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La Vida: ayer, hoy y mañana
Miguel Ángel de la Rosa
Sevilla, 7 Febrero 2017
El milagro de la Vida
La creación de Adán, Michelangelo Buonarroti
Figura 01
Visión egocéntrica del Universo
Figura 02
Eppur si muove
Salviati en el Dialogo sopra i due sistema del mondo (Galileo, 1638): Es mucho más probable que el movimiento diurno se deba a la Tierra sola que no al resto del Universo.
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 03
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Vida en el planeta azul
La Tierra vista desde la Luna
Figura 04
Vida en un rincón del Universo
La Tierra
Figura 05
Materia, energía y vida
Las criaturas vendrían a ser como pequeños torbellinos de orden dentro del desorden torrencial del Universo.
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 06
El narcisismo del hombre
El narcisismo universal del hombre, el amor a sí mismo, ha sufrido tres serios reveses debido al progreso de la ciencia: 1. El revés Cosmológico, cuando Copérnico demostró en el siglo XVI que la
Tierra no es el centro del Universo.
2. El revés Biológico, cuando Darwin demostró en el siglo XIX que el hombre no es superior ni distinto al resto de los animales.
3. El revés Psicológico, cuando en el siglo XX el hombre ha tenido que admitir que no es dueño y señor ni tan siquiera de su propia mente.
Sigmund Freud (1930)
Figura 07
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Diversidad biológica
Charles Darwin On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859)
Figura 08
La edad de la Tierra
Arzobispo James Ussher de Irlanda (1581-1656) Calculó la edad de la Tierra en base a las genealogías de Adán y Eva listadas en el Génesis, concluyendo que… …la Tierra debió formarse el 22 de Octubre del 4004 a.C.
Figura 09
El origen de la vida
La sopa primordial La molécula de ADN
Figura 10
Los elementos de la materia viva
*
V I I I P G I I I I V V V V I I I I I I
1 2 3 4 5 6 7
H H
Na K
Mg Ca V Cr
Mo Mn Fe Co Ni Cu Zn
B C N O F Si P S Cl
Se Sn I
W *
Figura 11
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En el interior de las estrellas
Combustión de hidrógeno (T ca. 107 K) 4 1 H 1 --- > 2 He 4 Combustión de helio (T ca. 108 K) 2 2 He 4 --- > 4 Be 8 4 Be 8 + 2 He 4 --- > 6 C 12 6 C 12 + 2 He 4 --- > 8 O 16 Combustión de carbono (T ca. 1,4 x 109 K) 2 6 C 12 --- > 10 Ne 20 + 2 He 4 2 6 C 12 --- > 11 Na 23 + 1 H 1 2 8 O 16 -- - > 14 Si 28 + 2 He 4 2 8 O 16 --- > 16 S 32 Combustión de silicio (T ca. 1,8 x 109 K) 14 Si 28 + n 2 He 4 --- > elementos hasta 26 Fe 56
Figura 12
Polvo de estrellas
Las estrellas son los crisoles donde se generan los elementos químicos por fusión nuclear.
Figura 13
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Composición elemental de la corteza terrestre
Elemento Porcentaje Elemento Porcentaje (en masa) (en masa) Oxígeno 49,4 Titanio 0,6 Silicio 25,8 Cloro 0,2 Aluminio 7,5 Fósforo 0,12 Hierro 4,7 Manganeso 0,10 Calcio 3,4 Carbono 0,08 Sodio 2,6 Azufre 0,06 Potasio 2,4 Argon 0,04 Magnesio 1,9 Nitrógeno 0,03 Hidrógeno 0,9 _____ _____ Total ≃ 99 Total ≃ 1
Figura 14
Bioelementos
H
O
N
C
H 2
OH 2
NH 3
CH 4
2
O 2
N 2
CO 2
Bioelemento Atmósfera primitiva
Atmósfera actual
OH
Figura 15
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Experimento de Miller y Urey, 1953
calor
descarga eléctrica
frío
NH CH H H
O 3 4
2 2
Figura 16
Los Elementos y Moléculas de la Vida M. Losada, M.A. Vargas, M.A. De la Rosa y F.J. Florencio Editorial RUEDA, Madrid, 1998 (vol. 1) y 1999 (vol. 2)
Experimento de Miller y Urey, 1953
CO
NC
ENTR
ACIÓ
N
TIEMPO (h)
50 100 15000
2
4
6
8NH
(x 100 )
mM
3
aminoácidos (x 1 m )M
HCN (x 10 m )M
Los Elementos y Moléculas de la Vida M. Losada, M.A. Vargas, M.A. De la Rosa y F.J. Florencio Editorial RUEDA, Madrid, 1998 (vol. 1) y 1999 (vol. 2)
Figura 17
Experimento de Juan Oró, 1959
ácido cianhídrico
C N 5 H N
C C
C
N H
N N H
N
2
Adenina
C H C H
Los Elementos y Moléculas de la Vida M. Losada, M.A. Vargas, M.A. De la Rosa y F.J. Florencio Editorial RUEDA, Madrid, 1998 (vol. 1) y 1999 (vol. 2)
Figura 18
Sopa primigenia de Oparin, 1924
En una primera etapa, ciertos tipos de moléculas orgánicas se irían acumulando en las aguas oceánicas hasta formar una especie de “sopa primigenia”. Alexander I. Oparin The Origin of Life
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 19
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Vida en condiciones extremas
Cyanidium caldarium (pH ~3, 50ºC) Yellowstone National Park, USA
Figura 20
Vida en condiciones extremas
Sulfolobus acidocaldarius (pH 3, 80ºC) Yellowstone National Park, USA
Figura 21
Vida en condiciones extremas
Aguas termales alcalinas (pH 8 – 8,3) Yellowstone National Park, USA
Synechococcus
Thermocrinis
Chloroflexus
Figura 22
Temperaturas límites para la vida
Figura 23
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Valores de pH límites para la vida
Figura 24
Tres descubrimientos esenciales
La investigación sobre el origen de la vida se basa en tres descubrimientos esenciales:
1. Las moléculas básicas de la vida se pueden sintetizar en
condiciones prebióticas (experimento de Miller).
2. Los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas lipídicas, componentes de la membrana celular.
3. Las moléculas de RNA pueden ser seleccionadas al azar por su capacidad para reproducirse (ribozimas).
“Theory, Facts and the Origin of Life” (editorial) Nature Structural & Molecular Biology 12, 101 (2005)
Figura 25
¿Cuándo empieza la vida?
A hen is nothing more than an egg’s way of making another egg. Samuel Butler (1835-1902)
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 26
Características diferenciadoras de los seres vivos
1. Complejidad y alto grado de organización
2. Función específica. Por ejemplo: Ácidos nucleicos Información genética y Catálisis Proteínas Estructura y Catálisis Lípidos Estructura y Reserva energética
Carbohidratos Estructura y Reserva energética
3. Extracción y transformación de materia y energía del entorno
4. Reproducción
Figura 27
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¿Cómo surgió la vida?
Sustancias orgánicas del espacio
Sopa prebiótica
Polímeros prebióticos
Origen de la vida
Mundo de ARN
Mundo de proteína/ ADN (bioquímica
moderna)
Reacciones sintéticas abióticas
en la Tierra primitiva
Figura 28
Programa BIOPAN - Vida en el espacio
Exposición de organismos halófilos al espacio exterior
Dunaliella
Synechococcus
Haloarcula en un cristal de NaCl
Figura 29
Evolución basada en un mundo de ARN
Formación de la Tierra
-4,5
Hidrosfera estable
-4,2
Química prebiótica
-4,2 /-4,0
Mundo de pre-ARN
-4,0
Mundo de ARN
-3,8
Vida primitiva ADN/proteína
-3,6
Diversificación de la vida
-3,6 - presente
Los números hacen referencia al tiempo transcurrido (miles de millones de años)
Figura 30
Biodiversidad
La diversidad de microbios en los océanos es el resultado de más de 3,8 miles de millones de años de evolución
Figura 31
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Economía evolutiva: Los colores de la vida
Clorofilas y grupos hemínicos
El anillo tetrapirrólico
Mg
Fe
Figura 32
El grupo hemo
CH
CH
CH
CH
CH
CH
3
3
2
2
H C
H C
3
3
CH CH
CH CH
COOH COOH
2 2
2 2
N N
N N
Fe
Figura 33
La hemoglobina
α1 α2
β2 β1
Figura 34
La hemoglobina
Max Perutz recibió el premio Nobel en
1962 por resolver la estructura de la
hemoglobina (ca. 10.000 átomos)
Figura 35
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Evolución de las globinas
Proteínas con grupo hemo capaces de unir dioxígeno
Soja
Insecto
Tiburón
Gallina
Ballena
Vaca
Vaca
Gallina
Pez
Mono Humano
Mono Humano
Vaca
Gallina
Tiburón Tiburón
Humano
Pez
Leghemoglobina
Mioglobina Hemoglobina
Subunidad α
Subunidad β
Figura 36
Clorofilas
CH
CH
CH
CH
CH R
2
3
3
2
H C
H C
3
3
CH
CH
CO
2
2
H
H
H
COOMe O
N N
N N
Mg
Figura 37
El ciclo básico de la vida
luz
energía biológica
anhídrido carbónico nitrógeno atmosférico nitratos sulfatos fosfatos
H2O + carbohidratos lípidos proteínas ácidos nucleicos
+ O2
fotosíntesis
respiración
Figura 38
5000
4000
3000
2000
1000
0
Antigüedad (millones de años)
Formación de la Tierra (atmósfera primitiva)
Formación del núcleo terrestre
Sistemas oceánicos estables, primeras rocas sedimentarias
Producción biológica de oxígeno
Niveles de O >3% 2
Formación de los continentes actuales
moléculas primitivas (CH4 , NH3 , H2O, H2, SH2 , PH3)
moléculas orgánicas prebiológicas
polímeros prebiológicos
primeras células (heterotróficas, procarióticas)
algas verde-azuladas (autotróficas, procarióticas)
primeras células eucarióticas
metazoos eucarióticos
invertebrados peces reptiles y anfibios, plantas terrestres mamíferos y aves hombre
evol
ució
n qu
ímic
a
y pr
ebio
lógi
ca
evol
ució
n bi
ológ
ica
o da
rwin
iana
Figura 39
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Evolución
Física Química Biológica Social
Figura 40
Los orígenes del hombre
Figura 41
El uso de instrumentos
Figura 42
La línea del tiempo histórico
Era Pre-Cristiana Era Cristiana J.C. Año 0
5.000 / 3.000 aC Aparece la escritura
1453 Caída del
Imperio Romano de Oriente
1789 Revolución Francesa
476 Caída del
Imperio Romano de Occidente
Paleolítico Neolítico Edad Antigua
Edad Media
Edad Moderna
Edad Contemporánea
Edad de los Metales
Mesolítico
PRE-HISTORIA HISTORIA
Figura 43
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De los pictogramas a la escritura
Figura 44
La evolución de la escritura
Figura 45
Jeroglíficos Árabe Chino
Hebreo Escritura cuneiforme
Figura 46
La evolución de la escritura La evolución social: el hombre y la lengua
La historia humana se divide en tres estados sucesivos: Salvajismo, Barbarie y Civilización Lewis Morgan (1818-81)
Atendiendo a su estructura interna, las lenguas se clasifican en: Aislantes (o Silábicas), Aglutinantes y Flexivas August Schleicher (1821-68)
Figura 47
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Taxonomía tripartita de Schleicher
1. Lenguas Aislantes (chino, austronesias) Yuxtaposición de palabras-raíces
2. Lenguas Aglutinantes (alemán, vasco)
Relación gramatical mediante declinaciones
3. Lenguas Flexivas (español, inglés, francés)
Uso de preposiciones y variaciones de la palabra raíz
Miguel de Unamuno Jon Juaristi (2012)
Figura 48
La evolución del hombre y la lengua
Según Miguel de Unamuno: 1. las lenguas aislantes, primitivas por definición,
corresponderían al periodo indiferenciado de la horda;
2. las aglutinantes, a las sociedades militares,
3. y solo las flexivas podrían adaptarse a la complejidad de las sociedades industriales.
Miguel de Unamuno
Jon Juaristi (2012)
Figura 49
La película de la Vida
Imaginemos que pudiéramos resumir [la historia de la vida en la Tierra] en una película de veinticuatro horas: Un fotograma fugaz, insuficiente para impresionar siquiera la retina de nuestros ojos, mostraría a Adán y a Eva en el paraíso. Los muchos milenios de civilización humana, desde la prehistoria hasta el siglo actual, los "dilatados" imperios persa, egipcio, griego, romano y árabe tan sólo ocuparían décimas de segundo de nuestra película. Las Fronteras del Conocimiento
Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 50
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996)
Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
La película de la Vida
¿Evolucionará la especie humana hasta dar origen a nuevos seres más inteligentes y complejos?
Figura 51
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El hombre biónico
Espoleados por la escasez de órganos para trasplantes, los bioingenieros, biólogos celulares y médicos clínicos están combinando sus talentos para diseñar órganos de repuesto para el ser humano. Marc Lavine et al. (2002) Science 295, 995
Figura 52
Descubrimiento de Keppler-186f
Figura 53
Exploración espacial - ¿especiación alopátrica?
Figura 54
El paso hacia el Hombre
Quizá lleguemos a ser una especie de ingeniosos monos que han diseñado computadores aún más ingeniosos para realizar el trabajo real del Universo. Clair E. Folsone (1985) El origen de la vida
Las Fronteras del Conocimiento Miguel A. de la Rosa (1996) Addison Wesley, Wilmington, Delaware, USA
Figura 55