1. Hipòtesis sobre l’origen de la vida
1.1. Creacionisme
1.2. Teoria de la generació espontània
1.3. Panspèrmia
1.4. Hipòtesi d’Oparin i Haldane
1.5. Experiment de Miller i Urey
3. Cronologia de l’evolució biològica
4. Principals grups taxonòmics
1. Hipòtesis sobre l’origen de la vida
El problema de l’origen de la vida s’ha plantejat des de diverses perspectives, que, òbviament, en els seus inicis, van ser especialment de tipus mític i religiós, però que, ja des de l’aparició de la filosofia, van intentar evitar recórrer al mite, la qual cosa va preparar el terreny per a explicacions d’ordre científic.
1.1. El creacionisme
Dins el context místic religiós, es concebia el problema de la biogènesi com una extrapolació de l’experiència de l’origen de la vida individual: naixement, desenvolupament i mort i, per això, es buscava, com en la vida de l’individu, un progenitor, identificat generalment amb Déu.
En la tradició més estesa a occident -la concepció dominant durant segles, lligada a les creences religioses de matriu judeocristiana-, es concebia l’origen de la vida com un acte de creació divina, creació que podia entendre’s com feta d’una vegada per sempre, o com una creació més o menys contínua, la qual cosa explicava la generació espontània.
1.2. La teoria de la generació espontània
La majoria dels científics des d’Aristòtil (384-322 aC) fins ben entrat el segle XIX tenien el convenciment que alguns éssers vius sorgien de manera espontània de determinats substrats gràcies a una mena de força vegetativa que emanava de la mateixa matèria: la teoria de la generació espontània.
Pel que fa als organismes petits, la idea d’una generació espontània o abiogènesi era fàcilment contrastable amb les observacions que qualsevol podia fer —era, per tant, una teoria científica— i amb el sentit comú. Del blat sortien ratolins; de la carn putrefacta, cucs i mosques; del fang, gripaus. Inclòs es van arribar a proposar fórmules per obtenir nous éssers vius.
Un dels primers a demostrar la falsedat de la teoria de la generació espontània va ser el metge italià Francesco Redi (1626-1697). Així i tot, els investigadors més crítics havien d’enfrontar-se a les creences que durant segles s’havien observat com veritables, amb la qual cosa sovint es posava en dubte la seva credibilitat.
Des d’un punt de vista experimental, gràcies principalment als experiments de Francesco Redi (s. XVII), Lazzaro Spallanzani (s. XVIII) i Louis Pasteur (s. XIX) van rebatre la teoria de la generació espontània.
Cómo tumbó Pasteur el cuento de la generación espontánea.
1.3. Teoria de la panspèrmia
El filòsof grec Anaxàgores propugnava en el segle V aC la idea de la panspèrmia, segons la qual hi havia un nombre infinit de gèrmens o spermata distribuïts per tot l’Univers que haurien donat lloc a qualsevol forma de vida. Va ser durant els segles XIX i XX quan aquesta teoria ressorgeix de la mà de científics com Hermann Von Helmholtz (1879) i Svante Arrhenius (1903).
El 1906, el físic suec Svante August Arrhenius va usar aquest terme per postular que la vida hauria pogut arribar a la Terra procedent de l’espai. La idea de cèl·lules o espores que viatjaven pel cosmos era sustentada per altres científics de l’època, però calia explicar com era possible que una estructura orgànica pogués resistir la radiació còsmica i després entrar a l’atmosfera terrestre sense desintegrar-se a conseqüència de les altes temperatures.
Analitzant la composició dels meteorits, podem determinar que contenen substàncies orgàniques relacionades amb la vida. Com que els meteorits van ser freqüents a l’inici de la formació del planeta, alguns científics consideren que les molècules bàsiques de la vida van arribar de l’espai.
Posteriorment, en alguns meteorits s’han trobat aminoàcids d’origen indubtablement extraterrestre, i els radiotelescopis han revelat la presència de petites concentracions de molècules orgàniques en la matèria interestel·lar. Inclòs el 1996, la NASA va anunciar la troballa del que semblaven bacteris fòssils en un meteorit marcià, però avui en dia encara no ha estat científicament confirmat.
1. 4. La hipòtesi d’Oparin i Haldane
Una vegada refusada la generació espontània, la qüestió de l’origen de la vida es va centrar a intentar explicar l’origen de la primera cèl·lula. Els coneixements en astronomia i de l’origen del sistema solar permetien especular sobre les condicions en què va sorgir aquesta cèl·lula.
Simultàniament i de forma separada, dos científics, Oparin i Haldane van elaborar una sèrie d’hipòtesis establint, a partir d’aquestes possibles condicions, la seqüència probable d’esdeveniments que originarien la vida.
Per separat, el bioquímic rus Aleksandr I. Oparin (1894-1980), el 1922, i el biòleg anglès J. B. S. Haldane (1892-1964), el 1928, van imaginar un mateix escenari químic: una atmosfera primitiva de caràcter reductor. En comptes d’oxigen (que hauria destruït immediatament qualsevol estructura viva), aquesta atmosfera contindria compostos reduïts com el metà (CH4), el vapor d’aigua (H2O) i l’amoníac (NH3).
El bioquímic Oparin va plantejar l’existència d’una sèrie de processos evolutius que en l’origen de la vida es van anar superposant i desenvolupant alhora. Aquests processos es van iniciar amb la formació de la Terra primitiva i l’atmosfera. A partir de substàncies inorgàniques i sota l’acció de diverses fonts d’energia, es van sintetitzar els primers compostos orgànics, i la concentració i agregació d’aquests va donar lloc a la formació d’altres compostos de major complexitat; aquest procés va continuar fins al sorgiment de les primeres cèl·lules al fons dels oceans.
Segons Oparin, aquest procés s’hauria donat en les següents etapes:
- Síntesi abiogènica. Formació dels primers compostos orgànics a partir de la matèria inorgànica present en l’atmosfera primitiva de caràcter reductor. Aquesta atmosfera contindria metà (CH4), el vapor d’aigua (H2O) i l’amoníac (NH3).
- Polimerització. Formació de llargues cadenes de macromolècules complexes sota l’acció de diverses fonts d’energia, aconseguint així compostos complexos i indispensables per a la vida: proteïnes, polisacàrids i àcids nucleics.
- Coacervació. Formació de coacervats, és a dir, d’agregats microscòpics de proteïnes i polímers separats del medi ambient per una protomembrana. No són éssers vius, però són el pas immediatament anterior.
- Origen de la cèl·lula primitiva. La incorporació als coacervats d’àcids nucleics va permetre l’herència i, per tant, la selecció natural, donant origen pròpiament a la vida en la forma de les primeres cèl·lules procariotes.
El 1929 John Haldane arribava a unes conclusions molt similars a les d’Oparin i va formular una teoria de l’origen de la vida que partia d’una atmosfera semblant a la proposada per científic rus, i hi introduïa la noció de sopa primitiva: aigües oceàniques enriquides amb matèria orgànica on s’haurien format les primeres estructures (no cel·lulars) amb capacitat per autoreplicar-se.
És per això que parlem de la teoria d’Oparin-Haldane o teoria de la Síntesi abiogènica segons la qual gasos de l’atmosfera primitiva van reaccionar entre si a conseqüència de radiacions UV i descàrregues elèctriques dels llampecs donant lloc a molècules i macromolècules orgàniques que després haurien evolucionat, per donar lloc a polímers.
Els coacervats són sistemes col·loidals constituïts per macromolècules diverses que s’haurien format en certes condicions en medi aquós i haurien anat evolucionant fins a donar lloc a cèl·lules amb veritables membranes i altres característiques dels organismes vius.
La vida de las primeras células
Del caldo primitivo a las primeras células
1.5. Els experiments de Miller i Urey
El 1953 Stanley L. Miller (1930-2007), un estudiant de doctorat de la Universitat de Chicago, va proposar al seu director Harold Urey realitzar un experiment per contrastar la hipòtesi d’Aleksandr Oparin i JBS Haldane.
Segons Oparin i Haldane en les condicions de la Terra primitiva s’havien produït reaccions químiques que van conduir a la formació de compostos orgànics a partir d’inorgànics, que posteriorment van originar les primeres formes de vida. Urey pensava que els resultats no serien concloents, però finalment va acceptar la proposta de Miller. Van dissenyar un aparell en el qual van simular algunes condicions de l’atmosfera de la Terra primitiva postulades per Oparin i Haldane, dissenyant un dels experiments més importants de la història de la biologia. És conegut amb el nom de l’experiment de Miller i Urey.
Experiment de Miller i Urey. Font: https://coolhunting.com/culture/miller-urey-bon/
Van sotmetre mescles gasoses (hidrogen, metà, amoníac i vapor d’aigua) a descàrregues elèctriques en un recipient a una temperatura de 80?°C (simulaven l’atmosfera primitiva, la temperatura de la terra i les descàrregues dels llamps). Passades unes setmanes, el resultat obtingut van ser 13 dels 20 aminoàcids, les molècules a partir de les quals es formen les proteïnes.
L’experiment mostrava que era possible que la Terra primitiva hagués evolucionat de condicions abiòtiques (sense vida) a condicions prebiòtiques (prèvies a la vida), la possibilitat de la síntesi de molècules orgàniques a partir de compostos inorgànics en un ambient aquós.
2. Origen dels éssers vius
El 1922 el científic rus Oparin va proposar una hipòtesi per explicar com hauria aparegut la vida al planeta. L’experiment clau per comprovar aquesta teoria va ser realitzat per Miller i Urey el 1953.
Actualment, es força acceptada la idea que la vida es va originar gràcies a una seqüència d’esdeveniments o processos que es van donar successivament i que van desembocar en l’aparició de les primeres cèl·lules.
Des de llavors, les proves acumulades ens indiquen que la vida probablement va començar fa uns 3.800 milions d’anys, només 700 milions d’anys després de la formació del nostre planeta. Al gran laboratori de química que era la Terra primitiva es van sintetitzar les primeres molècules orgàniques, que van anar organitzant-se progressivament per formar-ne altres més llargues i complexes.
A partir d’aquestes es van originar sistemes que combinaven tres característiques fonamentals: un compartiment (delimitat per una membrana), un metabolisme bàsic (que permetia intercanviar matèria i energia amb l’entorn) i una molècula amb informació genètica (probablement l’ARN, que després donaria lloc a les proteïnes i a l’ADN).
1. Es van formar molècules orgàniques simples.
Les molècules orgàniques simples són els maons de la vida i van haver d’estar implicats a l’origen. Els experiments indiquen que les molècules orgàniques podrien haver-se sintetitzat a l’atmosfera de la Terra primitiva i haver plogut sobre els oceans. Les molècules d’ARN i ADN (el material genètic de tots els éssers vius) són només llargues cadenes de nucleòtids simples.
2. Aparegueren les molècules replicadores i començaren a experimentar la selecció natural.
Tots els éssers vius es reprodueixen, copiant el seu material genètic i transmetent-ho als seus descendents. Per tant, la capacitat per copiar les molècules que codifiquen la informació genètica és un pas clau a l’origen de la vida: sense ell, la vida no existiria. Probablement, aquesta capacitat va aparèixer primer en forma d’un autoreplicador d’ARN (una molècula d’ARN que es copiava a si mateixa).
Molts biòlegs hipotetitzen que aquest pas va portar a un «món d’ARN», en què l’ARN tenia moltes funcions: emmagatzemava la informació genètica, es copiava a si mateix i duia a terme funcions metabòliques bàsiques. Actualment, aquests treballs els duen a terme molts tipus de molècules diferents (principalment ADN, ARN i proteïnes, però al món d’ARN, l’ARN ho feia tot)
L’autoreplicació va obrir la porta a la selecció natural. Després que es va formar la molècula autoreplicadora, algunes variants d’aquests primers replicadors serien més eficaços copiant-se a si mateixos que altres i produirien més «descendents». Aquests superreplicadors es tornarien més comuns —això, fins que un es construís accidentalment de manera que li permetés ser un super-superreplicador— i llavors, aquesta variant assumiria el poder. Mitjançant aquest procés de selecció natural continuada, acabarien acumulant-se els petits canvis en les molècules replicadores fins que va evolucionar un sistema replicador estable i eficaç.
Va ser W. Gilbert el 1986 qui va formular la hipòtesi en la seva forma actual que l’ARN va haver de ser la molècula clau a l’origen de la vida. Les observacions existents que donen suport a un paper privilegiat de l’ARN a l’origen de la vida són les següents:
1.- Té capacitat catalítica. Les molècules d’ARN tenen capacitat per fer reaccions bioquímiques. Per exemple, processen altres ARN com els missatgers en els seus processos de maduració. Un descobriment transcendent és que l’ARN és el principal responsable de la síntesi peptídica als ribosomes, és a dir, estaria al centre de la síntesi proteica.
2.- Transporta informació. L’ARN és una seqüència de ribonucleòtids i és capaç d’organitzar-se espacialment de manera diferent segons aquesta seqüència. Això és així perquè es produeixen associacions parcials per complementarietat entre alguns dels segments de la seva cadena. Per tant, tindríem un genotip, seqüència, i un fenotip, organització espacial.
3.- L’ARN és un intermediari entre l’ADN i les proteïnes, tant per codificar els gens com per a la síntesi de proteïnes, ARN missatger i ARN de transferència, respectivament.
4.- Molècules d’ARN sotmeses a condicions controlades són capaces d’evolucionar per autoreplicació de manera similar a l’evolució darwiniana.
5.- Ribonucleòtids com l’ATP (trifosfat d’adenosina) són les molècules energètiques per excel·lència dels éssers vius. Molècules nucleotídiques com el NAD+ i el FAD són cofactors crucials en moltes reaccions bioquímiques.
3. Les molècules replicadores queden dins d’una membrana cel·lular.
L’aparició d’una membrana que envoltava el material genètic proporcionava dos grans avantatges: els productes del material genètic es mantenien a prop i l’ambient extern d’aquesta protocèl·lula era diferent de l’ambient extern. Les membranes cel·lulars han d’haver proporcionat un avantatge tan gran a aquests replicadors embolicats, que haurien deixat fora de competència ràpidament els replicadors «nus». Aquest avenç donaria lloc a un organisme molt semblant a un bacteri actual.
4. Algunes cèl·lules van començar a desenvolupar processos metabòlics moderns i van superar les que tenien altres formes de metabolisme més antigues.
Fins ara, és probable que la vida hagués confiat la majoria de les tasques a l’ARN (com es descriu al pas 2, més amunt). Però tot va canviar quan alguna cèl·lula o grup de cèl·lules va evolucionar i va començar a utilitzar molècules diferents per a diferents funcions: l’ADN (més estable que l’ARN) es va convertir en el material genètic; les proteïnes (que són sovint més eficaces que l’ARN com a facilitadores de reaccions químiques) es van fer responsables de les reaccions metabòliques bàsiques de la cèl·lula i l’ARN va ser degradat al paper de missatger, el transportador de la informació des de l’ADN fins als centres on es construeixen les proteïnes de la cèl·lula.
Les cèl·lules que van incorporar aquestes innovacions superarien fàcilment les cèl·lules «passades de moda» que tenien metabolismes basats en l’ARN, conduint a la fi del món de l’ARN.
5. La selecció natural condueix a LUCA
Considerem que aquestes cèl·lules primitives van ser els primers éssers vius, ja que ja tenien capacitat per automantenir-se i autoreproduir-se. A partir d’elles, l’evolució per selecció natural va donar lloc a una espècie unicel·lular més complexa (que anomenem LUCA, inicials en anglès d’Últim Ancestre Comú Universal), que va ser l’avantpassat del qual deriva tota la biodiversitat actual. Probablement, però, mai no sabrem amb certesa com va començar la vida.
Pots trobar la continuació de la unitat didàctica en la següent pàgina:
3. Cronologia de l’evolució biològica
