L’ origen de la vida i
l’evolució de
les espècies (1)
1. INTRODUCCIÓ. L’ÉSSER VIU I LA VIDA
2. L’ORIGEN DE LA VIDA I ELS PRIMERS
ORGANISMES
3. HIPÒTESIS ACTUALS SOBRE L’ORIGEN DE LA
VIDA
4. ELS PRIMERS ORGANISMES
5. L’ORIGEN DE LES ESPÈCIES
Introducció: la recepta de la
vida
DE QUÈ ESTÀ FETA LA MATÈRIA VIVA?
Dels 90 elements químics de la naturalesa,
ENERGIA PER A LA VIDA LLUM
Matèria Inorgànica Matèria orgànica RESPIRACIÓ
FOTOSÍNTESI
energia química
Matèria orgànica simple
LA DEFINICIÓ DE LA VIDA
Cristian De Duve: La vida és desequilibri
Carl Sagan: La vida és una regió on s’incrementa l’ordre en cicles moguts per un flux d’energia
Robert Shapiro: 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.
Chris McKay: La vida és informació i ADN replicable.
Leslie Orgel: La vida és un objecte complex que conté
informació, es reprodueix i evoluciona per selecció natural.
Francis Crick: Per tal com n’és de complicada, gairebé és un miracle
L’ORIGEN DEL CARBONI (principal Bioelement)
CARBONI
El SÓL conté comparativament 30 vegades menys carboni que la Biosfera
L’ORIGEN DE L’AIGUA
O i H principals Bioelements
AIGUA
Portada a la Terra en formació, per asteroides procedents
1. L’ ésser viu i la vida
Els éssers vius o organismes vius són aquells que realitzen les tres funcions vitals:
Les 3 funcions vitals
•
Nutrició
: captar matèria i energia de
l’exterior a fi de mantenir la seva
estructura, crèixer, desenvolupar-se i
realitzar les funcions vitals.
•
Relació
: captar estímuls de l’exterior i
elaborar-hi respostes adequades.
Característiques dels éssers vius
• Actuen espontàniament i amb una certa intencionalitat.
• Són éssers molt complexos.
• Estan constituïts per una cèl·lula o més.
• La informació biològica sobre la seva estructura corporal
(anatomia) i el seu funcionament (fisiologia) es troba en els àcids nucleics.
• Els éssers vius mantenen relativament constant el seu
Són éssers molt complexos
Degut a que han de regular moltes reaccions químiques internes diferents i respondre adequadament a un gran nombre de substàncies externes.
Els éssers vius estan constituïts per:
Matèria orgànica
C,H, O, N
Estan constituïts per una cèl·∙lula
(unicel·∙lulars) o més (pluricel·∙lulars)
• Cèl·lula:
– Punt de vista estructural: és una estructura de matèria viva constituïda per una
membrana, un citoplasma, i material genètic (ADN) que conté la informació sobre la seva estructura i funcionament.
Tipus de cèl·∙lules
Tipus de cèl·∙lules:
Procariotes
No tenen nucli cel·∙lular diferenciat
Eucariotes
La informació biològica sobre la seva estructura corporal i el seu funcionament es troba en els àcids
nucleics
• Cadascuna de les unitats d’informació es denomina
GEN.
• Els gens d’un ésser viu són hereditaris, per la qual cosa
Els éssers vius mantenen relativament constant
el seu medi intern
•
L’objectiu és intentar que no els afectin les
variacions del medi ambient.
2. L’ origen de la vida i dels primers
organismes
• Primeres explicacions històriques → els éssers vius
van ser creats per algun ésser superior.
• Actualment s’entén que els textos religiosos pretenen
2.1. Hipòtesis principals sobre l’origen
de la vida
o La vida va aparèixer a la Terra fa més de 3500 milions d’anys i l’edat de la Terra és de 4600 milions d’anys.
o Els científics creuen que els primers éssers vius eren d’organització simple, i la resta dels organismes que han existit i que existeixen en procedeixen per evolució.
2.1.1. L’origen extraterrestre de la vida.
Hipòtesi de la Panspèrmia.
• Segle XIX → Es pensava que els meteorits
podien transportar microorganismes en
Hipòtesi de la Panspèrmia
• Any 1906 → defensada pel químic
Arrhenius
Hipòtesi de la Panspèrmia
Punts a favor
•A les nebuloses s’han descobert moltes molècules que formen part dels éssers vius.
•Els xocs d’altres cossos contra la Terra estan demostrats.
•Si l’aigua va arribar a bord
d’asteroides, per què aquests no van poder portar també uns quants
bacteris en forma d’espores?
•Les característiques comunes dels éssers vius semblen indicar que la vida va començar a partir d’un patró únic.
Punts en contra
•Encara no hi ha cap prova que hi hagi vida fora de la Terra.
•La panspèrmia no resol el problema de l’ origen de la vida: sols el
trasllada d’escenari.
•Cap ésser viu no podria travessar l’espai i resistir el rigor de les
condicions existents, com
temperatures extremament baixes i la intensitat de la radiació
Hipòtesi de la panspèrmia dirigida
La vida va ser sembrada a la Terra, i potser
també en uns altres planetes, per éssers
intel·ligents
que procedien d’altres
sistemes solars
que havien aconseguit un
grau d’evolució avançat.
Per tant disposaven de sistemes per evitar
ser afectats per les radiacions en els seus
viatges per l’espai i de sistemes de
Conclusió
• 1922, bioquímic rus Oparin
• La majoria de les explicacions modernes sobre l’origen de la vida es basen en les idees
d’Oparin.
• L’aparició de la vida va anar
precedida d’un llarg període d’ evolució química.
Hipòtesi d’ Oparin
Etapa inicial: formació de molècules orgàniques a partir dels materials
de la Terra primitiva
Formació del brou primitiu: en refredar-‐se la superfície terrestre →
condensació vapor d’aigua → formació oceans primitius → emmagatzematge dels compostos
Un escenari per a la vida
Un escenari per a la vida:
Un interior molt calent
• Vulcanisme molt intens.
• La majoria dels continents no s’havien format
→ gairebé tot el vulcanisme era submarí.
• Molts organismes primitius (bacteris i similars) viuen en aigües molt càlides riques en minerals dissolts, sense
necessitat de l’energia solar.
Una atmosfera densa sense oxigen
en un planeta oceànic
• En la protoatmosfera no hi havia oxigen, i
per tant, tampoc ozó que protegís la
Si no hi havia protecció contra els raigs ultraviolats. Com es possible que prosperés la vida?
• Com és possible que prosperés la vida si no hi havia protecció contra els raigs ultraviolats?
• Degut a que la vida es va formar, i en principi va prosperar sota
Hipòtesi d’Oparin
Primer es van formar molècules orgàniques a partir dels materials de la Terra primitiva.
Què va ser necessari per formar les primeres molècules orgàniques?
Precursors
Precursors químics
L’atmosfera primitiva contenia:
Precursors químics
•
Condició essencial
: manca d’oxigen
Fonts d’energia
Fonts d’energia
Radiació ultraviolada
Descàrregues elèctriques de
l’atmosfera
Energia alliberada pels minerals
radioactius
Calor emesa pels volcans en
• A partir dels precursors químics, al refredar-‐se la Terra, es va
originar una gran quantitat de molècules orgàniques (C,H,O,N)
que es van acumular a la hidrosfera i van constituir el brou
primitiu.
• Algunes d’aquestes molècules petites (monòmers) es devien
combinar i formar molècules d’elevat pes molecular
(polímers), les quals s’unirien per constituir microscòpiques
estructures tancades, anomenades coacervats.
Ø Coacervats: estructures microscòpiques tancades, formades per un embolcall i un medi intern que podria presentar
enzims. Els coacervats tindrien un metabolisme molt senzill que els permetria créixer i dividir-‐se. (Molt paregut a una cel·∙lula, no?).
Origen de la vida a
partir dels coacervats
•
Oparin va aconseguir obtenir coacervats al
laboratori que creixessin i que es dividissin.
•
El
1924
va arribar a la conclusió de que els
coacervats eren els precursors dels éssers
vius.
•
El
1929
, el científic anglés, J.B. Haldane va
arribar a les mateixes conclusions.
•
L’hipòtesi d’Oparin explica com es va
poder passar de la matèria inorgànica a
l’orgànica, però no com es passa de la
no-vida a la vida.
•
No explica l’origen dels enzims interns
dels coacervats ni com podrien
•En 1953,
Stanley Miller
va confirmar
experimentalment la hipòtesi d’ Oparin.
•
Procediment experimental
:
– Va introduir en un matràs esfèric els gasos que presumiblement constituïen l’atmosfera primitiva (metà, amoníac, hidrogen i vapor d’aigua).
– Els va sotmetre durant una setmana a descàrregues elèctriques.
– Va mantenir el recipient a una temperatura pròxima a la d’ebullició de l’aigua.
Resultats
:
•
Al recipient havien aparegut molècules
Valoració de l’experiment de Miller
•
Avui dia sabem que mai no hi va haver
gaire metà (gas molt inestable a
l’atmosfera de la Terra).
•
No explica l’origen de la vida.
•
Si explica que és possible sintetitzar
matèria
orgànica
a
partir
de
la
2.1.4. La síntesi artificial de matèria
orgànica
complexa: els experiments de S. Fox
•
En 1958, el científic americà
S. Fox.
•
Hipòtesi de treball
:
– A les regions volcàniques pròximes al mar de la Terra primitiva, les barreges d’aminoàcids del brou primitiu es van escalfar i es van dessecar, la qual cosa va poder originar polímers d’aminoàcids, és a dir proteïnes.
•
Procediment experimental
:
– Va introduir en un forn una porció de lava en què
La síntesi artificial de matèria orgànica
complexa: els experiments de S. Fox
• Resultats:
– Va obtenir polímers d’aminoàcids similars a les proteïnes que va denominar proteïnoids termals, els quals formaven petites
gotetes.
– Aquestes gotetes les va anomenar microesferes, i
Valoració dels experiments de
S. Fox
No explicaven com s’originaria la
primera estructura viva, ja que les
microesferes no presentaven molècules
capaces de contenir i transmetre la
•
A partir de 1959, el científic català
Joan Oró.
•
Hipòtesi de treball
:
– Els primers compostos orgànics es podrien haver format en part a la Terra i en part als meteorits i cometes que van caure a la Terra.
– Dada que sustenta aquesta hipòtesi:
• Els elements que componen les biomolècules
(carboni, nitrogen, oxigen, sofre i fòsfor) es troben entre els més abundants a l’Univers, després de l’hidrogen, l’heli i el neó.
La síntesi d’àcids nucleics: els
experiments de Joan Oró
•
Procediment experimental
:
– Semblant al de Miller però canviant la composició dels gasos per altres d’abundants als cometes
(àcid cianhídric, amoníac i aigua).
•
Resultats
:
Hipòtesi d’ Oró
Primer ésser
viu
Protoribosoma (estructura que sintetitza les proteïnes)
Protoenzima
Proto-‐ADN o Proto-‐ ARN (amb informació biològica i capacitat
d’autoduplicar-‐se)
Proto-‐ARN de transferència
El primer ésser viu es devia originar a partir de l’acció conjunta de cinc macromolècules.
•
Problema
: Avui dia no se sap en quin ordre van
aparèixer les estructures que van formar la
primera unitat autònoma viva o protobiont,
que seria l’avantpassat comú a tots els éssers
vius.
•
Protobiont
: És un agregat de molècules envoltat
Hipòtesis actuals sobre l’origen de la vida
Hipòtesi d’Oparin
actualitzada Hipòtesi d’Eigen ode l’ ARN primitiu
3.1. Hipòtesi d’ Oparin actualitzada
•L’ atmosfera primitiva no era completament reductora, sinó que presentava una certa quantitat d’oxigen.
•Proves:
– Els carbonats i òxids de ferro que s’han trobat en roques de fa 3800 milions d’anys, quan va aparèixer la vida a la Terra.
– Aquestes substàncies no es podrien haver format en una atmosfera reductora (sense oxigen).
•
Possible explicació
:
– Una caiguda incessant de meteorits va provocar la sortida de gasos pesats de l’interior de la Terra → va modificar la composició de l’atmosfera
primitiva, constituïda per gasos molt lleugers.
•
Protobiont
: Primera unitat autònoma viva,
seria l’avantpassat comú a tots els éssers vius.
•
Els components del protobiont es van anar
formant en aquest ordre:
•
El 1981, M. Eigen.
Hipòtesi de treball
:
A partir de nucleòtids solts, es va constituïr la primera molècula
(ARN) amb capacitat de contenir informació genètica,
d’autoreplicar-‐se i de controlar els altres processos biològics.
Gens en
forma d’ ARN Enzims Membranaplàsmica
Durant el procés evolutiu, la funció de contenir la informació genètica passaria de l’ARN a l’ADN, que és una molècula més estable; i les funcions catalítiques, a les proteïnes enzimàtiques.
•
L’any 1982, el científic A.G. Cairns-‐Smith.
•
Hipòtesi de treball
:
– Els ions metàl·∙lics dels minerals de l’argila, en ordenar-‐ se espontàniament durant la cristal·∙lització, provocarien una ordenació determinada dels aminoàcids que van constituir les primeres proteïnes enzimàtiques.
Cristalls minerals de
l’argila Enzims Membranes
Gens en forma d’ ARN
–Després, l’argila i els enzims van quedar embolicats per una membrana.
–Durant el transcurs del procés evolutiu, la informació
(ordenament) passaria dels minerals d’argila a l’ARN.
• Espera un moment, estem parlant
contínuament d’esveniments de fa milions i milions d’anys. Com podeu saber l’edat d’una roca o d’un fòssil de fa tants anys?
• Si voleu saber-‐ho: Busqueu informació sobre la tècnica de datació amb el mètode del carboni 14. Així completareu els vostres apunts. Aviso que pot sortir en examen! A més a més puntuarà com a treball.
4.1. La primera cèl·∙lula procariota
• Fet: Les roques més antigues que s’han trobat són el gneis
d’Acasta (Canadà), de fa 4030 milions d’anys.
– Conclusió: En aquesta època la superfície terrestre ja s’havia refredat i era sòlida.
• Fet: S’han trobat indicis de vida a les roques sedimentàries
d’Isua (Grenlàndia) de fa 3500 milions d’anys.
• Fet: S’han trobat fòssils de bacteris de fa 3500 milions
d’anys a Apex (Austràlia)
– Conclusió: L’evolució que va originar la primera cèl·∙lula va serun procés relativament ràpid que va durar entre 200 i 500 milions d’anys, aproximadament.
Gneis d’Acasta (Canadà)
Roques sedimentària riques en Fe (Isua, Greenland)
•
Fet
: Els primers fòssils (no segurs del tot) de
cèl·∙lules eucariotes són de fa 2100 milions d’anys
(mina Empire, a Michigan, Estats Units).
•
Fet
: Els primers fòssils (segurs) de cèl·∙lules
eucariotes són de fa 1500 milions d’anys
(dolomia d’Amelia, a Austràlia).
– Conclusió: L’evolució des dels procariotes fins als primers èssers unicel·∙lulars eucariotes va ser un procés molt lent que va durar entre 1400 i 2300 milions d’anys.
• Es considera que es van formar a partir d’organismes eucariotes unicel·lulars, que formaven colònies
temporals, en el moment que van perdre la capacitat de separar-se.
• Les cèl·lules que integraven aquestes colònies es van especialitzar en funcions diferents, i van donar lloc als teixits. D’aquesta manera es van formar els organismes pluricel·lulars tant vegetals com animals.
Els primers eucariotes pluricel·∙lulars
• Fet: Els primers possibles fòssils d’eucariotes
pluricel·lulars són unes algues relativament petites de fa 1200 milions d’anys.
• Fet: Els primers fòssils segurs són uns animals tous i de formes molt diferents de les actuals trobats a Ediacara (Austràlia) de fa entre 700 i 570 milions d’anys, i una sèrie abundant d’organismes, alguns d’estranys i uns altres semblants als actuals, trobats als esquists de
Burgess (Muntanyes Rocoses, al Canadà) de fa 530
milions d’anys.
• Els primers organismes eren procariotes heteròtrofs fermentadors (anaeròbics).
• Explicació: La fermentació, com que no necessita oxigen, és el procés metabòlic òptim per obtenir
energia de les molècules orgàniques, que
constituïen el brou primitiu, en una atmosfera sense oxigen que era la primitiva.
• Quan aquestes molècules (nutrients del brou primitiu) van començar a esgotar-se, van resultar més aptes aquells organismes (sorgits abans que això passés), que tenien la capacitat d’utilitzar la llum com a font d’energia, és a dir, els que eren capaços de fer una espècie de
fotosíntesi aneròbica. És a dir, organismes capaços de fabricar la seva pròpia matèria orgànica (autòtrofs).
• Fa uns 3000 milions d’anys van aparèixer els cianobacteris, microorganismes que podien dur a terme una fotosíntesi més
eficaç (aeròbica) i que
desprenia oxigen → L’atmosfera
es va anar enriquint amb
Bacteri amb fotosíntesi
anaeròbica (bacteri sulfurós) Bacteri amb fotosíntesi aeròbica(cianobacteri)
L’ evolució del metabolisme
• Els rajos ultraviolats del Sol van provocar la transformació de part d’aquest oxigen en OZÓ.
• L’ozó constitueix una pantalla que no deixa passar els raigs ultraviolats, que són molt nocius per a les cèl·lules → va possibilitar la sortida de la vida fora de l’aigua
(“La conquesta del medi terrestre”)
• La presència d’oxigen a l’atmosfera → va afavorir el predomini dels éssers vius amb respiració aeròbica
• Els estromatòlits: Fa 3000 milions d’anys. Són formacions laminars superposades en forma de cúpules de desenes de centímetres que formen els cianobacteris.
• Formacions d’òxids de ferro en bandes de fa 2200 milions d’anys originades quan l’oxigen es va combinar amb el ferro de les roques.
EVIDÈNCIES
Isua Greenland: Estromatòlits fòssils
L’ evolució del metabolisme
Bacteris procariotes heteròtrofs fermentadors
• Anaeròbics
Bacteris autòtrofs fotosintètics sulfurosos
• Anaeròbics
Bacteris autòtrofs fotosintètics (cianobacteris)
