Hitos de la vida II
En la tierra o en el espacio: protobiontes y
desde las primeras células a los
organismos pluricelulares
¿Qué había antes del ancestro común a todos los
entes vivos? HII
LUCA P&DB 60433 Hitos vida tierra I
Master Geologia
2
Un tronco único
O Las secuencias de ADN de los organismos modernos permiten reconstruir el
O
O
O
O
árbol de la vida y averiguar las características probables del ancestro común
más reciente de todos los seres vivos - el "tronco" del árbol de la vida.
Según algunas hipótesis, este "ancestro común más reciente" puede ser en
realidad un conjunto de organismos que vivieron al mismo tiempo y fueron
capaces de intercambiar genes con facilidad.
La reconstrucción de las primeras ramas en el árbol de la vida nos dice que
este antepasado, o conjunto de antepasados, probablemente utiliza ácidos
nucleicos, especialmente ARN como material genético y realiza reacciones
químicas complejas (HII).
Pero, ¿qué había antes de él? Sabemos que este último ancestro común
debe haber tenido antepasados - una larga línea de antepasados que forman
la raíz del árbol de la vida –
Para saber, tenemos que recurrir a otras líneas de evidencia.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra I
3
Autocatálisis en micelas
NATURE COMMUNICATIONS
Physical autocatalysis driven
by a bond-forming thiol–ene
reaction
Andrew J. Bissette,
Barbara Odell
& Stephen P. Fletcher
Affiliations
Contributions
Corresponding author
Nature
Communications 5, Article
number: 4607 doi:10.1038/n
comms5607Received 22
March 2014 Accepted 07 July
2014 Published 02 September
2014
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
8
Finalmente, se produce el
empaquetamiento de las moléculas
en membranas, con una química
interna diferente de la de los
alrededores.
La formación de membranas cerradas
es un paso importante.
Como hemos visto las vesículas o micelas
de membranas cerrada se forman
expontáneamente por lo lípidos.
Esto permite la diferenciación entre un
medio interno y otro interno.
http://exploringorigins.org/resources.html
Procesos necesarios para la abiogénesis en la Tierra
La formación de protocélulas
No-replicante
Replicante sin evol.
Cel. evoluciona
Ricard V Solé et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2007;362:1727-1739.
©2007 by The Royal Society
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
Acell: célula artificial
10
La formación de protocélulas
Ricard V Solé et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2007;362:1727-1739.
©2007 by The Royal Society
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Von Neumann (1966) y la
máquina autoreplicante.
La lógica de la máquina de
Neumann: parecida a la de las
células vivas.
11
¿Estamos ya en presencia de
los Protobiontes?
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
protobiontes
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Moléculas autoreplicantes
O En la célula
actual el
DNA se
puede
replicar, pero
necesita la
ayuda de las
enzimas
(proteinas)
para lograrlo.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
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Moléculas autoreplicantes
O
En la célula actual el DNA se puede replicar, pero necesita la ayuda de las enzimas (proteinas) para lograrlo.
O Las proteinas se ensamblan sobre la base de
información del ADN, que transcribe el ARN.
O pero..... ¿qué fué primero?
O el DNA para hacer proteinas?
O o las proteins para hacer DNA?!?!?!?!?
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
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Moléculas autoreplicantes
O La síntesis de DNA y RNA requiere proteinas.
O Por tanto
O Las proteinas no pueden sintetizarse sin
acidos nucleicos y …
O Los acidos nucleicos
no sin proteinas
O !Falso!
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
15
Moléculas autoreplicantes
O Hemos visto la síntesis de
nucleótidos y sus bases se
polimerizan para formar
ácido ribonucleico (RNA).
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
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Moléculas autoreplicantes
O
Hemos visto la síntesis de nucleótidos y sus bases se
polimerizan para formar ácido ribonucleico (RNA).
O Así puede formarse una
hebra de RNA
Nucleótidos del ARN: Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
17
Moléculas autoreplicantes
O La hebra de RNA
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
18
Procesos necesarios para la abiogénesis en la Tierra
El origen de las moléculas autoreplicantes
permite la herencia.
•
•
•
El ADN (DNA) no puede autoreplicarse,
necesita enzimas proteicas.
Sin embargo, algunos ARN puede autoreplicarse, pueden catalizar la
formación de copias de sí mismo.
Se llaman ribozimas y son la base de la
RNA World Hypothesis
Origen y evidencia experimental
Origen de
la vida
compleja:
los
eucariotas
Transferencia genética horizontal
(Horizontal gene transfer).
Común entre las bacterias
En los últimos 10 años se ha visto que
también ha ocurrido en los eucariotas
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
23
moléculas fósiles
en el tiempo
geológico I
24
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
moléculas fósiles en
el tiempo geológico
II
25
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
EUKARYA
Dinoflagellates
Forams
Diatoms
Ciliates
Red algae
Land plants
Green algae
Cellular slime molds
Tree of life
Amoebas
Euglena
Trypanosomes
Leishmania
Animals
Fungi
Sulfolobus
Green nonsulfur bacteria
Thermophiles
Halophiles
(Mitochondrion)
COMMON
ANCESTOR
OF ALL
LIFE
Methanobacterium
Master Geologia
P&DB 60433 Hitos vida tierra II
ARCHAEA
Spirochetes
Chlamydia
Green
sulfur bacteria
BACTERIA
Cyanobacteria
(Plastids, including
chloroplasts)
26
Fig. 26-23
Eukarya
Ring of life
Bacteria
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
Archaea
The End
27
Origen de las células
La idea esencial es que hay una
cadena contínua desde las primeras
células a los organismos actuales.
Células fósiles del Precámbrico.
Presentan los mismos principios básicos
Chris Paine
https://bioknowledgy.weebly.com/
http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/361/1470/1023/F3.large.jpg
Las células sólo se pueden formar por la división de células anteriores.
Estructuras
complejas que
no se han
podido “formar”
en el laboratorio
de unidades
más simples.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Eukaryotic_Cell_%28animal%29.jpg/1024px-Eukaryotic_Cell_%28animal%29.jpg
Los virus se forman a
partir de subunidades
simples, pero no son
células y sólo se
pueden reproducir
dentro de las células
huésped que han
infectado.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/Influenza_virus_particle_color.jpg
Endosimbiosis
33
The origin of eukaryotic cells can be explained by the endosymbiotic
theory.
Development of the Nucleus
• A prokaryote grows in size and develops folds in it’s membrane to
maintain an efficient SA:Vol
• The infoldings are pinched off forming an internal membrane
• The nucleoid region is enclosed in the internal membrane and hence
becomes the nucelus
http://ib.bioninja.com.au/options/option-d-evolution-2/d1-origins-of-life-on-earth.html
The origin of eukaryotic cells can be explained by the endosymbiotic
theory.
*
Development of Mitochondria
•
•
•
•
•
An endosymbiont
is a cell which
lives inside
another cell with
mutual benefit
The development of chloroplasts would be a
very similar process except the benefit to the
cell would be glucose/starch instead of ATP
An aerobic proteobacterium enters a larger anaerobic prokaryote (possibly as prey or a
parasite)
It survives digestion to become a valuable endosymbiont*
The aerobic proteobacterium provides a rich source of ATP to it’s host enabling it to
out-compete other anaerobic prokaryotes
As the host cell grows and divides so does the aerobic proteobacterium therefore
subsequent generations automatically contain aerobic proteobacterium.
The aerobic proteobacterium evolves and is assimilated and to become a
mitochondrion.
http://ib.bioninja.com.au/options/option-d-evolution-2/d1-origins-of-life-on-earth.html
1.5.U3 The origin of eukaryotic cells can be explained by the
endosymbiotic theory.
The evidence supporting the endosymbiotic
theory for mitochondria and chloroplasts:
• They have their own DNA (which is naked and
circular)
• They have ribosomes that are similar to
prokaryotes (70S)
• They have a double membrane and the inner
membrane has proteins similar to prokaryotes
• They are roughly the same size as bacteria
and are susceptible to the antibiotic
chloramphenicol
• They transcribe their DNA and use the mRNA
to synthesize some of their own proteins.
• They can only be produced by division of preexisting mitochondria and chloroplasts.
http://sites.roosevelt.edu/mbryson/files/2011/11/endosymbiosis.jpg
Metabolismo de la vida
primitiva
En web de David Castro: Goldman, Aaron David, Baross, John, &
Samudrala, Ram (2012). The Enzymatic and Metabolic CapabilitiesMaster Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra
37
of Early Life PLOS ONE DOI: 10.1371/journal.pone.0039912
II
Catálisis
O Acelerar las reacciones químicas utilizando
catalizadores
O Homogénea, heterogénea
O Catalizadores biológicos llamados:
O Enzimas
O Las enzimas, al contrario que los
catalizadores químicos, son muy
específicas.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
38
Principales eventos en la
historia de la vida en la tierra
O Life arose from nonlife about 4 billion years ago by means of
O
O
O
O
O
chemical evolution. Review Figure 1.3
Biological evolution began about 3.8 billion years ago when
interacting systems of molecules became enclosed in
membranes to form cells.
Photosynthetic prokaryotes released large amounts of oxygen
into Earth's atmosphere, making aerobic metabolism possible.
Complex eukaryotic cells evolved by incorporation of smaller
cells that survived being ingested.
Multicellular organisms appeared when cells evolved the ability
to transform themselves and to stick together and
communicate after they divided. The individual cells of
multicellular organisms became modified to carry out varied
functions within the organism.
The evolution of sex sped up rates of biological evolution.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
39
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
40
BIG BANG
Cosmic dust and gases+ H2O
Oceans
Haldane soup
Reducing atmosphere(gases like
CH4,NH
O responsible for
3,NHitos
2,CO
2,H
Master Geologia
P&DB 60433
vida tierra
II 2
abiotic synthesis of organic compounds)
41
OPARIN-HALDANE THEORY
Haldane Soup
Simple Molecules
Complex Molecules (building blocks)
Aggregates (coacervates and microspheres)
Microsphere
Protocells( proprimitive stage before formation of true cell
Proto cells + nucleic acid = self replicating system
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
“CELL”
42
ENERGY YIELDING SYSTEM
O “Cell”
• Chlorophyll
Energy Yielding System
development
Photosynthesis
O2 evolved
Ozone Formation (shielding effect)
• Atmosphere
changed to oxidizing from reducing.
• Evolution
Master Geologia of
P&DBphotosynthesis
60433 Hitos vida tierra II
respiration.
which is followed
by
43
CELL
Replication
Metabolism
Homeostasis
Anaerobes
Aerobes
Chemotrophs
Heterotrophs
Chemoheterotrophs
Prokaryotic Cells
Endosymbiotic
Theory
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida
tierra II
Chemoautotrophs
Eukaryotic 44
cell
How Eukaryotic Cell Changed to
Multicellular Organism….
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
45
http://bigthink.com/errors-we-live-by/biologys-black-hole-explained. Illustration by Julia Suits, The
New Yorker cartoonist & author of The Extraordinary Catalog of Peculiar Inventions
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
Ilustración comentando el libro de Lane
(2015): La cuestión vital.
46
La complejidad de
los organismos
Origen de la Tierra
Presente
Medida en función de la longitud del ADN (DNA) funcional, no redundante, por genoma, contado como pares
de bases de los nucleotidos (bp). Aumenta linearmente con el tiempo (Sharov, 2012, Sharov & Gordon, 2013).
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
47
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
48
Photograph from National Geographic magazine
Deep-sea Vents
O Their discovery in late 1970’s stretched our
concept of the origin of life on earth.
O Can life exist and that too thousands of
meters beneath the surface of sea in absence
of sunlight?
O It raised the possibility that earlier vents
supplied the energy and chemical
precursors for origin of protobionts.
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
49
Exploring the deep ocean floor
View of the first highemperature vent
380°C) ever seen by
scientists during a dive
of the deep-sea
submersible Alvin in
1979.
Such geothermal vents
are called smokers.
This photograph shows a black smoker, but
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra IIsmokers can also be white, grey, or clear
50
depending on the material being ejected.
Photograph by Dudley Foster from RISE
expedition
Vent Community
A vent community in its prime: Pale pink eelpout fish and white
brachyuran crabs swim and scuttle among blood-red tube worms
large and
small.
Scientists
still
Master
Geologia P&DB
60433 Hitosare
vida tierra
II trying to figure out how the
51
offspring of such organisms disperse over long stretches of
inhospitable seafloor to colonize widely separated vent systems.
Giant Clams
The size of deep-sea giant clams is evident from the
hands
of a60433
scientist
holding
them.
Master
Geologia P&DB
Hitos vida tierra
II
52
(Photograph by William R. Normark, USGS.)
Giant Tube Worms: RIFTIA
O On the bottom of the
ocean around deepsea hydrothermal
vents, there is a
profusion of life that
thrives on the
hydrogen sulfide
(H2S) gas released
from the vents.and
live inside hard,
Giant tubeworms that live around hydrothermal vents
shell-like protective
on the sea floor. These creatures are about the size of
tubes that attach to
your hand in shallower waters, but in the ocean's53deep
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
the rocks.
they have been found as big as eight feet long!
Biomoléculas
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
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http://bigthink.com/errors-we-live-by/biologys-black-hole-explained. Illustration by Julia Suits, The
New Yorker cartoonist & author of The Extraordinary Catalog of Peculiar Inventions
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
Ilustración comentando el libro de Lane
(2015): La cuestión vital.
55
Hitos de la vida III
https://twitter.com/museucoa
Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II
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