1. Aquí hi ha vida!

CONTINGUTS

1. Què és la vida

2. Quins requeriments té la vida?

2.1. Els bioelements

2.1.1. Bioelements primaris

2.1.2. Bioelements secundaris

2.1.3. Oligoelements

3. El carboni: l’element de la vida

RECURSOS I ENLLAÇOS

Per introduir-nos en la matèria aquest suggerent vídeo:

1. QUÈ ÉS LA VIDA?

Segurament tens molt clar el significat del concepte vida. Segurament saps distingir perfectament un ésser viu d’allò que no ho és (matèria inerta). El que potser no és tan fàcil és definir que és vida i que significa ser un ésser viu…

Començarem aquest tema demanant que reflexionis un moment sobre aquests conceptes (vida, ésser viu) i provis de definir-ho amb les teves paraules.

Què és la vida?

Fer una definició completa i senzilla de vida no és tan fàcil, oi? És molt complex aquest fenomen anomenat vida i no es pot definir amb dues línies…

Calderón de la Barca (1600-1681) ho va fer amb sis versos…

que es la vida

Preciós. Però ens sembla que no és això el que estem cercant…

La vida és un terme entès i utilitzat per tothom ( poetes, escriptors, periodistes, informatius, converses, pel·lícules… quants cops no haurem sentim o llegit aquesta paraula?!!). Però ara volem entendre el seu significat i veure com ho explica la ciència que s’ocupa d’estudiar-la.

Què té a dir la Biologia sobre el concepte que sosté tot el seu coneixement? (Ja sabeu això de què la paraula biologia ve del grec bios=vida i logia= estudi, ciència…oi?).

Ara veurem com defineix vida la ciència que s’ocupa d’estudiar-la: la biologia. Comprovarem que no és una definició senzilla, com va dir la Lynn Margulis: “La vida és més fàcil apuntar-la amb el dit que definir-la”….

Vida és la capacitat intrínseca a la condició d’ésser viu. Els éssers vius es caracteritzen per posseir una ordenació estructurada i complexa de la matèria i per mantenir un metabolisme (catalitzat per enzims) que els permet l’intercanvi de matèria i energia amb el medi que els envolta. Els éssers vius tenen la capacitat de reproduir-se (i deixar en herència la informació genètica) i a través de les successives generacions, evolucionen.

La definició del Diccionari Henderson de Termes Biològics:

vida. subst. els organismes vius es poden distingir d’altres sistemes fisicoquímics complexos per la seva capacitat d’emmagatzemar i transmetre informació molecular en forma d’àcids nucleics, per posseir catalitzadors enzimàtics, per les seves relacions energètiques amb el medi ambient, pels seus processos interns de conversió d’energia (per ex. fotosíntesi, respiració i altres activitats metabòliques catalitzades per enzims), per la seva capacitat de créixer i reproduir-se i per la seva capacitat de respondre a estímuls (irritabilitat)-

Actualment la ciència defineix la vida com: un sistema químic autopoiètic capaç d’experimentar evolució darwiniana, és a dir, amb material genètic que es replica i muta.

Què és la vida…segons els científics

Vull tornar a l’índex

2. LA MATÈRIA QUE REQUEREIX LA VIDA

Seguim avançant per comprendre una mica més que vol dir ben bé això de vida. Això ens porta indiscutiblement a fixar-nos en aquells que la manifesten: els éssers vius.

Si la vida va intrínsecament lligada al concepte d’ésser viu… potser cal ara fixar-nos com són aquests éssers vius, com organitzen la seva matèria per poder manifestar el que coneixem com a vida.

Què tenen els éssers vius que no té una roca, el gel o el vidre? De què estan fets que són capaços de nodrir-se, de reproduir-se i un gra de sorra no ho pot fer? On són les diferències amb la matèria inerta?

La matèria dels éssers vius es constitueix amb uns 60 elements químics, d’entre els que cal destacar els elements primaris (carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen, fòsfor i sofre) amb els que es formen les biomolècules orgàniques (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics). L’organització ordenada d’aquestes molècules forma les unitats bàsiques de tots els éssers vius: la cèl·lula. Tots els éssers vius estan constituïts per una o més cèl·lules. Els sistemes vius són màquines autopoiètiques: transformem la matèria convertint-la en part d’ells mateixos, de tal manera, que el producte és la seva pròpia organització.

2.1. ELS BIOELEMENTS

Els éssers vius estan constituïts per matèria. L’anàlisi química de la matèria viva revela que els éssers vius estan formats per una sèrie d’elements i compostos químics.

Aquests elements químics que els trobem constituint la matèria viva reben el nom de bioelements o elements biogènics. Els bioelements no són exclusius de la vida. La matèria inerta conté els mateixos però amb abundàncies diferents.

De fet, quan analitzem quins són els elements que formen part de la matèria viva ens adonem que, en els éssers vius, es poden trobar fins a uns setanta elements químics, gairebé tots els elements estables que hi ha a la Terra, tret dels gasos nobles; això no obstant, en els éssers vius el 96% d’aquests àtoms pertanyen a només 6 elements químics: són el carboni, l’hidrogen, l’oxigen, el nitrogen, el sofre i fòsfor, que són molt més abundants a la matèria viva que a l’escorça terrestre.

Aquest fet confirma la idea que la vida es va desenvolupar a partir d’uns determinats elements químics que presenten unes propietats fisicoquímiques adients per a realitzar els processos necessaris en els éssers vius.

Però no tots els bioelements són indispensables ni igual d’abundants ni comuns, a tots els éssers. En els éssers vius, el 97% d’aquests àtoms pertanyen a només 6 elements químics: són el carboni, l’hidrogen, l’oxigen, el nitrogen, el sofre i fòsfor. Amb aquests elements es forma la pràctica totalitat de les molècules biològiques.

Atenent a la seva abundància (no importància), es poden agrupar en tres categories: bioelements primaris, bioelements secundaris i oligoelements.

2.1.1 Bioelements primaris

Són indispensables per a la formació de les biomolècules (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics) i es troben presents en la totalitat dels éssers vius.

Els bioelements primaris més abundants són el carboni, oxigen, hidrogen i nitrogen (recorda! CHON). També es pot incloure en aquest grup el fòsfor (P) i el sofre (S).

Extreta de WikipediaAquests elements formen part de la matèria viva en un percentatge molt superior als restants gràcies a les seves propietats fonamentals:

  • Els seus compostos presenten polaritat de manera que fàcilment es dissolen en l’aigua, la qual cosa facilita la seva incorporació i la seva intervenció en les rutes metabòliques.
  • Tenen un pes atòmic baix: C = 12, H = 1, O = 16 i N = 14.
  • Formen entre ells enllaços covalents, compartint electrons. Com que són elements lleugers, de poca massa atòmica, els enllaços covalents resultants són molt estables.
  • El carboni, nitrogen i oxigen, poden compartir més d’un parell d’electrons, i formar enllaços dobles i triples, la qual cosa els proporciona una gran versatilitat per a formar enllaços químics amb altres elements i permet la formació de cadenes més o menys llargues, les quals, posteriorment, es poden ramificar i adoptar disposicions tridimensionals o bé tancar-se tot formant anells.
  • Encara que no són dels més abundants, tots ells es troben amb certa facilitat en les capes més externes de la Terra (escorça, atmosfera i hidrosfera) i poden ser fàcilment incorporats a la biosfera. Això afavoreix els cicles biològics.
  • Amb exclusió dels gasos nobles, els elements C, H, O i N són també alguns dels més abundants en l’univers carboni (4t més abundant), hidrogen (més abundant), oxigen (3r) i nitrogen (6è)}. Els altres elements abundants, heli i neó, són inerts, és a dir, no reaccionen amb altres elements. Els asteroides que contenen carboni són rics en elements CHON. Aquests asteroides són el tipus més comú i sovint xoquen amb la Terra en forma de meteorits. Aquests xocs van ser especialment intensos a principis de la Història de la Terra (fins 3.850 milions anys enrere). Per això no és desgavellat apuntar que els meteorits poden haver estat crucials en la formació de la vida a la Terra.
  • Els compostos formats per C, H, O i N en els organismes vius es troben en estat reduït. Com l’oxigen és molt abundant a la superfície del planeta, els compostos tendeixen a oxidar per formar compostos de baixa energia, com el diòxid de carboni i l’aigua. L’energia despresa en aquestes oxidacions és aprofitada per a les funcions vitals dels organismes.

Amb els bioelements primaris es forma la pràctica totalitat de les molècules biològiques. bioelements presents en les biomolèculesbiolements primaris
Però la matèria viva requereix molts elements, no tan sols 6.

Vull tornar a l’índex

2.1.2 Bioelements secundaris

Els bioelements secundaris els trobem formant part essencial de tots els éssers vius, si bé en conjunt no superen, generalment, el 2,5-3% de la massa total de l’organisme. Són el sodi (Na), potassi (K), magnesi (Mg), calci (Ca) i clor (Cl). En medi aquós es troben sempre ionitzats. Exerceixen funcions de vital importància en fisiologia cel·lular.

bioelements secundaris

2.1.3. Oligoelements

En grec oligos significa escàs. Per això al conjunt d’elements químics que estan presents en els organismes en petites proporcions (en conjunt, no representen més enllà del 0,1% del pes total de l’organisme) se’ls anomena oligoelements. Tant el seu dèficit com el seu excés poden produir greus trastorns en els éssers vius.

El fet que un determinat element químic aparegui en proporcions traça, formant part d’un ésser viu no és suficient per caracteritzar-lo com un oligoelement: podria molt bé tractar-se d’una contaminació ambiental procedent del medi (aigua, aire, terra, aliments…). Els oligoelements, encara que en petitíssimes proporcions són imprescindibles per als éssers vius, donat que intervenen en multitud de processos metabòlics, generalment desenvolupant una funció catalitzadora.

Es requereixen quantitats tan minses que, sovint, la decisió de quins elements pertanyen o no a aquesta categoria no es fàcil per als investigadors.

De la llarga llista d’oligoelements solament 5 d’ells són comuns en tots els éssers vius per la qual cosa s’anomenen oligoelements universals. És el cas del manganès (Mn), del ferro (Fe), del coure (Cu), el cobalt (Co) i el zinc (Zn).

Altres oligoelements, els anomenats oligoelements variables, només els necessiten determinats grups d’organismes. Exemples d’aquest tipus són el iode (I), el bor (B), el silici (Si), el fluor (F), el vanadi (V), el seleni (Se), el crom (Cr), el molibdè (Mo), l’estany (Sn), l’arsènic (As)…

oligoelements

Descarrega’t els APUNTS BIOELEMENTS

Vull tornar a l’índex

3. L’ELEMENT DE LA VIDA: EL CARBONI

D’entre els bioelements, cal destacar el protagonisme indiscutible del carboni. Sense el carboni no seríem aquí. Ni nosaltres ni cap dels altres éssers vius, des dels més diminuts i senzills fins als gegantins. El carboni és la base de la vida. Almenys, de la vida tal com la coneixem. S’ha especulat si hi podria haver, en altres llocs, vida basada, per exemple, en el silici. I, tot i no excloure del tot la possibilitat, no sembla una solució probable.

El carboni no es va formar durant el Big Bang. Durant els inicis del Big Bang es van formar només hidrogen, heli i traces de liti. La resta dels elements, entre ells el carboni, es va crear més tard.

El carboni es forma a l’interior de les estrelles, el que s’anomena nucleosíntesi estel·lar.

En l’interior dels estels es troba una concentració suficient d’heli per a transformar alguns nuclis d’aquest element en carboni. Aquest procés s’anomena procés triple alfa: col·lisió triple de partícules alfa (=nuclis d’heli).

A l’interior de les estrelles, el cicle del carboni i nitrogen proporciona part de l’energia produïda pel Sol i altres estrelles, és el cicle CNO. Les supernoves permeten dispersar el carboni i els altres elements per la galàxia.

Tot i així, el carboni no és, ni de bon tros, l’element més abundant a la Terra. Queda molt lluny de l’oxigen i també del silici, que són els que representen, en massa, els percentatges més elevats a l’escorça del planeta. Fins i tot, atenent sempre la massa total, hi ha més alumini i ferro que no pas carboni.

Aleshores per què el carboni?

La resposta és la seva capacitat per formar llargues cadenes enllaçant-se amb ell mateix, cosa que, amb la unió d’altres elements —bàsicament hidrogen, molt sovint oxigen i nombroses vegades altres com ara nitrogen, fòsfor o sofre—, li ha permès formar un gran nombre de molècules, algunes de molt complexes.

Glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics són el resultat de la sorprenent capacitat que té el carboni per enllaçar-se i formar molècules de dimensions, formes i funcions molt variables. Són tantes, que mereixen un apartat diferenciat en l’estudi de la química: la química orgànica, també coneguda com la química del carboni.

Anomenem molècules orgàniques gairebé totes les que contenen carboni (hi ha alguna excepció, i el CO2, per exemple, no es considera un compost orgànic). N’hi ha milions. La més senzilla és el metà —CH4—, però a partir d’aquí sembla com si no hi hagués límit. I algunes no tan sols són molt complexes, sinó que en algun moment en la història de la Terra van aprendre a autoreplicar-se i donar lloc al que anomenem vida.

Vull tornar a l’índex

Per entendre perquè el carboni té facilitat per a formar molècules cal fixar-se en l’estructura de l’àtom de carboni.

l'àtom de carboni

El carboni té 6 protons i 6 electrons (Z=6). Els seus isòtops naturals són: C-12 (99%), C-13 (1%), C-14 (traces).

La seva configuració electrònica (1s2 2s2 2p2 ) ens indica que hi ha 4 electrons en la seva última capa, faltant-li altres 4 per completar-la (configuració de capa completa). Per aconseguir-los, podria guanyar o perdre 4 electrons, “i això seria massa”. Per això, el carboni tendeix a compartir els 4 electrons del seu darrer nivell mitjançant quatre enllaços covalents.

La gran tendència a formar enllaços covalents apolars estables amb altres àtoms de carboni i, també, amb àtoms d’hidrogen li permet constituir llargues cadenes hidrocarbonades (macromolècules). Les cadenes hidrocarbonades són apolars i, per tant, insolubles en aigua, la qual cosa és necessària per poder constituir estructures estables.

Les cadenes hidrocarbonades poden presentar radicals afegits formats pels altres elements (-O, -OH, -NH2, -SH, -H2PO4, etc.). Atès que l’oxigen, el nitrogen i el sofre són elements electronegatius, quan estableixen enllaços amb l’hidrogen, donen lloc a molècules dipolars.

Això provoca que si se n’afegeixen suficients a una cadena hidrocarbonada, aquesta pot arribar a ser soluble, condició necessària per reaccionar amb d’altres.

Les cadenes es poden replegar de formes diferents i, com que els quatre enllaços del carboni estan dirigits cap als quatre vèrtexs d’un tetraedre imaginari, es poden formar estructures tridimensionals. Tot això possibilita la formació de diferents tipus de molècules amb l’estructura tridimensional necessària.

Per això, la vida està constituïda per carboni i no per silici, un àtom amb la configuració electrònica de la seva capa de valència igual a la del carboni. El fet és que les cadenes silici-silici no són estables i les cadenes de silici i oxigen són pràcticament inalterables, i mentre el diòxid de carboni, CO2, és un gas soluble en aigua, el seu equivalent en el silici, SiO2, és un cristall sòlid, molt dur i insoluble (quars).

¿Por qué no es probable una vida basada en el silicio?

El carboni és un element que és bescanviat entre els éssers vius i el medi. El cicle del carboni, en el cas de la Terra, és particularment complex pel fet d’haver-hi diversos intercanvis entre els oceans, les roques, la matèria viva i l’atmosfera. En aquest cicle podem distingir:

El cicle biològic del carboni: comprèn els intercanvis de carboni (CO2) entre els éssers vius i l’atmosfera. Els tres processos d’intercanvi de C són la fotosíntesi, la respiració i la fermentació. Mentre que la fotosíntesi és el procés mitjançant el qual el carboni atmosfèric queda retingut en vegetals en forma de molècula orgànica; la fermentació i la respiració retornen el C a l’atmosfera.

Vull tornar a l’índex

El cicle biogeoquímic: regula la transferència de carboni entre l’atmosfera i la litosfera (oceans i sòl).

El CO2 atmosfèric es dissol amb facilitat en aigua, formant àcid carbònic que ataca els silicats que constitueixen les roques, resultant ions bicarbonat. Aquests ions dissolts en aigua arriben el mar, són assimilats pels animals per formar els seus teixits, i després de la seva mort es dipositen en els sediments. El retorn a l’atmosfera es produeix en les erupcions volcàniques després de la fusió de les roques que el contenen. Aquest últim cicle és de llarga durada, en veure implicats els mecanismes geològics. A més, hi ha ocasions en què la matèria orgànica queda sepultada sense contacte amb l’oxigen que la descompongui, produint-se així la fermentació que el transforma en carbó, petroli i gas natural.

Dins un ecosistema en equilibri, la quantitat neta de diòxid de carboni produït pels organismes autòtrofs (fotosíntesi) és igual a la quantitat de diòxid de carboni consumida pels organismes heteròtrofs (respiració).

Aquí teniu una presentació a mode de resum:

Enllaços d’interès:

Aula Virtual de Biologia

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà Els camps necessaris estan marcats amb *