El origen y la evolución de la vida

Describe cómo era la atmósfera primitiva de la Tierra según la hipótesis clásica (sin oxígeno, con $\text{CO}_2$, vapor de agua, metano y amoníaco) y explica qué diferencia clave la separa de la atmósfera actual.

Resume la hipótesis heterotrófica de Oparin y Haldane sobre el origen de la vida y explica en qué consistió el experimento de Miller y Urey, qué obtuvieron y qué demostró.

El experimento de Miller y Urey asumió una atmósfera muy reductora que hoy se considera poco probable. a) Explica qué asumieron y qué obtuvieron de todas formas. b) Razona por qué el experimento sigue considerándose un hito aunque la atmósfera real fuera distinta: ¿qué principio demostró? c) Indica qué otros escenarios (fuentes hidrotermales, espacio) podrían haber aportado las moléculas orgánicas.

En un laboratorio de química prebiótica se sintetiza serina mediante descargas eléctricas sobre una mezcla gaseosa reductora. El análisis polarimétrico del producto arroja una desviación de la luz polarizada de $0.0^\circ$, confirmando una mezcla racémica ($50.0\,\%$ L-serina y $50.0\,\%$ D-serina). En contraste, al analizar muestras del meteorito Murchison se detecta un exceso enantiomérico del $5.5\,\%$ a favor de la forma L en varios aminoácidos alfa.

1. a) Justifica por qué las proteínas celulares requieren homoquiralidad estricta para formar estructuras secundarias regulares y predice qué consecuencia estructural y funcional tendría para una enzima la incorporación aleatoria de D-aminoácidos en su cadena polipeptídica.
2. b) Un estudiante deduce que «la vida adoptó L-aminoácidos porque esta forma es químicamente más reactiva y termodinámicamente más estable que la forma D». Rebate esta afirmación apoyándote en las propiedades físicas y químicas de los enantiómeros en disolución aquiral.
3. c) Formula una hipótesis plausible que conecte el exceso enantiomérico medido en los meteoritos con la acción de la radiación electromagnética (luz polarizada circularmente) en el medio interestelar antes del origen de la Tierra, y explica cómo este sesgo inicial pudo amplificarse hasta la homoquiralidad completa observada en LUCA.

Diferencia un organismo autótrofo de uno heterótrofo y razona por qué es más plausible que los primeros seres vivos fueran heterótrofos (aprovechando las moléculas orgánicas del medio) que fotosintéticos.

Explica qué son los coacervados o protobiontes y qué propiedades «casi vivas» presentan (membrana, intercambio con el medio, crecimiento por incorporación), indicando qué les falta para ser considerados células.

¿Qué es la hipótesis del «mundo de ARN»? Explica por qué el ARN es mejor candidato que el ADN para haber sido la primera molécula de la vida, recurriendo a su doble función: almacenar información y catalizar reacciones.

Ordena estos pasos hacia la primera célula y justifica el orden elegido: aparición de una molécula autorreplicativa, formación de membranas lipídicas, síntesis de monómeros orgánicos, polimerización e integración de metabolismo, herencia y envoltura.

¿Qué son los estromatolitos y qué organismos los forman? Explica por qué se consideran una de las evidencias más antiguas de vida en la Tierra.

Hace unos $2\,400$ millones de años el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera (la Gran Oxidación). Explica qué organismos lo produjeron y describe dos consecuencias de ese cambio para la vida y para la superficie del planeta.

¿Qué es LUCA, el último ancestro común universal? Explica qué características se le atribuyen (célula procariota, código genético, metabolismo) y qué evidencia molecular —el código genético prácticamente idéntico en todos los seres vivos— sostiene que todos descendemos de él.

En un sondeo geológico del Precámbrico se analizan estratos comprendidos entre los 2700 y los 2100 Ma. En los niveles inferiores (2700-2400 Ma) se registran abundantes depósitos de hierro bandeado (BIF) con uraninita y pirita detrítica (minerales inestables en presencia de O2), junto a biofirmas de cianobacterias. Hacia los 2200 Ma, los BIF casi desaparecen y surgen las primeras capas rojas continentales (ricas en óxidos de Fe³⁺), al tiempo que el registro fósil muestra una drástica caída en la diversidad de microfósiles anaerobios.

1. a) Justifica por qué existió un desfase de cientos de millones de años entre la aparición de los primeros organismos fotosintéticos oxigénicos y la oxigenación efectiva de la atmósfera libre.
2. b) Un estudiante afirma: «El oxígeno fue un residuo tóxico que casi acaba con la biosfera, pero sin él los organismos eucariotas complejos nunca habrían sido viables energéticamente». Evalúa críticamente esta afirmación comparando el balance energético (rendimiento en ATP) y las adaptaciones bioquímicas necesarias frente al estrés oxidativo.

Expón tres diferencias entre una célula procariota y una eucariota, y señala qué características de las mitocondrias (tamaño, doble membrana, ADN propio, ribosomas) delatan su origen bacteriano.

El esquema representa la teoría endosimbiótica del origen de la célula eucariota propuesta por Lynn Margulis. Explica qué ocurre entre las células 1 y 2 para dar lugar a la célula 3, y cita tres evidencias que apoyan esa teoría relacionadas con las mitocondrias y los cloroplastos.

Compara una mitocondria y un cloroplasto: tamaño, número de membranas, tipo de ADN y de ribosomas. Razona, a partir de esos datos, por qué se cree que la mitocondria se incorporó antes que el cloroplasto a la célula eucariota (¿qué eucariotas tienen mitocondrias pero no cloroplastos?).

Ordena cronológicamente estos hitos de la historia de la vida y justifica el orden elegido: aparición de la fotosíntesis oxigénica, primeras células procariotas, explosión cámbrica, primeras células eucariotas, conquista del medio terrestre por las plantas.

Analiza la siguiente información evolutiva sobre los mamíferos y los dinosaurios:

• Durante el Mesozoico (unos 140 Ma), los mamíferos convivieron con los dinosaurios manteniendo un tamaño corporal reducido (menos de 5.0 kg), hábitos mayoritariamente nocturnos y una morfología dental poco variada, a pesar de poseer ya endotermia y pelo.

• En el límite K-Pg (hace 66 Ma) se extinguieron los dinosaurios no aviares. En los siguientes 15 Ma (Paleoceno y Eoceno), el registro fósil muestra una explosión morfológica en los mamíferos, con la aparición repentina de formas voladoras (quirópteros), marinas (primeros cetáceos) y grandes herbívoros de más de 1000 kg.

1. a) Explica este contraste temporal utilizando los conceptos de «nicho ecológico vacante» y «radiación adaptativa». ¿Por qué las adaptaciones ventajosas de los mamíferos no bastaron por sí solas para provocar su diversificación antes del límite K-Pg?
2. b) Un compañero sostiene: «Las catástrofes y extinciones masivas son el motor primario que crea nuevas especies y acelera la tasa de mutación». Rebate de forma razonada esta afirmación, aclarando cuál es el papel biológico real de las extinciones masivas en la macroevolución.
3. c) Predice razonadamente qué grupo animal actual (por ejemplo, aves no voladoras, roedores o artrópodos) tendría una mayor probabilidad de experimentar una radiación adaptativa equivalente si desaparecieran todos los grandes mamíferos terrestres en la actualidad, y qué presiones selectivas guiarían su divergencia.

Durante el Criogénico (hace entre 720 y 635 Ma), la Tierra sufrió dos fases de glaciación casi global («Tierra bola de nieve»). Inmediatamente después del deshielo final se depositan sobre las tillitas glaciares gruesas capas de «carbonatos de cobertura» y, en el periodo Ediacárico subsiguiente, irrumpen los primeros macroorganismos pluricelulares complejos de cuerpo blando (fauna de Ediacara).

1. a) Explica el ciclo de retroalimentación climática: justifica cómo el hielo pudo llegar hasta el ecuador debido al albedo y deduce qué proceso geoquímico interno permitió que la Tierra saliera de la congelación global si el ciclo hidrológico estaba casi detenido.
2. b) Durante las glaciaciones, las poblaciones biológicas quedaron confinadas en refugios aislados y fragmentados (oasis hidrotermales, fisuras con agua líquida). Justifica cómo esta fragmentación poblacional aceleró los mecanismos evolutivos (deriva genética, selección diferencial) respecto a una biosfera en condiciones globales homogéneas y estables.
3. c) Predice qué relación biogeoquímica existe entre la meteorización continental acelerada tras el deshielo, el auge de los productores primarios y la súbita disponibilidad de oxígeno disuelto que hizo posible el desarrollo de organismos pluricelulares de gran tamaño.

Compara la hipótesis de la «sopa primordial» con la hipótesis de la panspermia: en qué coinciden, en qué se diferencian y qué problema deja sin resolver la segunda.

Los meteoritos carbonáceos (condritas) contienen aminoácidos y otras moléculas orgánicas. Explica qué aporta ese hallazgo al estudio del origen de la vida, en qué se diferencia de la hipótesis de la panspermia y por qué demuestra que la química orgánica es común en el universo.

Se ha diseñado en el laboratorio un simulador hidrotermal que recrea el fondo oceánico del Hádico: fluidos alcalinos ricos en H2 disuelto (pH entre 9.0 y 11.0) emergen a través de microcavidades minerales de sulfuro de hierro (FeS) en contacto con un océano primitivo ácido (pH entre 5.5 y 6.0) saturado de CO2 y Fe²⁺ disuelto.

1. a) Justifica cómo la estructura microporosa inorgánica y la diferencia de pH entre fluidos reproducen abióticamente un mecanismo análogo a la fuerza protón-motriz y a la fosforilación oxidativa celular, antes de la existencia de enzimas y membranas lipídicas complejas.
2. b) Compara la viabilidad energética de este escenario frente a la hipótesis de la «sopa primordial» en aguas superficiales, considerando la continuidad del flujo de energía y la protección frente a la intensa radiación ultravioleta y el bombardeo meteorítico tardío.
3. c) Predice qué le ocurriría al potencial redox y a la capacidad de síntesis orgánica de este sistema hidrotermal si el océano exterior perdiera su acidez y alcanzara el mismo pH alcalino que los fluidos emergentes.

Un equipo de investigación geológica analiza rocas sedimentarias de 3800 Ma procedentes del cinturón supracortical de Isua (Groenlandia). Tras el estudio obtienen los siguientes datos:

1. Inclusiones microscópicas de grafito con un enriquecimiento anómalo del isótopo ligero del carbono ($\delta^{13}\text{C} = -30.5\,\text{‰}$), similar al que producen las enzimas que fijan carbono inorgánico frente al valor estándar abiótico (cercano a $0.0\,\text{‰}$).

2. Formaciones minerales bandeadas y laminadas con morfología cónica que recuerdan externamente a estromatolitos, pero sin restos celulares fosilizados perceptibles.

1. a) Justifica por qué el fraccionamiento isotópico del carbono se considera una biofirma indirecta de metabolismo vivo y qué limitaciones presenta frente al hallazgo de un fósil celular directo.
2. b) Un informe de prensa titula: «Demostrado de forma concluyente el origen de la vida hace 3800 Ma gracias a fósiles de Isua». Rebate este titular explicando qué procesos geoquímicos puramente abióticos pueden generar estructuras laminadas o enriquecimiento isotópico y cómo se comprueba su falsabilidad.
3. c) Diseña una propuesta de dos criterios complementarios (mineralógicos o moleculares) que el equipo debería exigir a estas muestras antes de aceptar que reflejan la presencia inequívoca de seres vivos primitivos.

Para comprobar las dos hipótesis principales sobre el origen de la polimerización prebiótica (charcas mareales superficiales con ciclos seco-húmedo frente a fuentes hidrotermales submarinas profundas), un equipo diseña dos simuladores en laboratorio:

• Reactor A (Superficial): Disolución de nucleótidos sometida a ciclos periódicos de hidratación y desecación a 60.0 °C bajo luz ultravioleta (longitud de onda corta, representativa de la atmósfera anóxica primitiva).

• Reactor B (Profundo): Gradiente continuo de temperatura (de 80.0 °C a 20.0 °C) y pH en el interior de canales microcapilares de pirita y greigita, en completa oscuridad y sumergido en disolución acuosa permanente.

1. a) La formación del enlace fosfodiéster entre nucleótidos es una reacción de condensación termodinámicamente desfavorable en disolución acuosa diluida ($\Delta G > 0$). Justifica cómo cada uno de los dos reactores intenta resolver o sortear este problema químico (la denominada «paradoja del agua»).
2. b) Predice qué reactor presentará una mayor degradación de monómeros por fotólisis si no se añade ningún compuesto protector y argumenta qué papel selectivo o destructivo pudo jugar la radiación UV en el origen del código genético.
3. c) Si en el Reactor B se logra la síntesis de pequeños oligómeros de ARN con actividad ribozima pero son incapaces de escapar de los microcapilares minerales, razona si este confinamiento es una ventaja o un obstáculo para la transición hacia las primeras protocélulas independientes.

Un espectrógrafo espacial de alta resolución analiza la composición atmosférica de dos exoplanetas rocosos ubicados en la zona de habitabilidad de sus estrellas:

• Exoplaneta Áuriga-1: Su atmósfera contiene 80.0 % de N2, 18.0 % de CO2, 1.8 % de vapor de agua y trazas persistentes de metano (CH4, 0.2 %), con niveles de O2 inferiores al límite de detección (0.001 %).

• Exoplaneta Áuriga-2: Su atmósfera contiene 90.0 % de CO2, 6.0 % de O2 libre y 4.0 % de vapor de agua. El análisis complementario revela niveles elevados de monóxido de carbono (CO) y ausencia total de metano.

1. a) Aplica los principios de la química prebiótica y la historia de la atmósfera terrestre para justificar por qué Áuriga-1 constituye un candidato sólido a albergar vida análoga a la del Arqueano terrestre, a pesar de carecer por completo de oxígeno libre.
2. b) Un titular afirma: «Hallado O2 en Áuriga-2: confirmada vida fotosintética extraterrestre». Rebate este titular identificando un proceso fotoquímico abiótico que explique la acumulación de O2 y justifica por qué la presencia simultánea de CO refuerza la hipótesis abiótica.
3. c) Diseña una predicción: ¿qué par de gases en simultáneo desequilibrio termodinámico (que reaccionen rápidamente entre sí si no hay renovación biológica continua) buscarías en la atmósfera de un exoplaneta para considerarlo una biofirma casi inequívoca de metabolismo activo?