Què és la vida? • Tothom estem acostumats a parlar en termes vitals.

• Expressions com ara:

– Això és el que dóna sentit a la meva vida.

– La meva vida està plena de dificultats.

• Formen part del nostre llenguatge quotidià.

• Però encara que el concepte de vida és una cosa molt comuna per nosaltres identificar que és vida i què no ho és, no és tan fàcil.

Components essencials de la vida.

• Des del punt de vista químic classifiquem els compostos en dos tipus:

– Inorgànics, que formen el substrat mineral del planeta.

– Orgànics, que formen part dels éssers vius.

• Malgrat tot trobem a la litosfera del planeta dipòsits de substàncies orgàniques, com ara el carbó i el petroli que no formen part de cap ésser viu.

• Aquestes substàncies s’han format a partir de la descomposició d'éssers vius, en condicions anaeròbies, sense oxigen.

• Per tant fins i tot el petroli i el carbó s’han format a partir d'éssers vius, per això se’ls anomena combustibles fòssils.

Pedra de carbó amb empremtes

de fòssils

Els compostos orgànics. • Les substàncies orgàniques estan formades per un petit

conjunt d’elements en contrast amb els compostos inorgànics que estan formats per un conjunt molt ampli d’elements.

• Els compostos orgànics estan formats pels següents elements: C, H, O, N, i en més petites quantitats S i P.

• Aquest reduït conjunt d’àtoms són els maons fonamentals de la vida.

• A partir d’aquests es formen totes les substàncies que els éssers vius necessiten per sobreviure.

Definició de vida. • Malgrat tot, encara no hem definit què és la vida ni com ha aparegut a la

Terra.

• La definició de vida com:

– “Un sistema autoorganitzat que es relaciona amb el medi i que té capacitat reproductora”

• En realitat només es refereix als éssers vius.

• Com que la hipòtesi de la generació espontània, va quedar definitivament descartada, a partir de les investigacions de Louis Pasteur al 1864, l’explicació de l’origen de la vida es va complicar.

• Si tots els éssers vius de la Terra provenien d’altres éssers vius, d’on va sorgir la vida?

Éssers vius.

• D’altra banda fins i tot definir què és un ésser viu i què no ho és resulta difícil.

• Tothom tenim clar que els éssers vius formats per cèl·lules eucariotes (cèl·lules amb nucli) i els formats per cèl·lules procariotes (bacteris) estan vius, ja que es reprodueixen i es relacionen amb el medi.

• Però ens podem trobar amb sistemes que estan a mig camí entre ésser viu i matèria inert.

• Aquests organismes són els virus.

• No s’alimenten, no presenten metabolisme, però es reprodueixen.

• Per tant és necessària una reflexió sobre el qué és la vida per poder respondre a aquestes qüestions.

Cèl·lula eucariota

Cèl·lula procariota

Virus

La vida des del punt de vista científic.

• Analitzem ara les diferents definicions de vida que han donat diferents científics al llarg del temps.

• La vida segons Francis Crick (1916-2004), premi nobel de Fisiologia i Medecina al 1962.

• “Per tal com n’és de complicada, és gairebé un miracle”.

• Aquesta definició de vida no té cap valor científic ni ens explica com es va originar la vida a la Terra ni ens explica res del seu funcionament. Francis Crick

Robert Shapiro (1935-2011) Bioquímic. Professor emèrit a la Universitat de Nova York

• “La vida és una zona separada del medi, que inclou una font d’energia, que s’adapta al medi i evoluciona, i que és capaç de reproduir-se”

• Aquesta definició de fet és només la definició d’un ésser viu, de fet és més aviat la definició d’una cèl·lula.

• Encara que des del punt de vista científic és correcta, no ens explica res sobre l’origen de la vida ni sobre el seu funcionament.

• Malgrat tot comenta un aspecte força important de la vida, l’evolució.

Robert Shapiro

Christopher McKay. Científic Planetari. NASA Ames Research Centre.

• “La vida és informació i ADN replicable, mitjançant proteïnes a l’abric d’una membrana”.

• Tornem a veure una definició més aviat d'ésser viu que de vida.

• El millor d’aquesta definició és que introdueix tres aspectes fonamentals de l’estructura i desenvolupament dels éssers vius:

– La cèl·lula com a unitat fonamental dels éssers vius.

– La reproducció, mitjançant l’ADN.

– El metabolisme, mitjançant proteïnes. Christopher McKay,

a l'Antàrtida l’any 2005.

Leslie Orgel (1927-2007). Bioquímic. Professor Investigador de l’Institut Salk d’Estudis Biològics.

• “La vida és un objecte complex que conté informació es reprodueix i evoluciona per selecció natural”.

• És molt semblant a la que va proposar Robert Shapiro, però és considera una mica millor perquè no pressuposa l’existència d'éssers vius, només d’un sistema que contingui la informació.

• És cert que la transmissió d’informació és molt important per a la reproducció i evolució dels éssers vius, però tan important com aquesta és la síntesi de les substàncies que els formen, i l’obtenció d’energia per als seus propis processos, és a dir la màquina metabòlica.

Leslie Orgel

Christian de Duve (nascut al 1917)

Bioquímic, premi Nobel de Fisiologia i Medecina al 1974.

• “La vida és desequilibri”

• Aquesta definició es centra en el fet que tots els processos biològics tenen lloc degut a un desequilibri energètic en el medi en que es desenvolupen.

• Aquest desequilibri es manifesta en forma d’una diferencia de potencial químic que fa que el sistema evolucioni fins a aconseguir arribar a l’equilibri.

• A aquest equilibri, però no s’arriba mai, degut a que l’entrada d’energia és constant, de fet un ésser viu només hi arriba quan mor.

Christian de Duve

Carl Sagan (1934-1996) Càtedra David Duncan d’Astronomia i Ciències de l’Espai de la Universitat de

Cornell.

• “La vida és una regió on s’incrementa l’ordre en cicles moguts per un flux d’energia”.

• Aquesta és pot ser la definició més perfecta de vida perquè:

– No pressuposa l’existència d’éssers vius.

– No pressuposa l’existència d’un sistema de transmissió d’informació.

– No pressuposa l’existència d’un sistema de síntesi de substàncies ni de transformació d’energia.

• Només pressuposa l'existència d’un desequilibri energètic que impulsa els sistemes biològics en cicles termodinàmics.

• Relaciona l’evolució dels sistemes biològics amb un increment de l’ordre.

Carl Sagan a la sèrie

Cosmos (1980)

L’origen de la vida. • Per tant si el fet que impulsa la vida és un desequilibri energètic, es podria

formar la vida a partir de substàncies simples sotmeses a un flux constant d’energia?

• Això és el que es van platejar a l’any 1952 els científics Stanley L. Miller i Harold Urey.

• El que van fer és recrear l’atmosfera de la Terra en un medi de cultiu en el laboratori i el van sotmetre a una font intensa d’energia, ja fos un arc voltaic (energia elèctrica) o radiació ultraviolada (radiació electromagnètica).

Experiment de Miller.

• La mescla de gasos de l’atmosfera primigènia de la Terra es recirculava entre un matràs on s’exposava a la font d’energia i es produïen les reaccions químiques, i altre on s’acumulaven els productes de la reacció.

• Després d’unes hores de recirculació es va recuperar el contingut d’aquest darrer matràs i es va analitzar.

Resultat de l’experiment de Miller.

• El resultat que es va obtenir d’aquest experiment va ser un seguit de molècules orgàniques, entre elles molts de les que trobem avui dia als éssers vius: – Àcid acètic.

– Glucosa.

– Aminoàcids: • Glicina.

• Alanina.

• Àcid glutàmic.

• Àcid aspàrtic.

• Per tant va quedar establert que en una atmosfera reductora, amb una font d’energia s’obtenien els components essencials dels éssers vius, per tant l’aparició de la vida és inevitable, sempre que es donin les condicions adequades.

Evolució prebiòtica. • Encara que es puguin formar els maons essencials de la vida a partir de

substàncies senzilles, resta per explicar com es va poder evolucionar des d’aquests compostos fins a un ésser viu.

• Hem de pensar que fins i tot una cèl·lula procariota és molt complexa des del punt de vista químic com per que hagi sorgit de forma espontània amb la seva complexitat actual.

• Per tant s’han de suposar estadis d’evolució intermedis entre els simples compostos que es formaven a l’atmosfera primigènia de la Terra i els primers éssers vius.

Mon d’ARN-Mon de Fe-S2-.

• Aquestes dues hipòtesis tracten de resoldre l’enigma de la complexitat química dels éssers vius.

• En els éssers vius s’observen dos sistemes autònoms que es recolzen mútuament: – Un sistema de replicació de la informació, basat en àcids nucleics.

– Un sistema de producció d’energia, basat en proteïnes, metabolisme.

• La qüestió que es pretén resoldre és com van sorgir i com es van acoblar per donar lloc als éssers vius.

Mon d’ARN.

• La informació necessària per construir un ésser viu està continguda en cadenes d’àcids nucleics, ADN en el cas de les cèl·lules, ARN en el cas dels virus.

• Tant un com altre, tenen la capacitat de realitzar còpies de si mateixos.

• Com que l’ARN és més fàcil d’obtenir a partir dels seus components, que l’ADN, podem imaginar que en la sopa primordial restaven dissoltes molècules d’ARN que feien còpies de si mateixes, mitjançant la complementarietat de bases nitrogenades (Llei de Chargaff).

• Aquesta seria la forma de reproducció més senzilla possible, de fet és el fonament de la tècnica d’amplificació de l’ADN PCR (Polimerase Chain Reaction).

N

N

N

N

O

N

H

H

H N

N

N

O

H

H

Guanina Citosina

N

N

N

N

N

H

H

N

N

O

O

H

CH3

Adenina Timina

N

N

N

N

N

H

H

N

N

O

O

H

Adenina Uracil

Metabolisme. • A partir de la replicació de l’ARN, podem pensar que va anant

evolucionant lentament, perquè el sistema de còpia de l’ARN fós cada vegada més perfecte.

• Així la molècula d’ARN va perdre un àtom d’oxigen i es va convertir en ADN, més estable.

• Aquestes millores, però requerien més energia que la que es podia obtenir de l’equilibri de la reacció de l’ARN a partir del nucleòtids.

• Per tant havia d’existir un sistema d’emmagatzematge d’energia previ.

Mon de Fe-S2-.

• La via metabòlica amb més probabilitat d’haver-se format espontàniament és el cicle de Krebs.

• Aquesta és la ruta metabòlica per la qual es degraden els glúcids perdent un àtom de carboni a cada volta que dona el cicle, i es genera a cada etapa una molècula d’ATP, que és pot utilitzar com a font d’energia directament a la cèl·lula.

• Aquest cicle es pot haver format amb més facilitat en un substrat de Sulfur de Ferro, emanant d’un fumerol submarí.

• Així l’energia que prové dels minerals del fumerol pot invertir el cicle de Krebs que es convertiria en una forma de quimiosíntesis, mentre que en absència d’aquesta energia es convertiria en un cicle degradatiu.

Fusió entre metabolisme i replicació.

• La fusió entre tots dos sistemes proporcionaria la base per formar un ésser viu.

• Per una banda, els àcids nucleics proveirien d’un sistema de transmissió de la informació genètica.

• Per altra, el cicle de Krebbs proporcionaria un sistema per obtenir i emmagatzemar energia.

• Les sinèrgies obtingudes de la fusió d’ambdós sistemes formaria l’ésser viu més senzill possible.

L’evolució de la vida a la Terra.

• Aquesta transició ha d’haver estat molt ràpida a la Terra, donat que els fòssil d’éssers vius més antics són uns microfòssils de bactèries trobats a la formació Strelley Pool a l’Austràlia Occidental al 2011, a roques de 3.400 milions d’anys d’antiguitat, per tant si la Terra té 4.500 milions d’anys d’antiguitat, tot el procés d’evolució prebiòtica va tenir lloc en 1.100 milions d’anys.

• En comparació fa 2.1000 milions d’anys apareixen les primeres cèl·lules eucariotes, fa 1.000 Ma les primeres algues pluricel·lulars, fa 900 Ma els primers fongs pluricel·lulars i fa 700 Ma els primers animals pluricel·lulars.

• Per tant durant 1.300 milions d’anys els éssers vius més avançats que hi havia van ser simples bacteris, un 38% de la història de la vida a la Terra.