Felipe Garcia Vallejo-PhDProfesor TitularDepartamento de Ciencias FisiológicasFaultad de SaludUniversidad del Valle

EL ORIGEN DE LA VIDA

GUIA DE CLASE

1. Concepto de vida

2. Origen del Universo actual

3. Etapas de la evolución de la vida

4. Mundo RNA

5. Mundo RNP

6. Mundo DNA el actual

7. LUCA

8. SETI

En el principio, estaban el Frío y el Calor.

Al norte estaba Niflheim, el país de los hielos y de

las brumas. Al sur, Muspellsheim, un mar de

furiosas llamas. Entre ambos no había nada, sólo

un vasto abismo sin fondo: Ginnungagap

Mitología Nórdica

EL BIG BANG

EL SISTEMA SOLAR

Hace 4500 millones de años se originó todo,

cuando a partir de una gran nube de polvo y

gas se formó el sistema solar: EL SOL

HABÍA NACIDO COMO ESTRELLA.

Formación de los planetas • Los planetas se generaron por un proceso de

compresión de gas cósmico.

• Por efecto de la gravedad, los planetas alcomprimirse formaron núcleos internos conpresiones muy elevadas y a temperaturasmuy altas (magma).

• La superficie se fue enfriando hasta adquirirun elevado grado de dureza

• Proceso de orogénesis permitió la formaciónde los sistemas montañosos lo que generoinestabilidad continuamente en la superficie.

• La existencia del magma facilitó que lasuperficie se deslizara lenta perocontinuamente sobre el lecho del magma.

• Así las placas continentales se desplazabanlenta pero continuamente en un proceso dederiva continental.

Formación de los planetas

• El cambió continuo de la superficie a travésdel tiempo ayudó a la formación de losocéanos y permitió la formación de rocasarcillosas de tipo sedimentario que soncapaces de acumular cierta cantidad de aguaen su interior.

• Este interior pudo constituir el primer nichoecológico que favoreció el aparecimiento dela vida y su evolución inicial.

Formación de los planetas

La Tierra hace 4000 millones de años era un

lugar inhóspito que continuamente sufría

cataclismos, movimientos de materiales de su

superficie y bombardeo de objetos provenientes

del sistema solar: LA TIERRA NACIÓ DEL

CAOS.

EL PLANETA TIERRA

¿QUE ES VIDA?Homeostasis: en términos termodinámicos no es

mas que la acumulación de energía, cuyo flujo debeestar en equilibrio dinámico con el entorno; así seconserva la estabilidad química y temporalcaracterística de los seres vivos

Información: La continuidad temporal de la vidanos lleva a plantear estructuras que de alguna formaposean información que permita ser expresada demanera repetible en el tiempo

Cambio: Evolución Biológica

Homeostasis

• Proceso continuo de organización deenergía Físico-química que se equilibratermodinámicamente con su entorno(adaptación)

• Equilibrio Dinámico entre la entropía deluniverso y la entalpía del sistema vivo

Información• Los sistemas vivos está compuesto por

informosones (informoson = un paquetecuántico de información) contenidos enmoléculas informacionales las cuales seperpetúan por autoreplicación.

• Cada informoson contiene una capacidadacumulada de información que debe serexpresada para permitir, al menos, lareplicación de nuevos informosones.

EL ORIGEN DE LA VIDA

• El siglo XX comenzó a postular que la vida noes un proceso de creación divina y que antespor el contrario se explica por las leyes de lafísica y de la química

• El científico ruso Alexander Oparin proponeen 1927 la hipótesis sobre el origen de lavida a partir de moléculas simples

eras El origen de la vida 15

¿Cómo apareció la vida sobre la Tierra?

1. La sopa primordial

Oparin Haldane

Hipótesis de Oparin Defendía la hipótesis de que las proteínas fueron las

macromoléculas que se sintetizaron inicialmente enla tierra

La vida era posible crearla por medio de síntesisquímicas de proteínas que formaban loscoacervados.

Mediante un crecimiento diferencial, los coacervadosse hacían internamente mas complejos hastagenerar el primer protoplasma primitivo.

Protobiontes y lisosomas

Evolución Biológica• La evolución, en su devenir espacio-

temporal, hace emerger patrones cuyocambio y sintonía con el entorno los presentaaptos para sobrevivir

• La evolución es ante todo un procesogenético, en donde, los agentes que cambianlas frecuencias génicas de las poblaciones, osea los factores de evolución, son lamutación, la deriva genética, la migración y laselección natural.

El ambiente de la tierra en su inicio

LA ATMÓSFERA PRIMITIVA

Conforme la Tierra iba creciendo se fueron fundiendo las rocas. Los elementos pesados se dirigieron al interior, Fe y Ni, los elementos ligeros se dirigieron a la superficie formando las rocas, Al, Si y Mg, mientras que los gases pocos reactivos como el N, Ne y Ar se volatilizaron formando la atmósfera primaria.

LA ATMÓSFERA PRIMITIVA

Pero esta atmósfera duró poco ya que de repente vino un gran viento solar que lo

barrió todo. Entonces comenzó la era del

vulcanismo y brotaron de la Tierra una serie de gases que formaron la verdadera

atmósfera primitiva.

El ambiente de la tierra en su inicio

• La vida contemporánea es el resultado deaproximadamente 4500 millones de años dedesarrollo evolutivo

• Se han encontrado fósiles demicroorganismos que estuvieron presentesen la tierra hace 3500 millones de años enAfrica y Australia (similares a Cianobacterias)

Estromatolitos

Estromatolitos

Primeros Procariotes

Fósiles de Cianobacterias

• Hipótesis del “big bang”: onda expansiva deformación y distribución de la materiaexistente en el universo que ocurrió hace unos20.000 millones de años.

• Mediante análisis químicos espectrales yaproximaciones físicas, en el universo se danprocesos de continua formación de elementosquímicos por medio de reacciones de fusiónnuclear (evolución nuclear)

Evolución Nuclear

Evolución Nuclear

• Formación de los distintos elementosquímicos por fusión de núcleos a partir delátomo de Hidrógeno

• El hidrógeno es el elemento mas abundanteen muchos sitios del universo, principalmenteen aquellas zonas de baja densidad deestrellas, es el principal componente delpolvo cósmico que rellena las galaxias

EVOLUCIÓN NUCLEAR

HIDROGENO

ELEMENTOS ORGANOGÉNICOS

H, C, N, O, S, P,

DESPUÉS DEL BIG BANG EL CALDO DE SUBPARTICULAS (PLASMA) COMENZÓ A ENFRIARSE Y

LOS ATOMOS DE HIDROGENO SE FORMARON

Antecedentes

• Hace cuatro mil millones de años atrás, laatmósfera de la tierra era un caldero de vapor(H2O), nitrógeno, metano (CH4), amoniaco(NH4), otros gases reducidos y un poco debióxido de carbono CO2

• No existía el oxigeno libre, por lo tanto, nohizo parte de las condiciones iniciales en quemuy probablemente apareció la vida.

• Al disolverse débilmente en losocéanos, estos gases y sus productosformaron una atmósfera reducida.

• La dinámica de la formación de nuevasmoléculas imponía fuentes de energía:descargas eléctricas, radiaciónultravioleta.

Antecedentes

EL MAR PRIMIGENIO 4,200 MILLONES DE AÑOS

APARECIMIENTO DE UNA TENUE ATMÓSFERA INESTABLE Y RICA EN CO, CN Y CO2

MANANTIALES TÉRMICOS

Atmósfera Primigenia

• Stanley Miller, 1950, aporto pruebasexperimentales que sustentaban la síntesisde moléculas.

• Mezcló: metano, amoníaco, agua y otroscompuestos simples y durante varios días lossometió a calor intenso, aplicando descargaseléctricas de alto voltaje simulando los rayosy radiación ultravioleta

Experimento de Stanley Miller

SÍNTESIS PREBIÓTICA

Experimento de Orgel

• Leslie Orgel, 1966, otro tipo de condicionesfiscoquímicas para síntesis de moléculasorgánicas.

• Mezcló amoniaco y cianuro de hidrógenodiluida en agua, la congelo durante variosdías.

• Obtuvo pequeños témpanos que mostraba laformación de moléculas orgánicas.

Experimento de Orgel

• La determinación de algunos aminoácidosconfirmó un mecanismo de síntesis

• Logro la síntesis de adenina, dando pie a laposibilidad de que los ácidos nucleicosfuesen las macromoléculas más primitivasaun mas que las proteínas.

Síntesis Prebiótica

Las reacciones de polimerización han tenido queocurrir en superficies frías, con contactos químicosmuy eficientes para permitir la estabilizacióntermodinámica de los polímeros.

La polimerización ha debido ser de contacto y deintercambio molecular para permitir laestabilización de enlaces covalentes a bajo costo.

Una manera muy practica de lograr esto son lasarcillas activadas.

LAS PRIMERAS MOLÉCULAS

13 de los 20 aa ProteínasH2CO Azúcares, ribosaHCN Bases púricas y pirimidínicasÁcidos grasos Lípidos

LA EVOLUCIÓN PREBIÓTICA

Para formar una célula hay tres tipos de moléculas indispensables:

1.- Moléculas autorreplicantes.

2.- Moléculas catalíticas.

3.- Moléculas anfipáticas.

Arcillas Activadas

Silicatos de cadenas variables que puedenquelar iones principalmente negativos.

Permiten la movilización mas eficiente y amenor costo termodinámico de átomos.

Reacciones en distancias muy próximas a losradios de Vander Waals y en condicionescasi hidrofóbicas permitiendo la resonanciade átomos como mecanismo para laformación de enlaces covalentes.

Graham Cairns-Smith de la universidad de Glasgow

Silicatos Activados

eras El origen de la vida 44

¿Cómo apareció la vida sobre la Tierra?

LA PIZZA PRIMORDIAL

• Günter Wächterschäuser

• Reacciones entre iones unidos a una superficiecargada

Aumenta la velocidad de las reacciones químicasAumenta la especificidad de las reacciones químicasAumenta la concentración de los reactivosPiritas de hierro

Experimentos que simulan las condiciones primigenias

Nucleósidos de 5´fosforribosil imidazolacoplados a superficies de Na+-montmorilonita (una arcilla activada), se halogrado la polimerización de polinucleótidosde hasta 10 monómeros.

La condensación de dinucleosido pirofosfatoha permitido la formación de nucleótidosorientados 2´-5´ y 3´-5´ en una relación de4:1.

Experimentos que simulan las condiciones primigenias

• Complejos de aminoaciladenilato se hanacoplado a Na+-montmorilonita, permitiendola formación de aductos de ácido 5´-adenílicoy polipéptidos de 2 a 16 residuos.

• El costo termodinámico aumenta a medidaque crece el tamaño del biopolímero nomayores de 10 monómeros.

Evolución Molecular

EVOLUCIÓN MOLECULAR

MOLECULAS

CH4, NH3, H2O, H2S, CO2,

MONÓMEROS BIOLÓGICOS

BIOPOLÍMEROS

II

SÍNTESIS PREBIÓTICA

EVOLUCIÓN DELPRIMER REPLICADOR

RNA

EVENTOS MOLECULARES Y CELULARES

SÍNTESIS DE BLOQUES INICIALES

Primera RNA replicasa

Genomas RNA

CONDENSACIÓN DE BLOQUESESTADO EVOLUTIVO

Mundo RNA

Evolución Molecular

EL MUNDO DEL ARN

La cadena de ARN 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!)

MUNDO RNA

MUNDO RNA

MUNDO RNA

RNA Primitivo y Proteínas

MUNDO RIBONUCLEOPROTEÍNA

LA MEMBRANA PLASMÁTICA UN PROBLEMA A RESOLVER

LA MEMBRANA PLASMÁTICA

MUNDO DNA

EL CALDO DE LA VIDA HACE 4.200 MILLONES DE AÑOS

VIDA PRIMITIVA EN OCEANOS DE LA TIERRA

Vida hace 600 millones de años

FILOGENIA UNIVERSAL

LUCA

EUBACTERIAL

EUCARIOTES

ARCHAE

ANCESTRO TERMOFÍLICO

Historia de la Vida

CLASIFICACIONES

ESTAMOS SOLOS EN EL UNIVERSO?

SETISearch for ExtraTerrestrial Inteligence

PREGUNTAS DE REPASO

1. Cite y explique tres atributos de la vida

2. Cite y explique las principales conclusiones del

experimento de Miller

3. Con base en lo que ha aprendido, esboce una

hipótesis suya sobre le origen de la vida en la tierra

4. Quien fue LUCA y porque se le denomina así

5. Consulte sobre la vida en ambientes extremos.

Que característica saca en común con las

hipótesis sobre el origen de la vida

GRACIAS