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HITOS VIDA EN
LA TIERRA I
YA HEMOS VISTO
QUE EL ESQUELETO
DE LA VIDA ES EL
CARBONO…
HI TEORÍA
QUIMIOSINTÉTICA
VAMOS A ANALIZAR:
HI 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
HII Teoría endosimbióntica sobre el origen de los eucariotas
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 2
ARN Catalítico
TEORÍA
QUIMIOSINTÉTICA
QF
• Moléculas
• Monómeros
• Polímeros
QF • Membranas
• Coacervados
QF-B •Protobiontes •Evolución prebiológica
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 3
Problema: el Diseño Inteligente (Intelligent Design) y creacionistas (Young Earth Creationist) a menudo tergiversan la evolución afirmando que no explica el origen de la vida.
Esta es una táctica deshonesta: por supuesto que la Teoría de la Evolución no explica el origen de la vida.
NO LO PRETENDE
La ABIOGÉNESIS ESTÁ MÁS DENTRO DEL CAMPO DE LA QUÍMICA QUE DE LA BIOLÓGÍA.
La evolución explica la diversidad de la vida en los campos de la biología, no de la química.
Neil deGrasse Tyson presenta Life on Earth. http://www.talkorigins.org/faqs/abioprob/abioprob.html Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 4
¿QUÉ HABÍA ANTES DEL
ANCESTRO COMÚN A TODOS LOS
ENTES VIVOS? HII
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 5
UN TRONCO ÚNICO
Las secuencias de ADN de los organismos modernos permiten reconstruir el árbol de la vida y averiguar las características probables del ancestro común más reciente de todos los seres vivos - el "tronco" del árbol de la vida.
Según algunas hipótesis, este "ancestro común más reciente" puede ser en realidad un conjunto de organismos que vivieron al mismo tiempo y fueron capaces de intercambiar genes con facilidad.
La reconstrucción de las primeras ramas en el árbol de la vida nos dice que este antepasado, o conjunto de antepasados, probablemente utiliza ácidos nucleicos, especialmente ARN como material genético y realiza reacciones químicas complejas (HII).
Pero, ¿qué había antes de él? Sabemos que este último ancestro común debe haber tenido antepasados - una larga línea de antepasados que forman la raíz del árbol de la vida –
Para saber, tenemos que recurrir a otras líneas de evidencia.
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EVIDENCIAS:
ESTUDIANDO EL ENIGMA
DEL ORIGEN
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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…
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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.
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.
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La atmósfera
primigenia de la tierra
era “reductora”.
No había oxígeno.
All molecules public domain from Wikimedia Commons, Background image http://www.flickr.com/photos/lrargerich/4587244190/
La atmósfera terrestre
tendría moléculas
inorgánicas ¿Puedes
identificar estas moleculas?
EL ORIGEN DE LOS COMPUESTOS
ORGÁNICOS
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TEORÍA
QUIMIOSINTÉTICA
QF
• Moléculas
• Monómeros
• Polímeros
QF • Membranas
• Coacervados
QF-B •Protobiontes •Evolución prebiológica
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The atmosphere contained:
Hydrogen
Nitrogen
Water vapour
Methane
Ammonia
Hydrogen sulfide
All molecules public domain from Wikimedia Commons, Background image http://www.flickr.com/photos/lrargerich/4587244190/
The gases came
from abundant
volcanic activity…
LOS EXPERIMENTOS DE MILLER & UREY SOBRE
EL ORIGEN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS
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¿Como era la tierra primitiva? ´Marzo 1998, de la revista National Geographic
La energía necesaria provendría de:
Tormentas y rayos
Actividad volcánica
Bombardeo de Meteoritos
Altísimas temperaturas debido a los gases invernadero
Radiación cósmica porque faltaba la capa de ozono
ENERGÍA PARA FORMAR
MOLÉCULAS ORGÁNICAS.
13
El joven sol brillaria
un 70% de lo que
brilla en la actualidad
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VARIACIÓN DE LA COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA CON EL
TIEMPO
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
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células simples con
el ADN disperso en
su interior
células más
complejas
con un núcleo
que contiene
el ADN
fotosíntesis
NO TODO APUNTA A UNA
ATMOSFERA SIN
OXIGENO EN EL INICIO
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 15
TEORÍA
QUIMIOSINTÉTICA
QF
• Polímeros
• Experimentos
QF
• Membranas
• Coacervados
QF-B •Protobiontes •Evolución prebiológica
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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.
Así, como hemos visto los monómeros podrían formar
polímeros en distintos ambientes.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 17
FORMACIÓN DE POLÍMEROS
—BASES DE LA VIDA MISMA
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”
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 de la degradación.
En experimentos en laboratorio se han sintetizado sobre arcilla.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 18
¿EMPEZÓ LA
VIDA EN UN
BLOQUE DE
HIELO?
Las moléculas forman compuestos orgánicos más complejos: monómeros
Meteoritos, geiseres submarinos, reacciones atmosféricas formaron moléculas más complejas como formaldehido, cianuro (CN-), amoniaco.
Estas moléculas pueden combinarse dentro del hielo formando glicina, uno de los aminoácidos del código genético.
Mientras más baja es la temperatura más estables son estos compuestos.
OH
HC
Glicina: NH2CH2COOH Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 1
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¿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…
Darwin y científicos contemporáneos imaginaron así el comienzo de la vida…
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 20
¿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.
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.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 21
TEORÍA
QUIMIOSINTÉTICA
QF • Experimentos
QF
• Membranas
• Coacervados
QF-B •Protobiontes •Evolución prebiológica
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ESPERIMENTAL
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 23
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
MILLER-UREY, 1953
25
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.
STANLEY MILLER
Father of
Prebiotic Chemistry
7 Mar 1930 – 20 May 2007 Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
MILLER, EN 1953
26
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
“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.”
Lo que encontró fué un rico cultivo de aminoácidos, los bloques
básicos que forman las proteinas entre otras características.
Carny http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/MUexperiment.png
MILLER-UREY EXPERIMENT,
1953
27
Primeval atmosphere:
CH4, H2, NH3
Early ocean
Lightning
La electricidad provocada
en la “atmosfera” de
Miller generaría nuevos
elementos químicos que
precipitarían en el
“océano” reaccionando y
formando “algo”
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
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
29
Primeval atmosphere:
CH4, H2, NH3
Early ocean
Lightning
En la actualidad se
piensa que la
“atmosfera” de
Miller sería
diferente de la
primigenia.
Como hemos visto
podría haber
más oxígeno y
menos metano,
hidrógeno y
amoníaco.
CO2, N2***
*** CO2 + N2 = organic molecules Scientists find it hard to imagine life emerging from such a diluted soup.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
COACERVADOS
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.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 30
http://www.flickr.com/photos/afeman/663646181/
LA ESPUMA DE LA
CERVEZA ES UN
SISTEMA COLOIDAL
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 31
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.
http://www.flickr.com/photos/zorin-denu/5385963280/
Fase dispersa
Fase contínua
WHAT HAPPENS WHEN YOU PUT A DROP
OF OIL IN
WATER?
Las gotas de aceite permaneces unidas
Son perfectamente circulares
Son hidrofóbicas –repelen el agua
Las moléculas de aceite son no-polares
y las de agua son polares
NO-POLAR………………………POLAR
EL ALCANO BÁSICO, EL METANO, ES
NO-POLAR PORQUE NO HAY DIPOLO
EJEMPLO CLÁSICO DE POLARIDAD,
EL AGUA. LAS DOS CARGES ESTAN
PRESENTES, NEGATIVA EN EL
CENTRO (O, ROJO) Y POSITIVO EN
LOS EXTREMOS (H, AZUL)
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 33
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.
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.
Por ejemplo el ácido linoleico.
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H2O
MEMBRANAS
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 36
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.
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.
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Diagrama de un fosfolípido
http://www.ib.bioninja.com.au/_Media/phospholipid_bilayer_med.jpeg
AUTO-ORGANIZACIÓN DE LOS
FOSFOLÍPIDOS: LA CABEZA
HÚMEDA, LA COLA SECA
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Liposoma, micelio y bicapa son tres formas
de “mantener las colas secas”
PROCESOS NECESARIOS
PARA LA ABIOGÉNESIS
EN LA TIERRA
Síntesis abiótica de moléculas
orgánicas simples
• De alguna manera estos
elementos se combinaron para
formar componentes organicos
simples: Protobiontes?
• Es posible que los compuestos
organicos se generaran en la
tierra, es posible que fueran
extraterrestres??????
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 39
PANSPERMIA
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).
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
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
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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
Elementos de la vida,
bioelementos
Steve Mojzsis: geólogo,
Universidad de Colorado
Carbono dejado por los
entes vivos
http://isotope.colorado.edu/~
mojzsis/
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I 41
HI INVESTIGADORES
EARLY LIFE ON EARTH
