L’ origen de la vida i l’evolució de les espècies (1)

Texto completo

(1)

L’ origen de la vida i

l’evolució de

les espècies (1)

(2)

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

(3)

Introducció:  la  recepta  de  la  

vida

DE QUÈ ESTÀ FETA LA MATÈRIA VIVA?

Dels 90 elements químics de la naturalesa,

(4)
(5)

ENERGIA PER A LA VIDA LLUM

Matèria Inorgànica Matèria orgànica RESPIRACIÓ

FOTOSÍNTESI

energia química

Matèria orgànica simple

(6)

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

(7)

L’ORIGEN DEL CARBONI (principal Bioelement)

CARBONI

El  SÓL  conté  comparativament  30   vegades  menys  carboni  que  la  Biosfera

(8)

L’ORIGEN DE L’AIGUA

O i H principals Bioelements

AIGUA

Portada  a  la  Terra  en  formació,   per  asteroides  procedents  

(9)

1.  L’  ésser  viu  i  la  vida

Els éssers vius o organismes vius són aquells que realitzen les tres funcions vitals:

(10)

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.

(11)

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

(12)

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

(13)

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.

(14)

Tipus  de  cèl·∙lules

Tipus  de  cèl·∙lules:

Procariotes

No  tenen  nucli     cel·∙lular     diferenciat

Eucariotes

(15)
(16)

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

(17)

Els éssers vius mantenen relativament constant

el  seu medi intern

L’objectiu és intentar que no els afectin les

variacions del medi ambient.

(18)

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

(19)

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.

(20)

2.1.1. L’origen extraterrestre de la vida.

Hipòtesi de la Panspèrmia.

• Segle XIX  →  Es  pensava que  els meteorits

podien transportar  microorganismes en  

(21)

Hipòtesi  de  la  Panspèrmia

• Any 1906  →  defensada pel químic

Arrhenius

(22)

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    

(23)

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  

(24)

Conclusió

(25)

• 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.

(26)

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    

(27)

Un  escenari per  a  la  vida

Un  escenari  per  a  la  vida:

Un  interior  molt calent

(28)

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.

(29)

Una  atmosfera  densa  sense oxigen

en    un  planeta  oceànic

• En  la  protoatmosfera no  hi  havia oxigen,  i  

per    tant,  tampoc ozó que  protegís la  

(30)
(31)

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  

(32)

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

(33)

Precursors  químics

L’atmosfera     primitiva     contenia:

(34)

Precursors  químics

Condició essencial

:  manca  d’oxigen

(35)

Fonts  d’energia

Fonts  d’energia

Radiació     ultraviolada

Descàrregues     elèctriques  de    

l’atmosfera

Energia  alliberada     pels  minerals    

radioactius

Calor  emesa  pels     volcans  en    

(36)

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

(37)

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.

(38)
(39)

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

(40)
(41)

•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.

(42)
(43)
(44)

Resultats

:

Al  recipient havien aparegut molècules

(45)

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

(46)

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

(47)

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    

(48)

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  

(49)

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.

(50)

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

:

(51)
(52)

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.

(53)
(54)

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

(55)

Hipòtesis actuals sobre  l’origen de  la  vida

Hipòtesi d’Oparin

actualitzada Hipòtesi d’Eigen ode  l’  ARN  primitiu

(56)

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).

(57)

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.

(58)

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:

(59)

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.

(60)

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.

(61)

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.

(62)

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.

(63)

• 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.

(64)
(65)

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.

(66)

Gneis  d’Acasta (Canadà)

Roques  sedimentària  riques   en  Fe  (Isua,  Greenland)

(67)

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.

(68)
(69)

• 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.

(70)

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.

(71)
(72)

• 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.

(73)

• 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

(74)

Bacteri  amb  fotosíntesi

anaeròbica  (bacteri  sulfurós) Bacteri  amb  fotosíntesi  aeròbica(cianobacteri)

(75)

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

(76)

• 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  

(77)

L’  evolució  del  metabolisme

Bacteris     procariotes heteròtrofs fermentadors

•  Anaeròbics

Bacteris autòtrofs     fotosintètics     sulfurosos

•  Anaeròbics

Bacteris autòtrofs     fotosintètics     (cianobacteris)

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...