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TEMA 2: EL ORIGEN DE LA VIDA
LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA PRIMITIVA: SÍNTESIS PREBIÓTICA DE
LA MATERIA ORGÁNICA.
LA CUESTIÓN DEL ORIGEN
• EL ORIGEN DEL UNIVERSO, DE LA VIDA Y DEL HOMBRE HAN SIDO CUESTIONES
PLANTEADAS EN TODAS LAS CIVILIZACIONES Y CULTURAS HUMANAS.
• COSMOGONÍAS:– RELIGIOSAS:
• CREACIONISMO BÍBLICO.
– CIENTÍFICAS:• TEORÍA DEL BIG BANG.• TEORÍA EVOLUTIVA.
ORIGEN CIENTÍFICO DE LA VIDA
• TEORÍA ENDÓGENA DEL ORIGEN DE LA VIDA.
• TEORÍA EXÓGENA DEL ORIGEN DE LA VIDA (PANSPERMIA).
ORIGEN DE LA VIDA
1ª
ETAPA:
GENERACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA A PARTIR DE
MATERIA INORGÁNICA.
LA QUÍMICA PREBIÓTICA
• RAMA DE LA CIENCIA QUE ESTUDIA LAS REACCIONES QUÍMICAS EN LA TIERRA
PRIMITIVA QUE ORIGINARON LA MATERIA ORGÁNICA QUE FORMA LAS BIOMOLÉCULAS
DE TODOS LOS SERES VIVOS.
• ESTA ETAPA ES ANTERIOR A LA APARICIÓN DE LA PROPIA VIDA.
Millones de años Suceso
4.600 Formación de la Tierra.
4.500 a 4.000 Condiciones químicas previas a la aparición de la vida: Química prebiótica.
3.800 Estratos geológicos con huellas de actividad biológica.
3.500 Primeros fósiles de seres vivos microscópicos.
Actualmente se piensa que la aparición de la vida en la Tierra ocurrió aproximadamente hace 3.800 millones de años y tardó unos 300 millones de años en diversificarse.
CONDICIONES FÍSICO‐QUÍMICAS DE LA TIERRA PRIMITIVA• AL PRINCIPIO CUBIERTO DE MAGMA
(TEMPERATURA APROXIMADA DE 1.300°C).
• LENTO Y PROGRESIVO ENFRIAMIENTO POSTERIOR.
• CONDENSACIÓN DEL VAPOR DE AGUA ATMOSFÉRICO:
– FORMACIÓN DE MARES Y OCÉANOS.
• ELEVADA ACTIVIDAD GEOLÓGICA:– VULCANISMO.
• Luz ultravioleta del Sol.• Energía de los volcanes.• Descargas eléctricas atmosféricas.• Alternancias de temperatura (día-noche).
Fuentes energéticas en la Tierra primitiva que propiciaron la aparición de la vida:
SOL
Oparin, 1894-1980 Haldane, 1892-1964
En los años 30 del siglo pasado Oparin y
Haldane propusieron la existencia de una atmósfera reductora (= mucho hidró- geno), formada por com-
puestos capaces de ceder átomos de hidrógeno a
otras sustancias.
LA ATMLA ATMÓÓSFERA PRIMITIVA: TEORSFERA PRIMITIVA: TEORÍÍA DE OPARINA DE OPARIN-- HALDANEHALDANE
Entre esos gases señalaron la presencia de metano (CH4 ), amoniaco (NH3 ), hidrógeno (H2 ) y vapor de agua (H2 O).
TEORÍA DE OPARIN‐HALDANE• LOS COMPONENTES DE LA ATMÓSFERA
PRIMITIVA REACCIONARON ENTRE SÍ
GRACIAS A LAS FUENTES ENERGÉTICAS EXISTENTES EN
LA TIERRA PRIMITIVA Y ORIGINARON LA MATERIA ORGÁNICA DE LAS BIOMOLÉCULAS.
• OPARIN Y HALDANE FUERON LOS PRIMEROS EN PROPONER UN ORIGEN FÍSICO‐QUÍMICO DE
LA VIDA.
• ESTAS IDEAS FUERON CORROBORADAS POR LOS EXPERIMENTOS DE MILLER‐UREY.
Experimento de Miller (1953)
Electrodos
Tubo frío
Descargas eléctricas
Agua hirviendo
Gases condensados
CH4 , NH3 , H2 y vapor de H2 O
Ref
riger
ació
n
•Miller introdujo en un aparato, una mezcla de los gases que supuestamente formaban la atmósfera primitiva de la Tierra.
•Esta mezcla llegaba a un recipiente donde se sometían a descargas eléctricas semejantes a las de las tormentas.
•La mezcla pasaba por un tubo frío dónde se condensaban los gases.
•Las sustancias condensadas se recogían en un recipiente que representaba el océano primitivo.
•En un recipiente hervía agua para forzar a los gases a circular y pasar por el tubo frío.
•El 15% del carbono de los gases se encontraba en el “océano” formando compuestos orgánicos. Entre ellos 13 aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y urea.
Urey 1893-1981
El análisis químico del contenido del “océano” desveló que se habían formado
compuestos orgánicos sencillos, incluidos un número sorprendente de los 20 aminoácidos típicos (como glicina) y
urea.
Permitió deducir muchas de las reacciones químicas que podrían haber ocurrido en el planeta prebiótico. La aparición de aminoácidos indicaba que, en la Tierra primitiva, podrían haber abundado estas sustancias necesarias para la formación de las proteínas.
Este famoso experimento:
Miller hipotetiza (1999):
1. Las reacciones químicas abióticas desarrollaron una química orgánica prebiótica.
2. Después se produjo una síntesis de polímeros: proteínas y ácidos nucleicos (durante 5 millones de años).
La síntesis orgánica inicial iría adquiriendo más complejidad química y, finalmente, su combinación pudo generar los organismos unicelulares más primitivos.
Pero... La materia orgánica no significa vida, sino la base para engendrarla.
Stanley Miller 1930-2007
Juan Oró 1923-2004
Realizó en 1961 un experimento de simulación de la atmósfera primitiva terrestre obteniendo, además de aminoácidos, adenina, que es un componente del ADN.
Sus resultados implicaban que, si la atmósfera era reductora,la adenina habría estado disponible para contribuir a la apari-ción de la vida, en concreto de los ácidos nucleicos del ADN.
Este científico español abrió un nuevo campo de investigación que condujo a la síntesis en el laboratorio de
otros componentes de los ácidos nucleicos.
EXPERIMENTO DE ORÓ
GENERACIÓN DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS SENCILLAS:
EXPERIMENTOS DE MILLER (1953) Y ORÓ
(1961).
– H2
O, CH4
, NH3
, H2
+ ENERGÍA
– HCN, HCOH
– AMINOÁCIDOS, NUCLEÓTIDOS, MONOSACÁRIDOS, ÁCIDOS
GRASOS.
POR LO TANTO, 1ª ETAPA:
AtmAtmóósfera de la Tierra primitivasfera de la Tierra primitiva
Aspecto importante y muy relevante, si el origen de la vida tuvo lugar en la superficie terrestre.
Sus componentes pudieron ser un suministro esencial para la producción de materia orgánica (Teoría de Oparin-Haldane).
Pero, ¿cómo era realmente la atmósfera terrestre?:(No hay evidencias geológicas de su composición)
¿Era MUY o POCO reductora?
¿NADA reductora (poco hidrógeno) y ALGO oxidante?
Algo está claro: No había oxígeno libre (O2 )
Los químicos atmosféricos proponen condiciones poco reductoras.Los químicos prebióticos proponen condiciones más reductoras, que son más propicias para la síntesis de biomoléculas.
Meteorito de Murchison1969
AtmAtmóósfera de la Tierra primitiva (sfera de la Tierra primitiva (cont.cont.))
El meteorito de Murchison, de 4.600 millones de años de antigüedad, tenía la mayoría de los compuestos orgánicos que se generan en condiciones más reductoras:
Aminoácidos, purinas, pirimidinas y azúcares.
Investigaciones recientes (1993) indican que la atmósfera primitiva nunca fue tan reductora como Miller y Urey imaginaron.
AtmAtmóósfera de la Tierra primitiva sfera de la Tierra primitiva
Los geofísicos creen que según el modo en que se formó la Tierra,se debió generar una atmósfera medianamente oxidante, con abundante dióxido de carbono (CO2 ), nitrógeno (N2 ) y agua, y sólo trazas de hidrógeno molecular. Esto implica ausencia de condiciones reductoras.
En esta atmósfera es más complicado explicar cómo surgieron las biomoléculas ya que su síntesis es menor.
¿Hubo quizá una fuente exógena para los compuestos orgánicos primitivos?, es decir, ¿un origen extraterrestre de
los mismos?
TeorTeorííaa de la de la panspermia: origen espacial panspermia: origen espacial de la vidade la vidaPropone que los compuestos orgánicos primitivos (a modo de “semillas”) serían traídos a la Tierra por partículas de polvo cósmico, cometas o meteoritos.
Fue propuesta por Arrhenius, Oró y Hoyle.
Se ha demostrado que se producen complejos procesos de síntesis química en los meteoritos, cometas y nubes moleculares del medio interestelar.
En los meteoritos carbonáceos (ej. Murchison) se han encontrado una familia de aminoácidos semejantes a los que se forman en el experimento de Miller-Urey, además de adenina y guanina.
Fred Hoyle, 1915-2001
EL CINTURÓN DE KUIPER
LA NUBE DE
OORT
• LOS MILLONES DE COMETAS Y METEORITOS QUE IMPACTARON CONTRA NUESTRO
PLANETA EN SUS 500 PRIMEROS MILLONES DE AÑOS DE EXISTENCIA PUDIERON
PROPORCIONAR LA MAYOR PARTE DEL AGUA Y LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS PRESENTES EN LA BIOSFERA.
MERCURIO
CRÁTERES DE IMPACTO
LA LUNA
CRÁTERES DE
IMPACTO
MARTE
GANÍMEDES: SATÉLITE DE JÚPITER
CALISTO: SATÉLITE
DE JÚPITER
ENCELADO : SATÉLITE DE
SATURNO
MIMAS: SATÉLITE
DE SATURNO
Cráter Barringer (al norte de Arizona, USA) de 1,2 km de longitud y 170 m de profundidad producido por el choque de un meteorito de unos 50 m hace 50.000 años.
• MUCHAS DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS QUE APARECÍAN EN LOS EXPERIMENTOS DE
LABORATORIO PARTICIPANDO EN LA SÍNTESIS PREBIÓTICA (agua (H2
O), amoniaco (NH3
), formaldehido
(HCOH), cianuro de hidrógeno
(HCN) etc) ABUNDAN EN LAS NUBES DE POLVO INTERESTELAR, EN LOS COMETAS Y EN LOS
METEORITOS.– ESTA MATERIA ORGÁNICA PRODUJO UN
ENRIQUECIMIENTO QUÍMICO PREBIÓTICO Y PUDO TENER UN PAPEL IMPORTANTE EN LA APARICIÓN
DE LA VIDA.
• UNA VERSIÓN MÁS ARRIESGADA Y NO PROBADA DE ESTA TEORÍA PROPONE QUE LA
VIDA LLEGÓ
DIRECTAMENTE A NUESTRO PLANETA EN FORMA DE UN
MICROORGANISMO ALIENÍGENA.– ALGUNOS CREEN QUE MARTE SERÍA UN POSIBLE
ORIGEN DE ESTA VIDA Y QUE LA TRANSMITIÓ
A NUESTRO PLANETA A TRAVÉS DE METEORITOS
MARCIANOS.
Parece ser que hubo mucho intercambio rocoso entre la Tierra y Marte: ¿la vida pudo venir en un meteorito desde
Marte?
Posible fósil bacteriano del meteorito marciano ALH 84001
LA TIERRA
MARTE
MARTE
CASQUETES POLARES
SUPERFICIE MARCIANA
¿ HUBO AGUA LÍQUIDA EN MARTE?
MARTE TIERRA
La NASA asegura que se han encontrado rocas talladas y moldeadas por corrientes de agua en la superficie
2ª ETAPA: SÍNTESIS DE POLIPÉPTIDOS (proteínas) Y POLINUCLEÓTIDOS (ácidos nucleicos).
TeorTeorííaa de la de la sopasopa prebiprebióóticaticaPropone que la vida pudo originarse en una solución acuosa de moléculas precursoras de proteínas (aminoácidos) y ácidos nucleicos (nucleótidos). Presupone la presencia de agua, en forma de aguas superficiales o mares poco profundos.
Esta hipótesis se revela hoy improbable y estásuperada teóricamente.
Los precursores moleculares se podrían haber formado por interacción de los componentes de la atmósfera primitiva, o por moléculas del polvo interestelar o de cometas, con el agua.
• LA HIPÓTESIS DE LA SOPA PREBIÓTICA PROPUESTA POR OPARIN, HALDANE Y MILLER
ESTA CASI ABANDONADA EN LA ACTUALIDAD.
• PROBLEMAS DE DICHA HIPÓTESIS:– ESTE PROCESO DE SÍNTESIS REQUERIRÍA MUCHO
TIEMPO Y PARECE QUE LA VIDA APARECIÓ
Y SE DIVERSIFICÓ
RÁPIDAMENTE (300 MILLONES DE
AÑOS).
– EN MEDIOS ACUOSOS SE PRODUCEN REACCIONES DE HIDRÓLISIS (RUPTURA) DE MACROMOLÉCULAS.
– ALGUNOS GEÓLOGOS PIENSAN QUE LA TIERRA ESTABA AÚN MUY CALIENTE (HACE 4000 MILLONES
DE AÑOS).
• LAS BIOMOLÉCULAS PUDIERON TENER UN CATALIZADOR QUE ACELERARA SU
FORMACIÓN:– ¿EN LA SUPERFICIE DE DETERMINADOS
MINERALES?
– TEORÍA DE LA PIZZA PREBIÓTICA (O SUPERFICIE PRIMITIVA).
POSIBLE SOLUCIÓN:
TeorTeorííaa de la de la ““pizzapizza”” prebiprebióóticatica
En el agua hay una baja probabilidad de formarse biomoléculas porque tiende a romper (hidrolizar) las moléculas grandes.Por eso propone que ciertas superficies mine- rales pudieron tener el potencial de facilitar la formación (polimerización) de macromoléculas orgánicas prebióticas.
Propuesta en 1996 por Orgel sugiere un nuevo soporte para la vida, más parecido a una pizza de arcilla que a una sopa.
Experimentos de simulación llevados a cabo en el laboratorio han demostrado que ciertas superficies arcillosas permiten la formación de largos polímeros prebióticos, precursores de los ácidos nucleicos y las proteínas.
Leslie E. Orgel1927-2007
EN LAS SUPERFICIES
ARCILLOSAS DE LAGOS, MARES Y
OCÉANOS PRIMITIVOS SE
PUDO PRODUCIR LA SÍNTESIS DE
POLÍMEROS COMO ÁCIDOS
NUCLEICOS Y PROTEÍNAS.
En la actualidad se maneja un número
considerable de posibles escenarios para la
aparición de la vida.
• En la superficie de la Tierra, influyendo entonces:-la atmósfera-el polvo cósmico y los cometas-los volcanes…
• En otros lugares: fondo del mar...
Pero la vida pudo surgir en distintos escenarios:
Posibles escenarios donde pudo aparecer la vida• Océanos, mares, lagunas, charcos...
• El cosmos (hipótesis de la panspermia):-en granos de polvo interestelar-en partículas de hielo de un cometa
• Entre capas de arcilla.
• Fisuras de rocas.
• Bajo el hielo de los polos
• En una dorsal oceánica.
Ciertos procesos relevantes para el origen de la vida pudieron tener lugar en ambientes distintos a la superficie terrestre, donde las condiciones físico-químicas pudieron ser favorables.
Uno de estos lugares pudo ser:
• Las fuentes calientes submarinas:-Chimeneas hidrotermales.
Algunos de los materiales orgánicos requeridos para la vida podrían NO proceder de la superficie terrestre, sino de debajo de ella, de fisuras de la corteza oceánica submarina.
Hay una teoría que propone la aparición de la vida a elevadas temperaturas, a gran profundidad en los océanos de la Tierra primitiva en las chimeneas hidrotermales.
FONDO DE LOS OCÉANOS TERRESTRES
Chimeneas hidrotermales Chimeneas hidrotermales
Chimeneas hidrotermales Chimeneas hidrotermales En estos lugares salen chorros de agua ricos en minerales, a temperaturas de hasta 350 ºC, en los que actualmente viven organismos llamados extremófilos (hipertermófilos).
• ALGUNOS CIENTÍFICOS PIENSAN QUE LA VIDA APARECIÓ
NO EN LAS ORILLAS DE
MARES POCO PROFUNDOS, SINO EN LAS PROFUNDIDADES OCEÁNICAS DE LA TIERRA
PRIMITIVA, ASOCIADAS A LAS MUY CALIENTES EMANACIONES ACUOSAS DE LAS
CHIMENEAS HIDROTERMALES.
• LA VIDA PUDO APARECER A ELEVADAS TEMPERATURAS:
– ORIGEN CALIENTE DE LA VIDA
Carl Woese, 1928-
Woese en los años 70 descubrió los extremófilos (termófilos de charcas volcánicas), muchos de los cuales son arqueobacterias.
Propone que el origen de la vida ocurrió en aguas calientes, sulfurosas y bajo las condiciones anaerobias de las aguas submarinas.
Las altas temperaturas favorecerían las reacciones de síntesis y en experimentos de simulación con estas condiciones se han obtenido aminoácidos y péptidos.
Para estos científicos los primeros seres vivos serían parecidos a las arqueobacterias hipertermófilas.
WWäächtershchtershääuseruser (teor(teoríía hierroa hierro--sulfuro)sulfuro)
Este químico alemán en apoyo a Woese, propuso en 1980 que los componentes de los seres vivos, pudieron ensamblarse en la superficie de minerales, cerca de salidas volcáni-cas submarinas que:• expulsan, a gran temperatura, una
combinación de sulfuros metálicos (Fe, Ni).
Se llama teoría del hierro-sulfuro y sugiere que:• Los sulfuros de hierro y níquel pudieron catalizar la formación de las primeras biomoléculas.• Las biomoléculas se acumularían, lo que favorecería su interacción y la aparición de muchos precursores moleculares de la vida.
Günter
• SEGÚN ESTA HIPÓTESIS LOS PRIMEROS ORGANISMOS VIVOS
CELULARES SERÍAN AUTÓTROFOS
QUIMIOSINTÉTICOS, CAPACES DE OBTENER ENERGÍA A PARTIR
DE SULFUROS DE HIERRO Y NIQUEL:
– ALGO ANÁLOGO SUCEDE CON LAS ARQUEOBACTERIAS DE RIOTINTO.
La teoría de Woese-Wächtershäuser es:• Compatible con la de la “pizza” prebiótica.• Opuesta a la teoría de Oparin y Haldane.• Incompatible con lo que piensan otros especialistas, como Miller que apoya un origen más frío de la vida.
Los pasos del proceso del origen de la vida fueron:
1. Química prebiótica.2. Aumento gradual de la complejidad de las
reacciones químicas: aparición de los polímeros (ácidos nucleicos, proteínas).
3. Paso de la Química a la Biología: organismos unicelulares más primitivos.
4. Evolución biológica y aumento de la biodiversidad.
Aunque puedan existir visiones científicas distintas acerca de ciertos detalles del proceso, hay un consenso
general en que:
Esta persistencia de los procesos genéticos y moleculares, sin cambios durante tantos millones de años hasta hoy:
Es un ejemplo claro de conservacionismo que apoya la teoría de la evolución y nuestra procedencia de un organismo
celular ancestral común a todos los seres vivos.
Después de la aparición y expansión de la vida:
Los procesos genéticos y los rasgos moleculares fundamentales han persistido en todos los seres vivos, sin cambios esenciales, durante más de 3.500 millones de años.