L'origen i l'evolució de la vida

Resumeix la hipòtesi heterotròfica d'Oparin i Haldane sobre l'origen de la vida i explica en què va consistir l'experiment de Miller i Urey, què van obtenir i què va demostrar.

Descriu com era l'atmosfera primitiva de la Terra segons la hipòtesi clàssica (sense oxigen, amb $\text{CO}_2$, vapor d'aigua, metà i amoníac) i explica quina diferència clau la separa de l'atmosfera actual.

L'experiment de Miller i Urey va assumir una atmosfera molt reductora que avui es considera poc probable. a) Explica què van assumir i què van obtenir de totes maneres. b) Raona per què l'experiment es continua considerant una fita encara que l'atmosfera real fos diferent: quin principi va demostrar? c) Indica quins altres escenaris (fonts hidrotermals, espai) podrien haver aportat les molècules orgàniques.

Explica què són els coacervats o protobionts i quines propietats «gairebé vives» presenten (membrana, intercanvi amb el medi, creixement per incorporació), indicant què els falta per ser considerats cèl·lules.

Què és la hipòtesi del «món d'ARN»? Explica per què l'ARN és més bon candidat que l'ADN per haver estat la primera molècula de la vida, recorrent a la seva doble funció: emmagatzemar informació i catalitzar reaccions.

Ordena aquests passos cap a la primera cèl·lula i justifica l'ordre triat: aparició d'una molècula autoreplicativa, formació de membranes lipídiques, síntesi de monòmers orgànics, polimerització i integració de metabolisme, herència i coberta.

Què són els estromatòlits i quins organismes els formen? Explica per què es consideren una de les evidències més antigues de vida a la Terra.

Fa uns $2\,400$ milions d'anys l'oxigen va començar a acumular-se a l'atmosfera (la Gran Oxidació). Explica quins organismes el van produir i descriu dues conseqüències d'aquest canvi per a la vida i per a la superfície del planeta.

Què és LUCA, el darrer avantpassat comú universal? Explica quines característiques se li atribueixen (cèl·lula procariota, codi genètic, metabolisme) i quina evidència molecular —el codi genètic pràcticament idèntic en tots els éssers vius— sosté que tots en descendim.

L'esquema representa la teoria endosimbiòtica de l'origen de la cèl·lula eucariota proposada per Lynn Margulis. Explica què passa entre les cèl·lules 1 i 2 per donar lloc a la cèl·lula 3, i cita tres evidències que donen suport a aquesta teoria relacionades amb els mitocondris i els cloroplasts.

Compara un mitocondri i un cloroplast: mida, nombre de membranes, tipus d'ADN i de ribosomes. Raona, a partir d'aquestes dades, per què es creu que el mitocondri es va incorporar abans que el cloroplast a la cèl·lula eucariota (quins eucariotes tenen mitocondris però no cloroplasts?).

En un sondeig geològic del Precambrià s'analitzen estrats compresos entre els 2700 i els 2100 Ma. En els nivells inferiors (2700-2400 Ma) es registren abundants dipòsits de ferro bandat (BIF) amb uraninita i pirita detrítica (minerals inestables en presència d'O2), juntament amb biosignatures de cianobacteris. Cap als 2200 Ma, els BIF gairebé desapareixen i sorgeixen les primeres capes vermelles continentals (riques en òxids de Fe³⁺), alhora que el registre fòssil mostra una caiguda dràstica en la diversitat de microfòssils anaerobis.

1. a) Justifica per què va existir un desfasament de centenars de milions d'anys entre l'aparició dels primers organismes fotosintètics oxigènics i l'oxigenació efectiva de l'atmosfera lliure.
2. b) Un estudiant afirma: «L'oxigen va ser un residu tòxic que gairebé acaba amb la biosfera, però sense ell els organismes eucariotes complexos mai no haurien estat viables energèticament». Avalua críticament aquesta afirmació comparant el balanç energètic (rendiment en ATP) i les adaptacions bioquímiques necessàries enfront de l'estrès oxidatiu.

Compara la hipòtesi de la «sopa primordial» amb la hipòtesi de la panspèrmia: en què coincideixen, en què es diferencien i quin problema deixa sense resoldre la segona.

S'ha dissenyat al laboratori un simulador hidrotermal que recrea el fons oceànic de l'Hàdic: fluids alcalins rics en H2 dissolt (pH entre 9,0 i 11,0) emergeixen a través de microcavitats minerals de sulfur de ferro (FeS) en contacte amb un oceà primitiu àcid (pH entre 5,5 i 6,0) saturat de CO2 i Fe²⁺ dissolt.

1. a) Justifica com l'estructura microporosa inorgànica i la diferència de pH entre fluids reprodueixen abiòticament un mecanisme anàleg a la força protó-motriu i a la fosforil·lació oxidativa cel·lular, abans de l'existència d'enzims i membranes lipídiques complexes.
2. b) Compara la viabilitat energètica d'aquest escenari enfront de la hipòtesi de la «sopa primordial» en aigües superficials, considerant la continuïtat del flux d'energia i la protecció enfront de la intensa radiació ultraviolada i el bombardeig meteorític tardà.
3. c) Prediu què li passaria al potencial redox i a la capacitat de síntesi orgànica d'aquest sistema hidrotermal si l'oceà exterior perdés la seva acidesa i assolís el mateix pH alcalí que els fluids emergents.

Per comprovar les dues hipòtesis principals sobre l'origen de la polimerització prebiòtica (bassals mareals superficials amb cicles sec-humit enfront de fonts hidrotermals submarines profundes), un equip dissenya dos simuladors al laboratori:

• Reactor A (Superficial): Dissolució de nucleòtids sotmesa a cicles periòdics d'hidratació i dessecació a 60,0 °C sota llum ultraviolada (longitud d'ona curta, representativa de l'atmosfera anòxica primitiva).

• Reactor B (Profund): Gradient continu de temperatura (de 80,0 °C a 20,0 °C) i pH a l'interior de canals microcapil·lars de pirita i greigita, en completa foscor i submergit en dissolució aquosa permanent.

1. a) La formació de l'enllaç fosfodièster entre nucleòtids és una reacció de condensació termodinàmicament desfavorable en dissolució aquosa diluïda ($\Delta G > 0$). Justifica com cadascun dels dos reactors intenta resoldre o esquivar aquest problema químic (l'anomenada «paradoxa de l'aigua»).
2. b) Prediu quin reactor presentarà una major degradació de monòmers per fotòlisi si no s'afegeix cap compost protector i argumenta quin paper selectiu o destructiu va poder jugar la radiació UV en l'origen del codi genètic.
3. c) Si en el Reactor B s'aconsegueix la síntesi de petits oligòmers d'ARN amb activitat ribozim però són incapaços d'escapar dels microcapil·lars minerals, raona si aquest confinament és un avantatge o un obstacle per a la transició cap a les primeres protocèl·lules independents.