE LA VIDA MISMA Muchas moléculas biológicas son macromoléculas o polímeros de gran masa molecular (Nelson & Cox, 2013). Los experimentos muestran que es posible formar moléculas orgánicas en una atmósfera reductora. Hubiera sido difícil en presencia de oxígeno en la atmósfera El proceso de polimerización permitiría obtener los compuestos que se necesitan para formar “células”

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

16

Pero ¿cómo se formaron los polímeros? En solución, la hidrólisis de un polímero en crecimiento podría limitar el tamaño que podría alcanzar. Esta es la base de la teoría que propone su formación en superficies sólidas, de minerales que los protegian de la degradación. En experimentos en laboratorio se han sintetizado sobre arcilla.

¿EMPEZÓ LA VIDA EN UN BLOQUE DE HIELO?

OH HC

Las moléculas forman compuestos orgánicos más complejos: monómeros Meteoritos, geiseres submarinos, reacciones atmosféricas formaron moléculas más complejas como formaldehido, cianuro (CN-), amoniaco.

Mientras más baja es la temperatura más estables son estos compuestos. Glicina: NH2CH2COOH Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

17

Estas moléculas pueden combinarse dentro del hielo formando glicina, uno de los aminoácidos del código genético.

LAGOS BAJO EL HIELO DE ANTARTIDA.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

18

HTTP://NEWS.NATIONALGEOGRAPHIC.COM/NEWS/2012/12/121218ANTARCTICA-LIFE-MICROBES-ICE-SCIENCE-ENVIRONMENT/

2012: “DE MOMENTO NO SE HAN ENCONTRADO

SIGNOS DE VIDA EN LOS PRIMEROS ANÁLISIS”

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

19

HTTP://FRANCIS.NAUKAS.COM/2012/12/20/LA-REVISTA-NATURE-RESUME-LOS-366-DIAS-DELANO-2012/

¿EMPEZÓ LA VIDA EN UN CHARCO? Glaciares, volcanes, polvo cósmico pudieron proveer los componentes necesarios. Las superficies de minerales foliares atraen ciertas moléculas y actúan de catalizadores para otras reacciones. Monomero: Fosfato aldehído…

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

20

Darwin y científicos contemporáneos imaginaron así el comienzo de la vida…

¿EMPEZÓ LA VIDA EN UNA MARMITA? Los gases liberados por el magma fundido, estarían continuamente filtrando y lixiviando compuestos vitales hacia la superficie del mismo.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

21

En una superficie estabilizadora de pirita, el monóxido de carbono y un grupo metilo se combinan, un paso en la formación de ácido acético activado, una sustancia química crucial para la síntesis de otros compuestos orgánicos.

TEORÍA QUIMIOSINTÉTICA QF QF

• Experimentos • Membranas • Coacervados

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

22

•Protobiontes QF-B •Evolución prebiológica

ESPERIMENTAL

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

23

Recordemos: en 1864 Luis Pasteur culminó con una de las etapas que causó mayor controversia en la historia de la ciencia, en la cual se planteaba que los sistemas vivos se originaban por generación espontánea; debido a sus experimentos con matraces de cuello de cisne Pasteur demostró que “lo vivo procede de lo vivo”, dando pie al desarrollo de nuevas teorías.

EXPERIMENTAL

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

24

En 1924 el bioquímico ruso Alexander Oparin publicó “El origen de la vida”, y en 1929 el biólogo inglés John Haldane, propuso de forma independiente una explicación sobre el origen de la vida semejante a la de Oparin. Las ideas de ambos autores se conocen hoy como Teoría de Oparin–Haldane o Teoría quimiosintética que plantea que el origen de los sistemas vivos se produjo a partir de una serie de procesos químicos

La Teoría quimiosintética de Oparin-Haldane cuenta con gran cantidad de evidencias científicas que la corroboran, siendo la más importante la obtenida en el experimento de Miller y Urey en el que se demostró que a partir de compuestos inorgánicos se formaban compuestos orgánicos. Otros científicos como Cyril Ponnamperuma, Alfonso Herrera y Sidney Fox realizaron diversas contribuciones experimentales y teóricas para sustentar esta teoría.

MILLER-UREY, 1953

STANLEY MILLER Father of Prebiotic Chemistry Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

25

7 Mar 1930 – 20 May 2007

MILLER, EN 1953 “I turned on the experiment one night at 10 p.m. Then I came back the next morning, and the water inside the flask had turned yellow.”

Carny http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/MUexperiment.png Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

26

Lo que encontró fué un rico cultivo de aminoácidos, los bloques básicos que forman las proteinas entre otras características.

MILLER-UREY EXPERIMENT, 1953 La electricidad provocada en la “atmosfera” de Miller generaría nuevos elementos químicos que precipitarían en el “océano” reaccionando y formando “algo”

Lightning Primeval atmosphere: CH4, H2, NH3

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

27

Early ocean

Después de una semana encontraron: 13 de los 20 aminoácidos naturales. Alrededor del 15% del carbono se encontraba ahora formando compuestos orgánicos.

MILLER-UREY EXPERIMENT, 1953 En la actualidad se piensa que la “atmosfera” de Miller sería diferente de la primigenia. Podría haber más oxígeno y menos metano, hidrógeno y amoníaco.

Lightning

Primeval atmosphere: CH4, H2, NH3 CO2, N2***

Early ocean

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

29

*** CO2 + N2 =  organic molecules  Scientists find it hard to imagine life emerging from such a diluted soup.

MEMBRANAS Y COACERVADOS

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

30

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cell_membrane_detailed_diagram_en.svg?uselang=en-gb

COACERVADOS

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

http://www.flickr.com/photos/afeman/663646181/

31

Oparin propuso que los proteinoides, proteinas nucleicas y otras moléculas orgánicas e inorgánicas de su teoría quimiosintética, precipitarían y formarían agregados coloidales en el océano. Los llamó coacervados.

LA ESPUMA DE LA CERVEZA ES UN SISTEMA COLOIDAL

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

32

El nombre de coloide proviene de la raíz griega kolas que significa «que puede pegarse». Este nombre hace referencia a una de las principales propiedades de los coloides: su tendencia espontánea a agregar o formar coágulos.

WHAT HAPPENS WHEN YOU PUT A DROP OF OIL IN WATER?

Fase contínua Fase dispersa

Las gotas de aceite permanecen unidas Son perfectamente circulares Son hidrofóbicas –repelen el agua Las moléculas de aceite son no-polares y las de agua son polares http://www.flickr.com/photos/zorin-denu/5385963280/

NO-POLAR………………………POLAR

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

EJEMPLO CLÁSICO DE POLARIDAD, EL AGUA. LAS DOS CARGES ESTAN PRESENTES, NEGATIVA EN EL CENTRO (O, ROJO) Y POSITIVO EN LOS EXTREMOS (H, AZUL PÁLIDO)

34

EL ALCANO BÁSICO, EL METANO, ES NO-POLAR PORQUE NO HAY DIPOLO

PROPIEDADES DE LOS COLOIDES Los coloides tienden a concentrar moléculas en su interior. Los coloides pueden interaccionar con el medio. Los agregados coloidales se forman expontáneamente en determinadas condiciones: coacervados Esto podrían haberlo adquirido protocélulas primigenias. El comportamiento de los coacervados muestra como las primeras (proto)células podrían tener una composición diferente en su interior, de la del medio que les rodeaba.

Coacervados (agregado coloidal) fromado por la interacción entre la gelatina y la goma arábiga. A. I. Oparin

PARA ENTENDERLO: SUSTANCIAS ANFIPÁTICAS Poseen a la vez grupos hidrófilos e hidrófobos. Son dispersadas por el agua.

Por ejemplo el ácido linoleico. Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

H2O

36

Un ácido graso de cadena larga forma agregados denominados micelas, en las que los grupos carboxilo polares están en contacto con el agua y forman enlaces hidrógeno con ella, mientras que las cadenas hidrocarbonadas insolubles, hidrófobas y apolares se ocultan del medio acuoso mediante interacciones hidrofóbicas.

MEMBRANAS Los fosfolípidos son moléculas lipídicas que forman bicapas en agua debido a sus propiedades anfipáticas o anfifílicas, una cara es hidrofílica y otra es hidrofóbica Estas bicapas forman membranas delgadas de dos capas de moléculas de lípidos

Forman una barrera continua, pero su estructura las hace fluidas, permeables y dinámicas.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

37

Ejemplo de membrana permitiendo moléculas solubles en lípidos pasar a través

ESTRUCTURA DE LAS MEMBRANAS DE FOSFOLÍPIDOS Los fosfolípidos son moléculas lipídicas que forman bicapas en agua debido a sus propiedades anfipáticas o anfifílicas, una cara es hidrofílica y otra es hidrofóbica. Son moleculas polares.

http://www.ib.bioninja.com.au/_Media/phospholipid_bilayer_med.jpeg

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

38

Diagrama de un fosfolípido

Liposoma, micelio y bicapa son tres formas de “mantener las colas secas” Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

39

AUTO-ORGANIZACIÓN DE LOS FOSFOLÍPIDOS: LA CABEZA HÚMEDA, LA COLA SECA

PROCESOS NECESARIOS PARA LA ABIOGÉNESIS EN LA TIERRA Síntesis abiótica de moléculas orgánicas simples

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

40

• De alguna manera estos elementos se combinaron para formar componentes organicos simples, membranas, coacervados: Protobiontes? • Es posible que los compuestos organicos se generaran en la tierra, es posible que fueran extraterrestres??????

ABIOGÉNESIS

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

41

https://youtu.be/FfKY-gPp1Eo

PANSPERMIA La teoría de la panspermia fué propuesta por Richter en 1865. La vida llegó a la tierra en forma de esporas resistentes. En 1969, un meteorito cayó en Australia. Estaba compuesto por agua en un 12%, y tenía trazas de 92 aminoacidos. Implica no solo la existencia de compuestos orgánicos extraterrestres sino también la capacidad de éstos de llegar a la tierra. Desde entonces los astrónomos Fred Hoyle y Chandra Wickramasinghe en 1970 propusieron que: El polvo cósmico y los cometas tienen compuestos orgánicos

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

Los cometas, compuestos fundamentalmente por hielo transportan bacterias, protegiendolas de la radiación. En 2005 la mision al cometa Tempel 1 descubrió una mezcla de partículas orgánicas y arcilla en su interior.

42

El Dr. Richard B. Hoover, de centro espacial Marshall (NASA), 2011, encontró evidencias fósiles de cianobacterias en meteoritos llamados CI1 condritos carbonaceos. Credit: Hoover/Journal of Cosmology

PANSPERMIA

43

Se han identificado una gran cantidad de componentes biogénicos como aminoacidos, purinas, pirimidinas en un tipo de meteoritos conocidos como meteoritos carbonáceos o condritas (o condritos).

INVESTIGADORES EARLY LIFE ON EARTH Elementos de la vida, bioelementos

Steve Mojzsis: geólogo, Universidad de Colorado

Carbono dejado por los entes vivos

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

44

http://isotope.colorado.edu/~ mojzsis/

FUNDAMENTOS FISICOS

Las células han desarrollado durante su evolución mecanismos para aprovechar la energía del sol o de los combustibles Es necesario comprender en bioquímica, los mecanismos de extracción, almacenamiento y canalización de la energía que necesitan los seres vivos

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

http://tsdb2011.blogspot. com.es/2011/03/atp.html

La vida se encuentra en un estado estacionario dinámico El flujo de electrones proporciona energía La energía del flujo de electrones se convierte en energía de los enlaces químicos del ATP (Adenosina trifosfato).

http://mariaenithmontoya.blogspot. com.es/2009/03/trifosfato-deadenosina-atp.html

45

Se necesita energía para que los organismos vivos puedan mantenerse vivos y reproducirse.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I

46

FUNDAMENTOS GENÉTICOS