Origen de la vida en la Tierra Del caldo primitivo a los inteligentes docentes de CTE.

1. Origen de la vida en la TierraDel caldo primitivo a los inteligentes docentes de CTE. Mag. Andrea Sánchez. DA-FC / Ed. Sec. Curso de actualización docente - 2003

2. Sistemas Planetarios • Origen de sistemas planetarios. • Origen y características generales de nuestro Sistema Solar. • Planetas extrasolares. Mag. Andrea Sánchez Curso de CTE 2003

3. Todas las historias tienen un comienzo… ?

4. ¿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).

5. 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) (polímeros) Ácidos grasos Lípidos pared celular Organelos y Azúcares Glúcidos Célula Amino Ácidos (AA)(20) Proteínas memb. plasmática Nucleótidos (4, 5?) Ac. Nucleicos cromosomas • Los ‘sillares’ : AA y los nucleótidos son idénticos en todos los organismos vivos !

6. 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:

7. Las proteínas Una proteína escencial para nosotros: la hemoglobina. Transporte de oxígeno en la sangre. Una proteína es una secuencia de AA con cierto orden. Funcionalidad

8. La membrana celular

9. La membrana celular II El modelo de mosaico fluído y la bicapa lipídica. La importancia del medio intra y extracelular: el agua.

10. 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.

11. 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.

12. Los acidos nucleicos y la herencia El Acido Desoxi-ribonucleico Los cromosomas

13. 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

14. La moneda de energía metabólica:el ATP Maqueta de ATP Esquema del ATP

15. ¿Cómo funciona?

16. El ciclo de Krebs(la venganza a los geólogos ) Ciclo completo: ¿qué es respirar? Ciclo de Krebs aerobio

17. Ahora sí: el origen de la vida Algas cianofíceas, procariotas que viven en medios húmedos o acuáticos y miden entre 1 y varios micrones.

18. Un poco de historia • 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)

19. Estromatolitos

20. 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: • 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.

21. El problema del huevo y la gallina • 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.

22. El mundo del ARN • 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.

23. El problema de la atmósfera • 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?

24. 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) Experimentos históricos

25. Experimento de Miller - Urey

26. 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. • 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.

27. 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.

28. ¿El papel de la radiación UV?Universidad de Osnabrück (Alemania), Instituto Nacional de Salud (USA) • 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.

29. La vida como proceso exógeno Cometas y condritas ALH84001 y las arqueobaterias ¿Panspermia ?

30. 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.

31. En meteoros carbonáceos se encontraron: • AA • bases purínicas : A, G • En regiones de formación estelar se encontraron: • agua • amoníaco • formaldehído • cianuro de hidrógeno

32. 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

33. Gráficos Gráfica 2: Panspermia Graf. 1 : Darwin Gráfica 3: Ratones y hombres

34. 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(R) • bombardeo primitivo • limpieza de remanentes • cinturón de asteroides (interno) (R) • cinturón de asteroides (externo)(H) • Región J - U(H) • KB - Nube de Oort(H)

35. ¿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

36. 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’

37. 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.

38. 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.

39. 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???

40. 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)

41. Resumen

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