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ORIGEN DE LA VIDA

La vida ha surgido hace 3,5 bimillones de años

Data de orígenes de fósiles Big Bang

El término "Big Bang“ propuesto por Georges Lemaître (1927)se refiereespecíficamente al momento en el que se inició la expansión observabledel Universo que explicaría su origen y evolución. El “Big Bang” en unfenómeno más tarde fue bautizado como radiación de microondascósmicas (1960). En 1929 observaciones de Edwin Hubble apoyaron estateoría, puesto que las galaxias se están alejando como si hubieran sidopropelidas por una gran fuerza.

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Origen del Universo

No se sabe exactamente como evolucionó el Universo. Se piensaque el estado que se produce de la colisión núcleo-núcleo era loque existía en el universo cerca de un millonésimo de segundodespués del Big Bang.

Se cree que la materia se enfrió, se formaron muchos átomosdiversos y eventualmente se condensaron las estrella y galaxias.

Búsqueda del propulsor del Universo para dilucidar el Big Bang

Para poder acercarse experimentalmente a las condiciones delinicio del Universo se debe intentar simular las colisiones entrepartículas de altísima energía que de un cierto modo sereprodujeron en los estados iniciales del Universo, que inició conun estado de altísima temperatura, presión y densidad.

El Laboratorio Europeo de Física de Partículas, CERN, ubicadoen Ginebra (Suiza), ha preparado un nuevo acelerador “el GranColisionador de protones (de la familia de los hadrones)” (LHC,por sus siglas en inglés:Large Hadron Collider). Que es elacelerador de partículas más grande del mundo.

Large Hadron Collidero el Gran Colisionador de protones

Hay 4 grandes detectores que se integranal Gran Colisionador de Hadrones (LHC),cuya inauguración final ha sido el 30 demarzo del 2010 después de fallidosintentos previos. Se trata de un túnelcircular de 27 kilómetros decircunferencia extendido entre elterritorio de Francia y Suiza.

Large Hadron Collidero el Gran Colisionador de protones

• Es un acelerador de partículas cargadas, acelerando yposteriormente haciendo colisionar los haces de protones paraestudiar el resultado de las colisiones. ¿Por qué se llamaacelerador de Hadrones? porque este acelera hadrones (partículassubatómicas y están compuestas de quarks, antiquarks y debosones).

• El Boson de Higgs (o partícula de Dios, originalmente partículamaldita Goddamn) es la partícula responsable de la masa de laspartículas elementales. Fue propuesta por el Dr Peter Higgs, suexistencia es esencial para la historia del universo y de la vida,porque si las partículas no tuvieran masa viajarían a la velocidadde la luz como radiación y no formación estructuras.

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Bosón de Higgs 2012

Los datos originados de estosexperimentos permiten concluirla existencia del Bosón deHiggs.

Su masa es de 125.3gigaelectrón voltios (GeV), unas130 veces la masa del protón.

Ideas históricas de origen de la vida: las formas vivas pueden mantenerse por si mismas y se

reproducen

Aristóteles: generación espontáneaExperimentos Pasteury otros demuestran que los seres vivos

son diferentes de la materia inanimadaThomas Huxley y John Tyndallsugieren que la vida tiene un

origen químico (≅1820-1890)Arrheniussugiere que la vida se esparció en el mundo por el

proceso denominado ”panspermia”(dispersión de semillas dela vida) (1859-1927)

Darwin 1871 sugiere que la vida comenzó en un pequeñocharco tibio donde había NH3, sales de fosfato y luz

Oparin 1939demostró que la presencia de O2 permitió laevolución de la vida (The origin if life on earth), menciona la“sopa primordial, primitiva o prebiótica”

¿Cómo surgieron estas especies? Etapas del desarrollo de la vida

• Una condensación del aguaque fue crucial para laformación de moléculas orgánicas

• La evolución química donde moléculas simples(inorgánicas) que forman moléculas orgánicas ycomplejos polímeros

• La auto-organización de estos polímerosformandoentidades que se replican permitiendo la informaciónheredable

• La evolución biológica que mediante la selecciónnatural permite la permanencia de las especies másaptas (Charles Darwin “Teoría de la Evolución”, 1871)

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Composición del cuerpo humano Carbono base de la vida

Glicina

Glucosa-6-fosfato

Estabilidad de enlace

Si-O > C-C > C-N > C-P > Si-Si

Si-O: inerte

Por razones similares tampoco B, N, P a pesar de formar varios enlaces

Metil silicona

Atmósfera primordial

• Atmósfera primordial (reductora): H2O; N2 y CO2

y cantidades menores O2; CO; CH4; SO2; H2; Formaldehído, H2S;HCN

• Atmósfera actual: Oxígeno 28%, 72% nitrógeno, y trazas de H2 y CO2

• Oparin y Haldane sugieren una función de luz UV ⇒ compuestos orgánicos

• Fue importante la ausencia de la capa de ozono para que los rayos UV no fueran filtrados, además la existencia de rayos cósmicos, actividad eléctrica y radiactiva.

• La estabilidad de precursores como HCN, formamida, NH3, como igualmente de precursores proteinásicos y bases nucleicas.

• El enfriamiento produjo lluvias torrenciales dando origen a los mares.

• Aparición de volcanes permitió reacciones estables en aguas termales, en los océanos, en cuevas (arcilla), protegiéndose de los rayos UV

Experimento de Miller y Urey (1953): dio respuesta a proposición de Oparin

• Hicieron un experimento de laboratoriopara demostrar cómo había aparecido lavida, a partir de circunstancias aleatorias.

• Con un poco de agua destilada, gases deamoníaco, metano e hidrógeno (sopaprimitiva o prebiótica según Oparin) yaplicación de pulsos de descargas eléctricas.

• El análisis mostró la presencia deaminoácidos y otros compuestos orgánicos.

• Por lo tanto, había quedado demostradocientíficamente que la vida puede aparecerpor azar. Descargas por 30 días

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Museo de Historia Natural de Denver

Productos del experimento de Miller y Urey

Otros experimentos que demuestran la formación de compuestos orgánicos

aminoácidos

Oparin “Origin of the life” 1938

• Oparin proponía al formarse la atmósfera primitiva de la Tierra,se había producido una serie de eventos químicosque aumentaronla complejidad de las moléculas existentes, determinando quemoléculas primitivas se transformaran en estructuras coloidalesllamadas "coacervatos" de los que habría surgido una nuevaorganización de la materia:la vida.

• Las propiedades y características de los propuestos coacervatoscorrespondería a los primeros sistemasprecelulares, los queintercambian materia y energía en el medio que los rodea.

• Esos sistemas o macromoléculas los llamóPROTOBIONTES, yestaban expuestos a las condiciones a veces adversas del mediosubsistiendo los más resistentes. Los que no lo lograban sedisolvían en el mar primitivo oSOPA PRIMITIVA .

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Otra hipótesis: Hipótesis del polímero primordial

• En 1951, se propuso un nueva hipótesis sobre el origende la vida por el físico inglésJohn Bernal. Según estateoría, una entidad molecular podría definirse comoviva si poseía dos propiedades: capacidad de acumularinformación genética y capacidad de producir copias desu propia estructura.

• El metabolismo de este primer ser vivo—el "polímeroprimordial"—consistiría únicamente en esa capacidadde generar, autocatalíticamente, copias de sí mismo.

Hipótesis del polímero primordial Hipótesis de Bernal

• Los errores producidos durante la autoduplicación podríandar lugar a variedades con mayor resistencia a ladestrucción o con mayor capacidad de reproducción y laselección natural —a nivel molecular— favorecería a estasvariedades por su capacidad de adaptarse mejor alambiente.

• Así, la hipótesis de Bernal predecía la aparición de vida enforma de "polímeros autorreplicables", que habrían surgidoantes de la aparición de microorganismos separados delmedio externo por una membrana.

• ¿Cuáles podrían ser estos polímeros? Los candidatosnaturales eran las proteínas (cadenas de moléculaspequeñas, los aminoácidos, ordenados en una secuenciadeterminada) o los ácidos nucleicos, el RNA y el DNA

The multiplication of biomolecules (reproduction) and the emergence of new biomolecules on the basis of previously

formed biomolecules (evolution)

Inicio de la vida en el mar y en canales de fluidos calientes volcánicos daban un medio ambiente químico adecuado, presencia de metales como Fe, muy abundante, actuaría como catalizador inorgánico y otros cationes, aniones, arcillas, derivados de zirconio, Ti, minerales de fosfato y de boro, etc.

Química prebiótica de formamida: formación y precursores

Fig. 1. The basic prebiotic chemistry of formamide. PI: Photon irradiation. UV: Ultraviolet irradiation. Pyr: Pyrolysis. T and P: High temperature; and/or high pressure. Cat: Reaction performed in the presence of catalysts. MF: Micelle formation.

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Formamida material de inicio para la síntesis abiótica de compuestos probióticos

Moléculas nucleotídicas que se pueden formar a partir de formamida

Moléculas del metabolismo que se pueden formar a partir de formamida

Meteoritos de Murchison y CR2• Los meteoritos que han caído a la tierra y contienen compuestos de C significan

una muestra de la química orgánica extraterrestre. La mayoría de los meteoritospresentan similitudes en la base de C conteniendo moléculassimilares,incluyendo L-aminoácidos. En ellos se han encontrado en su composición C,H, N, O y P.

• Meteoritos estudiados como los de Murchison (Australia en1969) y el CR2 enmontañas Antartic Graves (algunos datan de 1864).

• Aunque actualmente se cree que la atmósfera primitiva no era tan rica enhidrógeno (reductora) cuando se descubrió que el meteoritoMurchisoncontenía los mismos aminoácidos obtenidos por Miller en su experimento,inclusive en las mismas proporciones, además contenía azúcares, apoyó lalógica del experimento de Miller.

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¿Cuál puede ser el polímero promordial?

• Las proteínas actúan como excelentes catalizadores, peroson incapaces de acumular información genética, nopuede guardar la información necesaria para la síntesisde otra.

• Los ácidos nucleicos (RNA y DNA) almacenaninformación genética, pero necesitan para duplicarse deenzimas con actividad catalítica.

• En los últimos años una serie de evidencias parecenindicar que el polímero primordial autorreplicable podríaser un ácido nucleico, más específicamente un ácidoribonucleico (RNA) según los científicos estado-unidenses Thomas Cech y Sidney Altman.

¿Qué se requiere para que surja la vida?

Formación de macromoléculas y de membrana, hitos esenciales de los inicios de

la vida

Vesículas que pueden autoensamblarse

Atomos forman moléculas que se agregan

Se deben polimerizar moléculas para formar macromoléculas

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Los ácidos nucleicos se deben polimerizar a partir de los nucleotidos y autoreplicarse

Primero surgen RNA que se autoreplicarían como el DNA lo hace actualmente

Moléculas que forman macromoléculas y pueden dividirse

RNA puede hacerlo, propiedades autocalíticas, lo confirma splicing y la existencia de ribozimas

Moléculas se unen y al alcanzar un tamaño se dividen. Pero si no se almacenan y luego transmiten no sirven

RNA⇒⇒⇒⇒RNA doble hebra ⇒⇒⇒⇒proteínas

Síntesis de enzimas

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Primeras células procarióticas

• La primeras células-tipo bacteria sintetizaban ATP encondiciones anaeróbicas a partir de azúcares(metabolismo anaeróbico o glicólisis). Esto ocurre conbaja eficiencia por falta de O2.

• Luego las que hacían fotosíntesis aumentaron sueficiencia.

• La evolución de la respiración aeróbica permitió unagran producción de energía en forma de ATP (entre10-15 veces sobre el metabolismo anaeróbico).

Producción de oxígeno por distintos organismos

¿Cómo cambió la atmósfera de reductora a oxidante?

• Composición actual de la atmósfera; Oxígeno 28%, 72%nitrógeno, y trazas de H2 y CO2.

• Evolucionaron las algas azules o cianobacterias (las másancentrales) que biosintetizaban clorofila lo que originó elproceso de fotosíntesis: proceso que por medio de la acción de laluz UV reduce el H2O a O2..

• Hace quinientos millones de años el nivel del O2 alcanzófinalmente su valor presente.

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• Voet y Voet: Biochemistry

• Albert y col: Molecular Biology of the Cell

• Campbell y Farrel: Bioquímica

• The origins of life. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. Edited D Daemer y JW Szostak, 2010.

• Saladino et al, Formamide and the origin of life. Physiscs of Life Reviews, 2012;9:84-104

• Pizzarello y Shock, Organic composition of carbonaceous meteorites: the evolutionary story ahead of biochemistry. 2010;2:a002105 (incluido en libro arriba)

• Dismukes et al. The origin of atmospheric oxygen on Earth: the innovation of oxygenic photosynthesis. PNAS 2001;98:2170-2175

Bibliografía