Origen de la vida en la Tierra
Del caldo primitivo a los inteligentes docentes de CTE.
Mag. Andrea Sánchez.
DA-FC / Ed. Sec.
Curso de actualización docente - 2003
Sistemas Planetarios
1.
2.
3.
Origen de sistemas planetarios.
Origen y características generales de
nuestro Sistema Solar.
Planetas extrasolares.
Mag. Andrea Sánchez
Curso de CTE
2003
Todas las historias tienen un comienzo…
?
¿Qué es la vida?
La lógica molecular de los organismos vivos (Lehninger)


Los sujetos vivos están formados por materia inanimada, ¿cómo
funcionan las biomoléculas?
Atributos particulares:



Alta complejidad y organización
Especificidad funcional (a veces por componentes)
Extracción, transformación y utilización de enegía (nutrientes o luz solar)





Transporte de membranas
Mantenimiento de estructuras
Locomoción
Autorreplicación
La mayor parte de los componentes químicos en organismos
vivos son compuestos orgánicos (en base al carbono, con enlaces
covalentes con otros carbonos, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno).
La importancia del carbono
Las propiedades de enlace del carbono permiten la formación de
una gran diversidad de moléculas (antes que se pregunten por el
Silicio )
 Niveles de organización:
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
Nivel 4
Biomoléculas
Macromolec
CSMM

(monómeros)
Ácidos grasos
Azúcares
Amino Ácidos (AA)(20)
Nucleótidos (4, 5?)

(polímeros)
Lípidos
Glúcidos
Proteínas
Ac. Nucleicos
pared celular
Organelos y
Célula
memb. plasmática
cromosomas
Los ‘sillares’ : AA y los nucleótidos son idénticos en todos los organismos vivos !
Los aminoácidos

Existen 20 aminoácidos diferentes y todos ellos tienen una parte común
en su molécula que consisten en un grupo amino (NH3) y un grupo ácido,
(COOH) como puede verse en el dibujo de los aminoácidos , que aparece
a continuación:
Las proteínas
Una proteína es una secuencia
de AA con cierto orden.
Funcionalidad
Una proteína escencial para
nosotros: la hemoglobina.
Transporte de oxígeno en la
sangre.
La membrana celular
La membrana celular II
El modelo de mosaico fluído y la bicapa lipídica.
La importancia del medio intra y extracelular: el agua.
La molécula de agua
La molécula de agua es eléctricamente neutra, sin embargo es
electronegativa porque los electrones de valencia están desplazados
hacia el oxígeno: esto posibilta nuevas combinaciones.
La importancia del agua
‘la búsqueda de vida comienza por la busqueda de agua’
El agua posee una estructura única que la hace clave en el desarrollo de la
•
vida:
•
Ayuda a combinarse a la sustancias
•
Está en estado líquido a temperaturas en las cuales se llevan a cabo las
reacciones químicas centrales para el metabolismo.
•
Ayuda a regular la temperatura, protegiendo de cambios radicales que
pueden ser potencialmente peligrosos.
•
El hielo de agua flota en el agua líquida permitiendo que ciertas formas
de vida se desarrollen bajo su ‘protección.
•
Existe un ciclo del agua que es crucial para la vida y depende de la T.
•
Es el solvente universal.
Los acidos nucleicos y la herencia
El Acido Desoxi-ribonucleico
Los cromosomas
La célula eucariota
El nivel de organización 4:
Célula y organelos con funciones
específicas que mantienen la
estructura celular al tiempo que
permiten llevar a cabo reacciones
metabólicas.
El rol de las mitocondrias
La moneda de energía metabólica:
el ATP
Esquema del ATP
Maqueta de ATP
¿Cómo funciona?
El ciclo de Krebs
(la venganza a los geólogos )
Ciclo de Krebs aerobio
Ciclo completo: ¿qué es
respirar?
Ahora sí: el origen de la vida
Algas cianofíceas, procariotas que viven en medios húmedos
o acuáticos y miden entre 1 y varios micrones.
Un poco de historia
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

Edad del sistema Solar : 4580 millones de años
En la Tierra en los primeros 150 Ma se dio el
bombardeo primordial (recordar!)
Hace:


3800 Ma cesaron los grandes impactos sobre la Tierra
3560 Ma: restos fósiles de colonias celulares:estromatolitos
(Schopf, 1993)

Hipótesis:


La vida surge tan pronto como tiene oportunidad
Mas de un surgimiento? (Maher y Stevenson, 1988)
Estromatolitos
La vida como proceso endógeno

Darwin y ‘El origen de las especies ‘:

‘el creador inspiró vida a una forma sencilla y a partir de un proceso
elemental se produjeron ilimitadas formas de vida mas bellas’
La vida como proceso químico (correspondencia privada): ‘en una pequeña

charca caliente, en presencia de sales de amonio y ácido fosfórico, luz calor,
electricidad (relámpagos), etc...’
Conclusión: un antepasado común.


Características del antepasado común:
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


Información genética
Mecanismo de replicación para poder dejar descendencia
Sistema de replicación (enzimas = proteínas)
Variabilidad en la reproducción para dar origen a la biodiversidad (mutaciones?)
A partir de allí la selección natural hace su trabajo.
Gran problema: no es lógico suponer una coincidencia donde las proteínas
y los ácidos nucleicos estuvieran al mismo tiempo en el mismo lugar con
orígenes independientes.
El problema del huevo y la gallina

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

Es imprescindible entender cual es el problema para
poder encontrar un mecanismo alternativo si queremos
justificar el origen de la vida como meramente
endógeno.
Los ácidos nucleicos tienen información para sintetizar
proteínas, no cualquier secuencia de AA es funcional.
Las proteínas regulan la transcripción genética (un
organismo por simple que sea no puede replicarse sin
ayuda de enzimas)
¿Quién surgió primero? O ¿es viable un surgimiento
independiente? En principio : NO.
El mundo del ARN

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La cadena de ADN es mas sencilla
Es lineal, no espiral y mas inestable.
¿Pudo existir ARN autocatalítico?
¿Qué ocurre en los ribosomas celulares?
1983: se descubren las primeras ribozimas (las
enzimas no son solamente las proteínas!)
Premio Nobel de 1997: los priones.
El problema de la atmósfera
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Hay acuerdo en una cosa: no había oxígeno en la atmósfera
prebiótica. Éste inhibiría las reacciones químicas necesarias para
la formación de AA, purinas, pirimidinas y azúcares.
La atmósfera primitiva estaba formada principalmente por N2 y
CO2.
Se postula además (Kasting, 1993) una importante presión
atmosférica por alta concentración de CO2 (10 – 100 atm).
Efecto invernadero que permitió el calentamiento del planeta.
Éste no se disparó como en Venus, se disolvió en el agua y se
fijó en las rocas.
Cota temporal a la formación de océanos?
Experimentos históricos

Década del 30- Oparin y Haldane: con una atmósfera
oxidante como la actual no pudo surgir la vida (el oxígeno
capta al hidrógeno libre imposibilitando la formación de molec. orgánicas)
atmósfera primordial reductora (rica en H y dadores : CH4, NH3)


1953- Miller y Urey: CH4, NH3,H2O,H2 = AA !
1961- Oro: AA y adenina (ADN,ATP)
Modelo atmosférico erróneo
(en realidad CO2 y N2)
Experimento de
Miller - Urey
El origen y la evolución temprana de la vida:
química prebiótica, el mundo del pre-ARN y el
tiempo (Lazcano y Miller, Cell:85, 793-798, 1996)

En este trabajo (review) se tratan y resumen algunos de los
aspectos que ya hemos tratado.



Se señala la existencia de un mundo del ARN, pero no tal como lo
conocemos ahora, dada la inestabilidad de la ribosa (vida media de 73
minutos a 100 oC y pH=7 y 44 años a 0 oC y pH7)
Además al sintetizarse ribosa, se sintetizan otros azúcares que inhiben la
posterior síntesis de la misma.
Se habla de un piranosil-ARN.

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La ribosa tiene un anillo de 5 eslabones con 4 carbonos y un oxígeno.
En el pARN tiene un carbono adicional en el anillo y es mas estable.
Se supone además que los primeros organismos fueron autótrofos, eran
capaces de generar compuestos orgánicos a partir de sustancia
inorgánica.
Continuación: escalas temporales.




En el meteorito de Murchison se encontraron AA y este
meteorito tiene la edad del SS.
Si consideramos uno, la adenina, ésta tiene una vida media de
204 días a 100 oC y pH =7 (10 veces mas que la citosina)
Se generan restricciones temporales para el pasaje de AA a
organismos vivos capaces de disparar la evolución darwiniana: 5
millones de años (Lazcano, 1994)
Este límite temporal es el tiempo en que compuestos orgánicos
pueden sobrevivir antes de ser detruídos en las fumarolas
oceánicas.


Agua que es forzada hasta varios km por debajo del sedimento, se
calienta por el magma y sale a 350 oC por las fumarolas.
De todas maneras existen hidrotermófilos a 110 oC cerca de las mismas.
¿El papel de la radiación UV?
Universidad de Osnabrück (Alemania), Instituto Nacional de Salud (USA)
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


Cuando la radiación ultravioleta era más intensa que hoy en día, y la Tierra primigenia
poseía una mezcla de moléculas ricas en nitrógeno, ¿cómo se cocinó esta sopa
primordial?. ¿Cómo pudieron sobrevivir las biomoléculas más adaptadas, antes de que
surgiese la propia vida? |
Siempre se ha evitado mencionar a la luz UV en las teorías del origen de la vida. La
Tierra primigenia no tenía capa de ozono, por lo que la radiación UV podría haber
alcanzado niveles 100 veces superiores a los actuales. Generalmente se cree que las
delicadas moléculas de la vida emergente se habrían deteriorado bajo esta intensidad
lumínica
Armen Mulkidjanian, junto a sus colegas de la Universidad de Osnabrück, Alemania y
el Instituto Nacional de Salud, EE.UU. utilizaron modelado por computadora para
probar la habilidad que tiene el ARN para formarse a partir de azúcar, fosfatos y bases
nitrogenadas en presencia de altos niveles de luz UV.
A pesar de que los investigadores sabían que la radiación UV podía ser perjudicial
para el ARN, descubrieron que algunas partes de la molécula actúan como escudo
protector de otras partes. Las bases nitrogenadas absorben y dispersan la radiación UV,
protegiendo a la piedra angular del ARN, la pentosa-fosfato.
La vida como proceso exógeno
Cometas y condritas
ALH84001 y las arqueobaterias
¿Panspermia ?
Del gr. mezcla de semillas de todas especies. 1. f. Doctrina que sostiene hallarse
difundidos por todas partes gérmenes de seres organizados que no se
desarrollan hasta encontrar circunstancias favorables para ello.

En meteoros carbonáceos se encontraron:



AA
bases purínicas : A, G
En regiones de formación estelar se encontraron:
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


agua
amoníaco
formaldehído
cianuro de hidrógeno
Darwin vs. Panspermia




Astrobiology Science Conference 2002, April 7-11, Ames
Research Center: New genetic programs in Darwinism and strong
panspermia
Para Darwin cierta característica genética surge a partir de una preexistente,
por medio de duplicación y divergencia (adaptación y/o mutación) Graf.1
Si se produce panspermia fuerte, vida microbiana puede insertarse en la
biósfera terrestre y por algún mecanismo realizar transmisión genética,
entonces no habría diferencias significativas entre el genoma original y el
final. Graf 2.
Se realiza un estudio donde se compara una característica o programa
genético en ratones y el genoma humano, en el cual hay un programa
genético que no hay en los ratones.


Si Darwin es correcto debe haber pasos intermedios entre los ratones y todas las
especies que evolucionaron hasta el hombre
Si hubo panspermia fuerte, no habría pasos intermedios y este nuevo programa
genético paracería provenir de algún proceso no identificado bajo la luz de la
evoluión. Graf. 3
Gráficos
Gráfica 2: Panspermia
Graf. 1 : Darwin
Gráfica 3:
Ratones y hombres
El rol de los impactos

La Luna es un buen indicador de la tasa de impactos en la
Tierra a lo largo del tiempo por la ausencia de atmósfera.

Fuentes de proyectiles:

restos de acreción
 bombardeo primitivo
 limpieza de remanentes
(R)

cinturón de asteroides (interno)

cinturón de asteroides (externo)

Región J - U

KB - Nube de Oort
(R)
(H)
(H)
(H)
¿De dónde provienen los océanos?


El agua terrestre no es primordial, proviene de mayores distancias
al Sol (no condensa a 1 UA).
Fernandez-Ip (1988-1996) y Brunini-Fernández (1999):
Agua en oceanos: 1.24 . 1024 g
Origen cometario

La relación D/H en tres cometas (Halley,Hyakutake,Hale Bopp)
es casi 2 veces la del agua terrestre (cuidado: muestra pequeña)
water problem’
Posibles explicaciones:

Hubo un aporte inicial importante de agua cometaria, pero
se perdió en mega impacto (¿Luna?)
Aporte muy temprano: cuando el Fe no estaba concentrado
en el núcleo:

Fe + H2O = FeO + H2
(H2 volátil)

Conclusión: los océanos se formaron con agua que

llegó después de 100 - 150 millones de años desde la
formación del SS.
Otras fuentes de H2O

Delsemme (1999): cerca de la línea de nieve,
condensación posterior a la reacción
HDO + H2 = H2O + HD





HDO: agua deuterada
H2 : medio interplanetario
H2O : agua pobre en deuterio
En regiones cercanas a Júpiter al condensarse el agua está
empobrecida en deuterio.
Mallada y Fernández - simulaciones numéricas con
troyanos (L4 y L5) de Júpiter y asteroides a mas de 3 UA,
como fuente del agua terrestre.
A BACTERIAL "FINGERPRINT" IN A LEONID METEOR
TRAIN (Chandra Wickramasinghe and Fred Hoyle)
Cardiff Centre for Astrobiology
(Nov del 2000)
Un ejemplo reciente de posible
contribución de material orgánico.
Una línea de emisión en una cadena
de meteoros a 80 km de altura
asociada a las Leónidas, con un pico
En 3.5 micrones (CH).
Se compara el pico de emisión IR del
fenómeno con el flujo de una
bacteria calentado a 400 K
Material de meteoritos o interacción
con compuestos orgánicos en la
mesósfera???
Extinciones biológicas masivas
Límite K-T ( hace 65.106 años): extinción de
organismos de mas de 25 kg.

Pruebas:
Alta concentración de iridio en capas de esa
antiguedad (el Iridio es siderófilo, por lo tanto siguió
al Fe al núcleo y habitualmente está en bajas
concentraciones )
 Granos de cuarzo debido a las altas presiones por
impacto.
 Ceniza (¿incendios post-impacto?)
 Cráter Chicxulu de 200 km (península de Yucatán)

Resumen
+
?
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Origen de la vida en la Tierra Del caldo primitivo