L’origen de la vida i de l’ésser

humà UNITAT 2

Cultura científica

Fany Ballesteros

Què aprendrem? • Com es va poder originar la vida?

Discutirem sobre les teories sobre l’origen de la vida

• Com va evolucionar la vida a la Terra?

Compararem entre arguments sustentadors de les idees evolutives: fets,

teories i evidències.

• Quins processos van dur a l’aparició de l’esser humà?

Analitzar i significar els fòssils homínids i coneixement dels principals

mètodes de datació.

Què sabem? Avaluació inicial

Què és la vida? • El Sol és una estrella que va nèixer fa aproximadament 6,000 milions d’anys i molt

probablement morirà en uns 5000 milions més. Està viu?

• Els bacteris no creixen ni envelleixen. Estan vius?

• Quan un bacteri es divideix en dos, quin dels dos neix?

• Els virus informàtics es reprodueixen, estan vius?

• Els virus biològics no estan fets per un altre virus, ni tampoc tenen metabolisme propi, estan vius?

Què és la vida? • El Sol és una estrella que va nèixer fa aproximadament 6,000 milions d’anys i molt

probablement morirà en uns 5000 milions més. Està viu?

• Els bacteris no creixen ni envelleixen. Estan vius?

• Quan un bacteri es divideix en dos, quin dels dos neix?

• Els virus informàtics es reprodueixen, estan vius?

• Els virus biològics no estan fets per un altre virus, ni tampoc tenen metabolisme propi, estan vius?

Lectura

La típica definició de neix, creix, es

reprodueix i mor és insuficient, no

ajuda a distingir el que és viu del que

no ho és.

Complexitat Diferents nivells d’organització de la matèria

Què és la vida?

Virus

organisme acel·lular

(ADN + càpsula

proteica)

Bacteri

Organisme unicel·lular

Mamífers

Organisme pluricel·lular (teixits, òrgans, sistemes)

Què és la vida?

Diversitat

Viure amb oxigen o intoxicar-se amb ell. Viure a més de 200ºC o a

temperatures sota zero. Reproducció sexual, asexual... Viure sota grans pressions o al buit. …..

Vida sota 0ºC

Bacteris termòfils viuen a més

de 200ºC

Peixos

abissals a més

de 200º m de

profunditat.

Què és la vida?

Automanteniment: prendre substàncies del medi i eliminar les substàncies de

rebuig per mantenir l’estructura i metabolisme. Implica

Intercanvi de matèria i energia (Nutrició)

Interacció amb l’entorn i amb altres éssers vius (Relació)

Capacitat de generar un nou organisme que contingui el material genètic del

progenitor (reproducció)

Què és la vida? Més definicions…

“Una zona separada del medi, que inclogui una font

d’energia, que s’adapti al medi i evolucioni i que sigui capaç

de reproduir-se”

ROBERT SHAPIRO

(Bioquímic) “informació i DNA replicable (mitjançant

proteïnes) a l’abric d’una membrana

CHRIS McKAY

(Astrobiòleg)

“un objecte complex que conté informació, es reprodueix i evoluciona

per selecció natural

LESLIE ORGEL

(Bioquímic)

De què està feta la matèria viva?

La matèria: Els elements químics (1r nivell estructural)

Elements químic: No poden ser descomposats en altres substàncies més senzilles mitjançant cap tipus de reacció química. Són indivisibles i la seva combinació forma tota la matèria que existeix (matèria viva, matèria inert). Model atòmic

Quins d’aquests elements

forman part de la matèria

viva?

Experiment pàg. 27

La matèria: Els bioelements (1r nivell estructural)

Són aquells els elements químics que formen part dels

éssers vius.

Composició en % de la matèria que forma els

éssers vius

, P, S

S’agrupen per formar

L’estructura del carboni

• Propietat de formar 4 enllaços amb elements diferents (incloent

el C).

• Les cadenes de carboni poden ser lineals, ramificades i cícliques

diversitat de compostos.

• Es coneixen prop de 10 milions de compostos orgànics formats

per estructures de carboni.

• Dins del cos humà, és el segon element més abundant per massa

(aproximadament un 18,5% de la total) després de l’oxigen Exemple de molècula formada amb

carboni

La matèria: Les biomolècules (2n nivell estructural)

• Una molècula és l’agrupació de diferents elements (iguals o diferents) mitjançant l’enllaç químic.

• Les biomolècules són les molècules que formen els éssers vius, la matèria prima que els constitueixen.

• Els bioelements més abundants als organismes es combinen per formar les 4 biomolècules:

• Glucosa,

• Almidó,

• Cel·lulosa

• Fructosa…

Funció energètica i

estructural

• Àcids grasos,

• Triglicèris

• Colesterol

• Fosfolípids…

Funció energètica

• Enzims • Hormones • Hemoglobina • Anticossos…

Tenen múltiples

funcions

• ADN • ARN

Contenen la

informació genètica

Exemples d’estructures moleculars

Estructura molecular dels monosacàrids,

component principal dels glúcids:

Estructura molecular dels aminoàcids,

component principal de les proteines

Estructura molecular dels nucleòtids, component

principal del l’ADN i l’ARN (els àcids nucleics)

Estructura molecular dels àcids grasos,

component principal dls lípids

Els monòmers són molecules senzilles, petites, unitats bàsiques que

en unir-se a altres monòmers (desenes, centenars, milers) formen les

molècules grans, els polímers.

• Orgànuls: formats per agrupacions de biomolècules. Formen la cèl·lula i

s’encarreguen de dur a terme les funcions vitals cel·lulars.

• La cèl·lula es l’estructura més petita que pot considerar-se viva, és la unitat

funcional de tots els éssers vius.

• És capaç de fer les 3 funcions vitals: nutrició, respiració, reproducció

Els orgànuls i la cèl·lula (3r i 4t nivells estructurals)

Biomolècules Orgànuls cel·lulars

Cèl·lula

Tamanys relatius de les diferents estructures.

Preguntes que sorgeixen… • D’on procedeixen les biomolècules? • Com es van poder organitzar per donar lloc a una

associació comparable a la cèl·lula?

Hipòtesis sobre l’origen de la vida:

1. La síntesi abiòtica: Hipòtesi d’Oparin i Aldane

2. La hipòtesi del món de l’ARN

3. L’origen extraterrestre: Hipòtesi de la panspèrmia

4. La hipòtesi de l’origen a les fonts hidrotermals

Quins són els punts a

favor i quins

quins en contra?

L’evolució química de la vida:

• Hipòtesi d’Oparin i Aldane (1924, 1928)

• Experiment de Miller (1953)

La hipòtesi d’Oparin i Aldane

L’atmosfera primitiva

La síntesis abiòtica: de la matèria inerta a la matèria

viva

1) El punt de partida, fa ~4.000m.a: L’ATMOSFERA PRIMITIVA

• Formada per gasos com: hidrogen

(H2) nitrogen (N2) metà (CH4),

amoníac (NH3) diòxid de carboni

(CO2) i vapor d’aigua (H2O).

• Absència d’oxigen.

• En aquestes substàncies estaven

els principals bioelements que

formen la matèria viva: C, H O, N

2) Formació de biomolècules senzilles

• L’energia procedent de:

▫ La calor de les erupcions volcàniques

▫ Les descàrregues elèctriques

▫ Les radiacions solars.

va proporcionar l’energia per a que els

components de l’atmosfera reaccionessin i

formessin les primeres biomolècules, molt

simples, els monòmers:

• Aminoàcids

• Sucres

• Nucleòtids…

• L’absència d’oxigen era una condició

important ja que l’O2 hauria impedit la

formació d’agregats més complexos.

La síntesis abiòtica: de la matèria inerta a la matèria

viva

3) Polimerització de biomolècules complexes

• Els monòmers (sucres, aminoàcids i altres molècules senzilles) van reaccionar

entre sí per donar lloc a molècules més complexes, les biomolècules:

▫ Glúcids

▫ Lípids

▫ Proteïnes

▫ Àcids nucleics

La síntesis abiòtica: de la matèria inerta a la matèria

viva

4) El brou primitiu o sopa primordial

• El refredament de la superfície terrestre va condensar el vapor d’aigua de l’atmosfera formant els

oceans primitius.

• Els compostos orgànics (biomolècules) formats a l'atmosfera van ser arrossegats cap als mars per les

pluges, quedant emmagatzemats a l’aigua.

• L’ambient càlid de la Terra primitiva va evaporar l’aigua en basses superficials, fet que va permetre la

concentració de les molècules orgàniques. Ho va anomenar “sopa primordial“ .

La síntesis abiòtica: de la matèria inerta a la matèria

viva

5) Formació dels coacervats

• Les molècules van continuar diversificant-se formant agregats cada cop

més complexos quedant seleccionats de manera natural els més

estables.

• Algunes d’aquestes macromolècules es van associar de forma

espontania en petites esferes que va anomenar coacervats.

• Posteriorment va demostrar que es podien formar membranes lipídiques

que aïllaben del medi extern les molècules biològiques.

• Característiques del coacervats.

• La velocitat de les reaccions químiques al seu interior és major

que les velocitats al medi extern inici del metabolisme cel·lular.

• Quan la seva grandària esdevé excessiva, tendeiexen a trencar-

se espontàniament produint dues gotícules filles.

De la síntesi abiòtica als primers

organismes

5) Els coacervats, precursors de les cèl·lules procariotes.

• Aquestes estructures precel·lulars, efectuarien

intercanvis amb el medi extern, evolucionant

cap a estructures més complexes, fins al

sorgiment de les primeres formes cel·lulars

• Aquests éssers estaven proveïts d’una

membrana que separava el medi intern de

l’extern i d’una metabolisme rudimentari que

els permetia l’obtenció d’energia i la

reproducció: les cèl·lules procariotes.

De la síntesi abiòtica als primers organismes

Coacervat (estructura precel·lular)

• La vida es va formar a la Terra de forma espontània a partir de matèria inert.

• L’aparició de la vida va anar precedida d’un llarg període d’evolució química.

• A partir d’aquests composts orgànics es formarien els primers éssers vius.

La hipòtesi d’Oparin

L’experiment de Miller (1953)

• Comprova que es poden formar molècules orgàniques a partir de substàncies inorgàniques simples sota condicions ambientals adequades.

L’experiment de Miller (1953)

• Realitza un experiment per contrastar la

hipòtesi d’Oparin.

• Dissenya un aparell en el que simula les

condicions de l’atmosfera primitiva.

• L’experiment va consistir en sotmetre una

barreja de metà (CH4), amoníac (NH3),

hidrogen (H2) i aigua (H2O) a

descàrregues elèctriques d’alt voltatge.

• El resultat va ser la obtenció de molècules

orgàniques (principalment aminoàcids),

usats per les cèl·lules com els pilars bàsics

per sintetitzar les seves proteïnes.

• Posteriorment a Miller, s’han obtingut també

nucleòtids

La hipòtesi del món ARN

• Un altre candidat de la abiogènesis.

• Proposa que la vida va sorgir a partir de la versatilitat de la molècula d’ARN, amb el desenvolupament posterior d’una membrana al seu voltant donant origen a la primera cèl·lula procariota.

• L’ARN i l’ADN són les biomolècules amb capacitat d’emmagatzemar, transmetre i duplicar la informació genètica.

• A les cèl·lules actuals és l’ADN qui té aquesta funció, però ha de ser assistit sempre per proteïnes. Alhora, les proteïnes és formen gràcies a la informació continguda a l’ADN.

Què fa que l’ARN sigui candidat a ser la primera molècula portadora de la informació genètica? Avantatges de l’ARN vs l’ADN

• Capacitat de crear còpies de sí mateix (l’ADN necessita per fer-ho col·laboració de l’ARN i les

proteïnes).

Hipòtesi del món ARN

• Capacitat per actuar com a enzim

(molècula que ajuda a fer les

reaccions químiques necessàries per

l’activitat cel·lular). A la cèl·lula

aquesta funció és principal de les

proteïnes.

• S’ha demostrat que l’ARN pot formar-

se de manera espontània (les

proteïnes i l’ADN no)

Capaç de reproduïr fidelment la

informació genètica d’un ésser viu!

Hipòtesi del món ARN

Nuclèotids (monòmers)

Molècula d’ARN (polímer), format de manera

espontània

Autoduplicació de la molècula d’ARN. Els nucleòtids

s’aparellen espontaniament per complementarietat de

bases.

Generació de dues còpies que contenen la mateixa

informació genètica.

Mecanisme d’autoduplicació de l’ARN

Hipòtesi del món ARN

Possible mecanisme d’evolució de l’ARN a l’ADN com a molècula portadora de

la informació genètica.

1. Les peces bàsiques de l’ARN (nucleòtids) s’uneixen espontaniament formant

petites molècules d’ARN. Les molècules d’ARN s’autocopien per

complementarietat de bases.

2. Les molècules d’ARN sintetitzen proteïnes, que poden actuar d’enzims.

3. Les proteïnes amb funció enzimàtica ajuden a l’ARN a duplicar-se i a fabricar la

seva versió de doble cadena, l’ADN (més estable que l’ARN). L’ADN té ara el

control, i utilitza l’ARN per fabricar proteïnes i còpies de l’ADN.

Possible evolució de la matèria fins les primeres cèl·lules

L’origen extraterrestre: hipòtesi de la

panspèrmia.

• Al sXIX diversos científics defensen que les primeres formes de vida han arribat de

l’espai.

• Al 1906, Arrenhius suggereix que formes de vida diminutes (espores bacterianes)

escapades d’algun planeta i transportades per radiació lluminosa es van desplaçar

per l’espai i podrien haver innoculat vida a diferents zones de la galaxia

L’origen extraterrestre: hipòtesi de la

panspèrmia.

• Arguments a favor:

▫ Presència de compostos orgànics (com

aminoàcids i proteïnes) en alguns meteorits

caiguts a la Terra

▫ Bacteris a la Terra que viuen en condicions

extremes.

▫ Està provat que les bacteries són capaces de

sobreviure a l’espai exterior.

• Arguments en contra:.

▫ Encara no hi ha evidències de vida

extraterrestre

La hipòtesis de l’origen a les fonts

hidrotermals

Descobertes l’any 1977 a l’Oceà Pacífic.

Són unes xemeneies submarines,

pròximes a les dorsals oceàniques, (2000-

4000m de profunditat), on brota aigua molt

calenta (350ºC) i rica en elements

químics inorgànics (com els compostos

de sofre, H2S).

Les fonts hidrotermals

Hi habiten nombroses espècies

submarines, sense accés a la llum

solar. Utilitzen l’energia continguda

en els compostos de sofre. Són

organismes QUIMIOSINTÈTICS.

Les condicions de vida recorden a

les de la Terra primitiva

• En l’atmosfera primitiva no hi havia capa d’ozó que protegís la Terra dels raigs

UV. La UV destrueix qualsevol forma de vida. Impossibilitat de vida a la superficie.

• Segons aquesta hipòtesi, la vida sorgiria a les profunditats de l’oceà, prop de les

fonts hidrotermals, on el gruix d’aigua protegiria els primers microorganismes de la

radiació UV.

• L’energia calorífica d’aquests indrets permetria la formació molècules

complexes (condicions semblants a les que van donar lloc a la sopa primitiva).

• Les primeres cèl·lules van aparèixer a les profunditats del fons oceànic fa 3,800ma.

Es nutrien a partir de substàncies disponibles en aquest indrets profunds.

• Quan aquesta matèria a s’esgota, les cèl·lules aprenen a fabricar matèria

orgànica a partir de CO2 de l’aigua i de l’energia continguda als compostos

sulfurats de les fonts hidrotermals, produint carbohidrats (sucres) simples

(QUIMIOSINTESIS)

La hipòtesis de l’origen a les fonts hidrotermals

La hipòtesis de l’origen a les fonts hidrotermals

La fotosíntesis cambia les condicions ambientals:

• La producció de compostos orgànics a partir de diòxid de

carboni disminuiria els nivells de CO2 atmosfèric

disminució de l’efecte hivernacle disminució de la

temperatura fins l’assoliment de la temperatura apta per la

vida.

• L‘O2 alliberat durant milions d’anys generaria la capa d’ozó

(O3), que protegiria la superficie terrestre de la radiació UV

possibilitant l’evolució de formes de vida aquàtiques i també

terrestres.

3800 ma

• Aparició de les primeres formes cel·lulars (quimiosíntesis)

3500ma

• Colonització de zones superficials. Aprofitament de l’energia solar. Aparició fotosintesis

2500ma

• Sorgeixen les cianobacteries. Alliberen oxigen a l’atmosfera com a residu de la fotosíntesis.

La fotosíntesis • Procés químic que realitzen plantes, algues i

cianobacteris que converteix:

▫ L’energia llumínica en energia química d’enllaç

(continguda als enllaços que uneixen els àtoms a

les molècules).

▫ El carboni del CO2 en compostos orgànics

• La reacció química és la següent:

• Importància:

▫ Genera una forma d’energia útil per la resta

d’éssers vius. (energia química d’enllaç)

▫ Converteix el CO2 atmosfèric en biomolècules

Comportament de les molècules en la fotosíntesis

La capa d’ozó

Importància

• Filtra les radiacions solars UV perjudicials.

• Sense la capa d’ozó la vida a la Terra no seria possible: ▫ Destrucció del fitoplàncton (alteració de la cadena alimentaria als oceans)

▫ Afectació del creixement en plantes

▫ Problemes de salut: càncer de pell , afebliment de les defenses, problemes de visió en persones i animals.