Exercicis: 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.

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.

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.

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.

Diferencia un organisme autòtrof d'un d'heteròtrof i raona per què és més plausible que els primers éssers vius fossin heteròtrofs (aprofitant les molècules orgàniques del medi) que no pas fotosintètics.

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.

Exposa tres diferències entre una cèl·lula procariota i una d'eucariota, i assenyala quines característiques dels mitocondris (mida, doble membrana, ADN propi, ribosomes) delaten el seu origen bacterià.

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.

Ordena cronològicament aquestes fites de la història de la vida i justifica l'ordre triat: aparició de la fotosíntesi oxigènica, primeres cèl·lules procariotes, explosió cambriana, primeres cèl·lules eucariotes, conquesta del medi terrestre per les plantes.

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.

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.

Els meteorits carbonacis (condrites) contenen aminoàcids i altres molècules orgàniques. Explica què aporta aquesta troballa a l'estudi de l'origen de la vida, en què es diferencia de la hipòtesi de la panspèrmia i per què demostra que la química orgànica és comuna a l'univers.

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.

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?).

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.

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.

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.

Analitza la següent informació evolutiva sobre els mamífers i els dinosaures:

• Durant el Mesozoic (uns 140 Ma), els mamífers van conviure amb els dinosaures mantenint una mida corporal reduïda (menys de 5,0 kg), hàbits majoritàriament nocturns i una morfologia dental poc variada, malgrat posseir ja endotèrmia i pèl.

• Al límit K-Pg (fa 66 Ma) es van extingir els dinosaures no aviaris. En els següents 15 Ma (Paleocè i Eocè), el registre fòssil mostra una explosió morfològica en els mamífers, amb l'aparició sobtada de formes voladores (quiròpters), marines (primers cetacis) i grans herbívors de més de 1000 kg.

1. a) Explica aquest contrast temporal utilitzant els conceptes de «nínxol ecològic vacant» i «radiació adaptativa». Per què les adaptacions avantatjoses dels mamífers no van ser suficients per si soles per provocar la seva diversificació abans del límit K-Pg?
2. b) Un company sosté: «Les catàstrofes i extincions massives són el motor primari que crea noves espècies i accelera la taxa de mutació». Rebat de manera raonada aquesta afirmació, aclarint quin és el paper biològic real de les extincions massives en la macroevolució.
3. c) Prediu raonadament quin grup animal actual (per exemple, ocells no voladors, rosegadors o artròpodes) tindria una probabilitat més alta d'experimentar una radiació adaptativa equivalent si desapareguessin tots els grans mamífers terrestres en l'actualitat, i quines pressions selectives guiarien la seva divergència.

Un equip d'investigació geològica analitza roques sedimentàries de 3800 Ma procedents del cinturó supracortical d'Isua (Grenlàndia). Després de l'estudi obtenen les dades següents:

1. Inclusions microscòpiques de grafit amb un enriquiment anòmal de l'isòtop lleuger del carboni ($\delta^{13}\text{C} = -30,5\,\text{‰}$), similar al que produeixen els enzims que fixen carboni inorgànic enfront del valor estàndard abiòtic (proper a $0,0\,\text{‰}$).

2. Formacions minerals bandades i laminades amb morfologia cònica que recorden externament estromatòlits, però sense restes cel·lulars fossilitzades perceptibles.

1. a) Justifica per què el fraccionament isotòpic del carboni es considera una biosignatura indirecta de metabolisme viu i quines limitacions presenta enfront de la troballa d'un fòssil cel·lular directe.
2. b) Un informe de premsa titula: «Demostrat de manera concloent l'origen de la vida fa 3800 Ma gràcies a fòssils d'Isua». Rebat aquest titular explicant quins processos geoquímics purament abiòtics poden generar estructures laminades o enriquiment isotòpic i com se'n comprova la falsabilitat.
3. c) Dissenya una proposta de dos criteris complementaris (mineralògics o moleculars) que l'equip hauria d'exigir a aquestes mostres abans d'acceptar que reflecteixen la presència inequívoca d'éssers vius primitius.

Durant el Criogènic (fa entre 720 i 635 Ma), la Terra va patir dues fases de glaciació gairebé global («Terra bola de neu»). Immediatament després del desglaç final es dipositen sobre les til·lites glacials gruixudes capes de «carbonats de cobertura» i, en el període Ediacarià subsegüent, irrompen els primers macroorganismes pluricel·lulars complexos de cos tou (fauna d'Ediacara).

1. a) Explica el cicle de retroalimentació climàtica: justifica com el gel va poder arribar fins a l'equador a causa de l'albedo i dedueix quin procés geoquímic intern va permetre que la Terra sortís de la congelació global si el cicle hidrològic estava gairebé aturat.
2. b) Durant les glaciacions, les poblacions biològiques van quedar confinades en refugis aïllats i fragmentats (oasis hidrotermals, fissures amb aigua líquida). Justifica com aquesta fragmentació poblacional va accelerar els mecanismes evolutius (deriva genètica, selecció diferencial) respecte a una biosfera en condicions globals homogènies i estables.
3. c) Prediu quina relació biogeoquímica hi ha entre la meteorització continental accelerada després del desglaç, l'auge dels productors primaris i la sobtada disponibilitat d'oxigen dissolt que va fer possible el desenvolupament d'organismes pluricel·lulars de grans dimensions.

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.

Un espectrògraf espacial d'alta resolució analitza la composició atmosfèrica de dos exoplanetes rocosos ubicats a la zona d'habitabilitat dels seus estels:

• Exoplaneta Àuriga-1: La seva atmosfera conté 80,0 % de N2, 18,0 % de CO2, 1,8 % de vapor d'aigua i traces persistents de metà (CH4, 0,2 %), amb nivells d'O2 inferiors al límit de detecció (0,001 %).

• Exoplaneta Àuriga-2: La seva atmosfera conté 90,0 % de CO2, 6,0 % d'O2 lliure i 4,0 % de vapor d'aigua. L'anàlisi complementària revela nivells elevats de monòxid de carboni (CO) i absència total de metà.

1. a) Aplica els principis de la química prebiòtica i la història de l'atmosfera terrestre per justificar per què Àuriga-1 constitueix un candidat sòlid per albergar vida anàloga a la de l'Arqueà terrestre, malgrat mancar completament d'oxigen lliure.
2. b) Un titular afirma: «Trobat O2 a Àuriga-2: confirmada vida fotosintètica extraterrestre». Rebat aquest titular identificant un procés fotoquímic abiòtic que expliqui l'acumulació d'O2 i justifica per què la presència simultània de CO reforça la hipòtesi abiòtica.
3. c) Dissenya una predicció: quin parell de gasos en simultani desequilibri termodinàmic (que reaccionin ràpidament entre si si no hi ha renovació biològica contínua) cercaries a l'atmosfera d'un exoplaneta per considerar-lo una biosignatura gairebé inequívoca de metabolisme actiu?

En un laboratori de química prebiòtica se sintetitza serina mitjançant descàrregues elèctriques sobre una barreja gasosa reductora. L'anàlisi polarimètrica del producte dona una desviació de la llum polaritzada de $0,0^\circ$, confirmant una barreja racèmica ($50,0\,\%$ L-serina i $50,0\,\%$ D-serina). En contrast, en analitzar mostres del meteorit Murchison es detecta un excés enantiomèric del $5,5\,\%$ a favor de la forma L en diversos aminoàcids alfa.

1. a) Justifica per què les proteïnes cel·lulars requereixen homoquiralitat estricta per formar estructures secundàries regulars i prediu quina conseqüència estructural i funcional tindria per a un enzim la incorporació aleatòria de D-aminoàcids a la seva cadena polipeptídica.
2. b) Un estudiant dedueix que «la vida va adoptar L-aminoàcids perquè aquesta forma és químicament més reactiva i termodinàmicament més estable que la forma D». Rebat aquesta afirmació basant-te en les propietats físiques i químiques dels enantiòmers en dissolució aquiral.
3. c) Formula una hipòtesi plausible que connecti l'excés enantiomèric mesurat en els meteorits amb l'acció de la radiació electromagnètica (llum polaritzada circularment) en el medi interestel·lar abans de l'origen de la Terra, i explica com aquest biaix inicial es va poder amplificar fins a la homoquiralitat completa observada en LUCA.