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Hitos de la vida II En la tierra: protobiontes y desde las primeras células a los organismos pluricelulares

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Hitos de la vida II En la tierra: protobiontes y desde las

primeras células a los organismos

pluricelulares

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Autocatálisis en micelas

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 5

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/nc

omms5607Received 22

March 2014 Accepted 07

July 2014 Published 02

September 2014

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Procesos necesarios para la abiogénesis en la Tierra

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://e

xplo

ringorigin

s.o

rg/r

esourc

es.h

tml

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La formación de protocélulas

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 7

Ricard V Solé et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2007;362:1727-1739.

©2007 by The Royal Society

No-replicante Replicante sin evol. Cel. evoluciona

Acell: célula artificial

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La formación de protocélulas

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 8

Ricard V Solé et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2007;362:1727-1739.

©2007 by The Royal Society

Von Neumann (1966) y la

máquina autoreplicante.

La lógica de la máquina de

Neumann: parecida a la de las

células vivas.

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¿Estamos ya en presencia de los Protobiontes?

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 9 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.

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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 11

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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 12

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Moléculas autoreplicantes

O Hemos visto la síntesis de nucleótidos y sus bases se polimerizan para formar ácido ribonucleico (RNA).

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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

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 14

Nucleótidos del ARN: Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo

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Moléculas autoreplicantes

O La hebra de RNA

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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

auto-replicarse, 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

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moléculas fósiles en el tiempo geológico I

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II

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moléculas fósiles en el tiempo geológico

II

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II

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Fungi

EUKARYA

Trypanosomes

Green algae Land plants

Red algae

Forams Ciliates

Dinoflagellates

Diatoms

Animals

Amoebas Cellular slime molds

Leishmania

Euglena

Green nonsulfur bacteria

Thermophiles

Halophiles

Methanobacterium

Sulfolobus

ARCHAEA

COMMON ANCESTOR

OF ALL LIFE

BACTERIA

(Plastids, including chloroplasts)

Green sulfur bacteria

(Mitochondrion)

Cyanobacteria

Chlamydia

Spirochetes

Tree of life

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 21

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Fig. 26-23

Archaea Bacteria

Eukarya

The End

Ring of life

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Un origen común

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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

http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/361/1470/1023/F3.large.jpg

Chris Paine

https://bioknowledgy.weebly.com/

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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

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The origin of eukaryotic cells can be explained by the endosymbiotic theory.

http://ib.bioninja.com.au/options/option-d-evolution-2/d1-origins-of-life-on-earth.html

* An endosymbiont

is a cell which

lives inside

another cell with

mutual benefit

Development of Mitochondria

• 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.

The development of chloroplasts would be

a very similar process except the benefit to

the cell would be glucose/starch instead of

ATP

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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

pre-existing mitochondria and chloroplasts. http://sites.roosevelt.edu/mbryson/files/2011/11/endosymbiosis.jpg

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Metabolismo de la vida primitiva

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II

33 En web de David Castro: Goldman, Aaron David, Baross, John, &

Samudrala, Ram (2012). The Enzymatic and Metabolic

Capabilities of Early Life PLOS

ONE DOI: 10.1371/journal.pone.0039912

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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 34

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Principales eventos en la historia de la vida en la tierra O Life arose from nonlife about 4 billion years ago by means

of chemical evolution. Review Figure 1.3

O Biological evolution began about 3.8 billion years ago when interacting systems of molecules became enclosed in membranes to form cells.

O Photosynthetic prokaryotes released large amounts of oxygen into Earth's atmosphere, making aerobic metabolism possible.

O Complex eukaryotic cells evolved by incorporation of smaller cells that survived being ingested.

O 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.

O The evolution of sex sped up rates of biological evolution.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 35

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Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 36

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BIG BANG

Cosmic dust and gases+ H2O

Oceans

Haldane soup

Reducing atmosphere(gases like

CH4,NH3,N2,CO2,H2O responsible for

abiotic synthesis of organic compounds) Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 37

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OPARIN-HALDANE THEORY Haldane Soup

Simple

Molecules

Complex Molecules (building

blocks)

Aggregates (coacervates and

microspheres)

Protocells( proprimitive stage before formation of true

cell

Proto cells + nucleic acid = self replicating

system

“CELL”

Microsphere

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 38

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ENERGY YIELDING SYSTEM

O “Cell” Energy Yielding System

• Chlorophyll development Photosynthesis

O2 evolved

Ozone Formation (shielding effect)

• Atmosphere changed to oxidizing from reducing.

• Evolution of photosynthesis which is followed by

respiration. Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 39

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CELL

Replication Metabolism Homeostasis

Anaerobes Aerobes

Chemotrophs Heterotrophs

Chemoheterotrophs Chemoautotrophs

Prokaryotic Cells Eukaryotic cell Endosymbiotic Theory Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 40

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How Eukaryotic Cell Changed to

Multicellular Organism….

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 41

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Photograph from National Geographic magazine

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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 43

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Exploring the deep ocean floor

View of the first high-

temperature 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

smokers can also be white, grey, or clear

depending on the material being ejected.

Photograph by Dudley Foster from RISE

expedition

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 44

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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 are still trying to figure out how the

offspring of such organisms disperse over long stretches of

inhospitable seafloor to colonize widely separated vent systems.

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 45

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Giant Clams

The size of deep-sea giant clams is evident from the

hands of a scientist holding them.

(Photograph by William R. Normark, USGS.)

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 46

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Giant Tube Worms: RIFTIA

O On the bottom of the

ocean around deep-

sea hydrothermal

vents, there is a

profusion of life that

thrives on the

hydrogen sulfide

(H2S) gas released

from the vents.and

live inside hard,

shell-like protective

tubes that attach to

the rocks.

Giant tubeworms that live around hydrothermal vents

on the sea floor. These creatures are about the size of

your hand in shallower waters, but in the ocean's deep

they have been found as big as eight feet long!

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 47

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Biomoléculas

Master Geologia P&DB 60433 Hitos vida tierra II 48