Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

1

TEMA 3.- L’ORIGEN DE LA VIDA

HIPÒTESIS Hipòtesi creacionista 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, buscant una explicació comprovable. En la tradició més estesa a occident, lligada a les creences religioses d’origen judeocristià, es concep l’origen de la vida com un acte de creació divina. És el que es coneix amb el nom de creacionisme. Estem acostumats a la dualitat religió-ciència i no ens plantegem si són contràries. Però a molts llocs, encara que semble increïble, encara hi ha qui posa en dubte l’evolució (extensament comprovada), i la critica per la seva postura contrària a dogmes. La qual cosa no vol dir que siga contrària a les religions, sols significa que la Bíblia no és un llibre de ciències, cal interpretar-la. El més preocupant és que en algunes regions (com ara els EUA) el creacionisme està a l’ordre del dia, disfressat de teoria científica i empíricament demostrada (no es pot demostrar que qualsevol cosa està creada per Déu) i intenten convèncer que l’evolució és una hipòtesi no demostrada. De fet, a alguns estats està prohibit parlar d’evolució als centres educatius. És el corrent del disseny intel·ligent, segons el qual tot està dissenyat per un ésser superior. I quan dic tot vull dit TOT. Des de la forma d’una formiga o bacteri fins les reaccions químiques que es donen al seu interior. Una qüestió ha de quedar clara: la ciència busca explicacions, i si les que troba (per molt que hagen costat) no són correctes, en busca de noves. Però sempre les comprova. És el que es coneix com mètode científic. Hipòtesi de la generació espontània Normalment la creació, a l’àmbit cristià, es considera com feta ràpidament, en sis dies. Però, per inconsciència o comoditat, molta gent continua pensant que els éssers vius poden eixir del “no res”. És el que es denomina generació espontània. Uns exemples: a un animal mort, excrement o fem ixen cucs, als dipòsits de gra (blat, arròs...) surten ratolins, etc. Jean Baptiste Van Helmont, al segle XVII, afirmava que si posem blat i roba bruta a una capsa, als 20 dies apareixeran rates. Més gent de la que ens pensem creu que és natural. I altres, més retorçats, pensen que és una nova creació (realment encara hi ha qui pensa que, siga el que siga, és creació divina). Francesco Redi, metge i naturalista del segle XVII, ha passat a la història com un dels primers científics que va refutar experimentalment la falsedat de la generació espontània. Redi va realitzar diversos experiments en relació a l’aparició espontània de vida a partir de material inert, demostrant que la matèria orgànica no “crea cucs” ni res semblant. En 1860 Louis Pasteur va demostrar que la generació espontània no existia, que tot ésser ve d’un altre existent. I que les coses es podreixen o s’omplin de cucs perquè es contaminen. Colp definitiu a la generació espontània i naixement de les tècniques de conservació dels aliments (recordeu que una d’elles és la pasteurització). Hipòtesi de la panspèrmia La panspèrmia és una teoria que defensa que la vida s’ha generat a l’espai i des d’allí ha arribat a la Terra. Anaxàgores, que va viure a Grècia en el segle VI a.C., va ser un dels primers en formular aquesta hipòtesi, tot i que la panspèrmia, com a hipòtesi que intenta explicar l’origen de la vida, pren força partir del segle XIX. El químic suec Svante Arrhenius fou el seu defensor principal, afirmant que la vida prové de l’espai i viatja en forma de diminutes espores gràcies a la radiació dels estels. Aquesta hipòtesi va estar refutada per Paul Becquerel, que va demostrar que les condicions de l’espai (baixes temperatures, radiació u.v.a, buit …) no podrien mantenir amb vida aquestes espores. Hipòtesi quimiosintètica

Un cop establert, a partir dels experiments de Pasteur, que només la vida podia generar vida (biogènesi), quedava encara una gran pregunta per contestar: i el primer ésser viu, com es va formar?

Investigant les condicions en què van aparèixer les primeres formes de vida sobre la Terra, el bioquímic rus A.I. Oparin, el 1924, i el biòleg anglès J. B. S. Haldane, el 1928, van imaginar un mateix escenari químic: una atmosfera primitiva de caràcter reductor. En aquestes condicions, i enmig d’erupcions volcàniques, l’energia dels llampecs i la radiació ionitzant procedent del Sol, podrien haver-se format molècules i macromolècules orgàniques que després haurien evolucionat, passant per una espècie de complexos prebiòtics anomenats coacervats, fins a constituir les primeres cèl·lules vives. El 1953, els bioquímics S.L. Miller i H.C. Urey de la Universitat de Chicago van construir un aparell que tractava de reproduir les condicions d’atmosfera primitiva postulades per Oparin i Haldane: van sotmetre una barreja de vapor d’aigua, metà, amoníac i hidrogen a fortes descàrregues elèctriques. El resultat va ser l’obtenció d’algunes molècules orgàniques, entre elles 13 dels 20 aminoàcids presents a 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). Això no obstant, no aclaria el pas definitiu de les molècules complexes a la primera cèl·lula. Però el que està clar és que tots els éssers vius estem formats per cèl·lules. Avui ho sabem, però algú tenia que demostrar-ho. https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=3XgiCziByY8

LA CÈL·LULA

LA TEORIA CEL·LULAR "A l'època de Redi s'admetia sense discussió que la matèria inert podia engendrar animals d'ordre inferior: cucs, llimacs,..." (Jean Rostand, "Historia de la Biología") Cal entendre que no sempre s’ha tingut la tecnologia actual i, per tant, la interpretació dels fenòmens naturals, la composició dels éssers vius o el seu funcionament, tal i com es coneixen ara, no ha estat fàcil. Les diferents hipòtesis potser eren lògiques o factibles en una època determinada. Penseu que, durant molt de temps, estava prohibit disseccionar cadàvers o emetre pensaments contraris a les creences religioses. Tot i això, l'ésser humà sempre ha sentit curiositat per conèixer l'organització dels éssers vius, tot i que, com hem dit, les dificultats tècniques han estat una barrera molt important. Penseu que esteu a una illa deserta. Qualsevol ferida que us feu buscant menjar es pot infectar i produir una greu malaltia. Seria difícil encendre foc, saber si l’aigua que beveu és potable, si els fruits que us esteu menjant són comestibles, què fer si teniu febre, mal de cap o de queixals, rentar-vos sense sabó, veure si ja no teniu ulleres, etc. I què fer sense hospitals! No som conscients del que tenim. TOT s’ha aconseguit a base d’investigació. Per tant, és important saber “com i qui” ho va fer. El concepte de cèl·lula com a unitat funcional dels éssers vius no es va desenvolupar fins el segle XIX, entre 1830 i 1880. La teoria cel·lular va ser una conseqüència dels avenços tècnics, sobretot al camp de la microscòpia, i va suposar una revolució a la ciència de l'època. Els inicis de la teoria cel·lular s'han de cercar el 1665, fa ja gairebé 350 anys, quan Robert Hooke (un científic molt inquiet i amb una gran curiositat que era físic, meteoròleg, biòleg, enginyer i arquitecte) va

Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

3

descobrir que quan tallava làmines molt primes de suro i les observava a través de microscopis que ell mateix es fabricava, no apareixien homogènies sinó dividides en porus molt i molt petits, invisibles a ull nu. Hooke va publicar les seves observacions a una bella col·lecció de dibuixos titulada Micrographia i encara avui continuem utilitzant el terme que va introduir per a aquests porus, cèl·lules, malgrat que el que ell havia vist era l'espai deixat per cèl·lules mortes. A la mateixa època, Leeuwenhoek, un venedor de vetes i fils i un veritable artesà de la construcció de lents, es dedicava a observar mitjançant aquestes lents tot allò que se li acudia (sang, aigua, esperma,...) i a dibuixar tot allò que hi veia. Sorprenentment, va arribar fins i tot a veure bacteris! Van passar encara força anys, fins a començaments del segle XIX, abans que els avenços tècnics al camp de la microscòpia permeteren progressos més audaços. Es van començar a observar no només cèl·lules sinó també el seu interior, i cap al 1833 Robert Brown va descobrir el nucli cel·lular. El 1837, després de múltiples observacions en talls de teixits vegetals i animals, Matias Schleiden, i Theodor Schwann van proposar la teoria cel·lular, segons la qual els organismes vius estarien constituïts per cèl·lules.

Microscopi de Hooke Microscopi de Leeuvenhoek Microspcopi òptic

modern Microscopi electrònic

Ràpidament la teoria cel·lular es va estendre als éssers unicel·lulars i a l'embriologia i el 1855 Rudolf Virchow afirmà que "tota cèl·lula prové d'una altra cèl·lula". A partir d'aquell moment van quedar establerts els postulats fonamentals de la teoria cel·lular, que poden resumir-se als següents:

Tota cèl·lula prové d'una altra cèl·lula.

Tots els éssers vius estan formats per cèl·lules.

La cèl·lula és la unitat fisiològica de la vida.

Cada cèl·lula té tota la informació hereditària. El teixit nerviós es va considerar encara durant un temps una excepció perquè es creia que no estava format per cèl·lules sinó per xarxes de fibres. Això no obstant, Ramón y Cajal va demostrar a començament del segle XX que les fibres que s'observaven també eren cèl·lules, si bé tenien una morfologia molt particular. Posteriorment, a partir de 1937, any en el qual es va construir el primer microscopi electrònic, va començar el viatge cap a les estructures que formaven les cèl·lules, els orgànuls cel·lulars.

LA NUTRICIÓ. NUTRICIÓ AUTÒTROFA I HETERÒTROFA.

La nutrició consisteix en aconseguir matèria orgànica (nutrients) per a construir el propi cos i energia. No és el mateix aliment i nutrient. Els nutrients són les molècules que ens quedem dels aliments. Hi ha dos tipus de nutrició:

Autòtrofa: són els éssers vius capaços de elaborar-se el seu propi aliment a partir de substàncies inorgàniques. com ara les plantes... No sols aliment. La matèria orgànica que fabriquen també la utilitzen per a construir el seu propi cos.

Heteròtrofa: són les cèl·lules que necessiten incorporar matèria orgànica elaborada per altres organismes, ja que són incapaces de fabricar-la per si soles, com ara els animals o els fongs. Aquesta matèria la utilitzen després per a construir el seu cos o per a obtindré energia.

EL METABOLISME

Un cop dins la cèl·lula, els nutrients experimenten un seguit de processos químics, multitud de cadenes de reaccions on el producte final d’una és l’inici d’altra, que en conjunt reben el nom de metabolisme. Té dues parts: Anabolisme: és la construcció de matèria orgànica, tant a partir de matèria inorgànica i energia (autòtrofs, fotosíntesi) com a partir d’altra matèria orgànica (heteròtrofs). Catabolisme: és la degradació de la matèria orgànica per a extreure l’energia que conté. És la respiració cel·lular.

Anabolisme Catabolisme

ATP. LA MONEDA ENERGÈTICA (informatiu)

Tota aquesta energia que va i ve necessita un mitjà de transport. Aquest és la molècula d’ATP. L’ATP és un derivat de nucleòtid (els que formen l’ADN) que emmagatzema l’energia que sobra d’algunes reaccions químiques als seus enllaços amb el fòsfor (P). Quan a altra reacció fa falta energia, l’ATP es desfà d’un fòsfor i allibera l’energia d’eixe enllaç, podent així carregar-se i descarregar-se com una pila.

Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

5

LA RESPIRACIÓ CEL·LULAR

La respiració cel·lular es fa als mitocondris. La fan tots els éssers vius. La seua finalitat és extreure l’energia de la matèria orgànica, expulsant CO2 Cal no confondre respiració cel·lular amb respiració pulmonar. Hi ha diferents tipus de respiració cel·lular, i no totes utilitzen l’oxigen:

La que no utilitza l’oxigen es diu respiració anaeròbia.

La que utilitza l’oxigen es diu respiració aeròbia, i la fan tant les plantes com els animals.

Quede clar, doncs, que no tots els éssers vius respiren gràcies a l’oxigen. I que dels que ho fan, tant les plantes com els animals respiren tot el dia.

LA FOTOSÍNTESI

Sí, les plantes també respiren, igual que nosaltres, i ho fan durant tot el dia. Però quan hi ha llum, el procés de fotosíntesi expulsa oxigen. La fotosíntesi és el procés pel qual les plantes capten matèria inorgànica del sòl (sense energia) i la converteixen en matèria orgànica (carregada d’energia). D’on ve aquesta energia?: de la llum solar. Per tant, són les primers en fabricar matèria orgànica, l’inici de la cadena tròfica. Sense elles no existirien els demés.

Quede clar també que, així com els autòtrofs més familiars són els vegetals, que obtenen l’energia del sol (fotoautòtrofs), també hi ha que obtenen l’energia a partir de reaccions químiques (quimioatòtrofs). Deixarem a banda l’anabolisme dels heteròtrofs, sols dient que, a partir de molècules orgàniques senzilles (monosacàrids, àcids grassos, aminoàcids, etc.) obtingudes a partir de la digestió, van formant molècules més complexes (glucogen, proteïnes, etc.) que serveixen com a reserva energètica, com a estructura o com elements catalítics (enzims, etc.)

LA CÈL·LULA. TIPUS

Ja hem vist que la cèl·lula és la unitat estructural i funcional dels éssers vius. Tots estan composats per cèl·lules, de molt diverses morfologies.

CÈL·LULA PROCARIOTA I EUCARIOTA

La cèl·lula més antiga és la procariota, sense nucli, de la qual els representants típics són els bacteris. Tenen, com totes, una membrana exterior, un citoplasma amb pocs orgànuls i material genètic, l’ADN, no protegit per una membrana nuclear (d’ací “sense nucli”). Normalment presenten, per fóra de la membrana, una càpsula o paret més resistent. Les cèl·lules més evolucionades són les eucariotes, amb el material hereditari protegit dins d’un nucli. Tenen molts més orgànuls.

Cèl·lula procariota Cèl·lula eucariota

CÈL·LULA ANIMAL I VEGETAL

Dins de les eucariotes trobem dos tipus principals de cèl·lules. Cèl·lules animals:

Tenen la membrana plasmàtica, sense d'altres cobertures.

No tenen cloroplasts i, per tant, no realitzen la fotosíntesi.

Poden tindre centríols, i per tant, orgànuls de moviment, com cilis i flagels.

Tenen pocs vacúols i molt petits. Cèl·lules vegetals:

A més de la membrana plasmàtica, igual a la de les cèl·lules animals, tenen una altra coberta anomenada paret cel·lular. La paret cel·lular és formada en gran part per un glúcid anomenat cel·lulosa. La cel·lulosa serveix de protecció a la cèl·lula i li dóna forma. La planta aconsegueix el suport gràcies a la paret cel·lular de les seves cèl·lules. La cel·lulosa la trobem en la nostra vida quotidiana en coses tant diferents com en el paper (aprofitant la seva rigidesa), en els bolquers i compreses (aprofitant les seves propietats absorbents) i en els cereals de l'esmorzar amb la paraula fibra (afavoreix el trànsit intestinal).

En el citoplasma de les cèl·lules verdes hi trobem uns orgànuls d'aquest color anomenats cloroplasts, molt importants perquè fan un procés anomenat fotosíntesi. Les cèl·lules vegetals que no són verdes no tenen cloroplasts, per exemple les d'una arrel o les de la ceba (segur que les heu vist al microscopi i no heu trobat cloroplasts).

En les cèl·lules vegetals acostuma a haver-hi un gran orgànul anomenat vacúol.

Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

7

Cèl·lula vegetal Cèl·lula animal

UNICÈL·LULARS I PLURICEL·LULARS

Segons la seva estructura, els éssers vius poden ser:

Éssers unicel·lulars. Estan constituïts per una sola cèl·lula. Poden ser procariotes o eucariotes. En són exemples els bacteris (procariotes), els protozous com ara l'ameba i el parameci, algunes algues unicel·lulars, com les diatomees i alguns fongs com ara els llevats i les floridures.

Éssers pluricel·lulars. Estan constituïts per milers o milions de cèl·lules. En són exemples els animals, les plantes i la majoria de fongs. Als dos primers les cèl·lules formen teixits, mentre als fongs i algunes algues es considera que, tot i ser pluricel·lulars, no tenen teixits pròpiament dits.

Existeixen també unes estructures orgàniques que no estan formades per cèl·lules: són els virus. Els virus es caracteritzen perquè no es poden reproduir per ells sols. Per fer-ho, han 'introduir-se en cèl·lules d'éssers vius. Ni es nodreixen. Com no compleixen les tres funcions vitals no són considerats éssers vius.

Virus de l’èbola Diverses formes de bacteris. Parella de paramecis (protozous).

Llevat del pa. Floridura del pa. Algues diatomees.

DIVERSITAT CEL·LULAR

Tant d’unes com de les altres existeixen multitud de formes diferents, que responen a la varietat de funcions. Tinguem en compte que tots venim d’una primera cèl·lula, el zigot, unió se l’òvul i de l’espermatozoide. A partir d’aquesta primera cèl·lula apareixeran, durant l’embriogènesi, tota la varietat que forma els nostres teixits. És a dir, hi ha un espai vital en el qual les cèl·lules no estan encara diferenciades, i altre on ja ho estan, i on no podran ser altra cosa: ja estan especialitzades. Les úniques que encara es poden convertir en qualsevol tipus de cèl·lula són les cèl·lules mare.

Tenim cèl·lules lliures a la sang, com

els glòbuls vermells i els blancs. Encara així formen el teixit sanguini.

Algun d’aquests glòbuls blancs els podem trobar fent funcions defensives a altres teixits, com aquest amb cèl·lules

ciliades.

Aquest és l’epiteli ciliat de l’aparell respiratori, on les seues cèl·lules

tenen especialitzacions en forma de pelets, els cilis.

Altres epitelis, com la pell, no tenen cilis, i són més resistents, amés que la capa més exterior és de cèl·lules

mortes.

I altres són molt delicats i sols tenen una capa, per a permetre el pas de

substàncies, com als capil·lars sanguinis.

O els epitelis glandulars, on les seues cèl·lules s’especialitzen en

segregar substàncies.

Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

9

Una de les cèl·lules més especialitzades és la neurona,

encarregada del transport de l'impuls nerviós.

O les cèl·lules musculars, amb proteïnes contràctils al seu interior que li permeten

contreure’s a l’ordre de les neurones.

Fins i tot els ossos estan vius, i tenen diferents tipus de cèl·lules, com aquest osteoblast que està regenerant l’os a una fractura.

Sense oblidar-nos dels gàmetes, l’òvul i l’espermatozoide, que sols tenen la meitat de la informació

genètica.

Ni dels cons i els bastons, les especialitzades cèl·lules de la nostra

retina, derivades de les neurones.

A l’altra banda tenim els adipòcits, gens especialitzades, que acumulen

greix.

COMPONENTS CEL·LULARS

A les cèl·lules eucariotes trobem tres zones principals:

La membrana

El citoplasma

El nucli

MEMBRANA CEL·LULAR S'anomena membrana cel·lular o plasmàtica a l'estructura externa que envolta la cèl·lula. Forma un conjunt indivisible amb algunes parts internes de la cèl·lula, ja que continua per l'interior formant nombrosos plecs.

Les seves funcions són dues:

Limitar i donar forma a la cèl·lula, tot mantenint el medi intern.

Seleccionar i transportar aquelles substàncies que entren o surten de la cèl·lula i que són necessàries o perjudicials.

Químicament és formada per una doble capa de fosfolípids en la qual s'hi insereixen molècules de colesterol i de proteïnes de diversa naturalesa, normalment transportadores. Aquesta estructura es repeteix en les altres membranes que envolten els orgànuls cel·lulars i en el nucli.

Les cèl·lules vegetals a més a més de la membrana plasmàtica estan envoltades d'una capa molt rígida formada per cel·lulosa i que s'anomena paret cel·lular. La paret cel·lular està formada per cel·lulosa i forma una espècie de sarcòfag del qual la cèl·lula no pot eixir, encara que està connectada amb les veïnes per uns porus. La membrana plasmàtica de les cèl·lules animals és tan prima que durant molt de temps es va creure que no existia.

NUCLI

El nucli és generalment l'orgànul més gran de la cèl·lula i va ser el primer que es va observar al microscopi òptic. Moltes vegades ocupa una posició central, però pot trobar-se desplaçat. La grandària també varia d'una cèl·lula a una altra. El més habitual és que sols hi haja un. Podem distingir dues funcions:

Dirigeix i provoca tota l'activitat bioquímica que s'esdevé en el citoplasma i en els orgànuls cel·lulars.

Conté els factors hereditaris que determinen l'estructura i funcionament de cada cèl·lula i de la globalitat de l'ésser viu, i també marquen el complex procés de divisió cel·lular.

Cal recordar que només tenen nucli les cèl·lules eucariotes. El nucli està envoltat per una membrana nuclear. A l'interior del nucli hi podem trobar un plasma nuclear amb nombroses substàncies dissoltes, el nuclèol (encarregat de crear els ribosomes) i l’ADN, bé dispers en forma de cromatina, o condensat formant els cromosomes.

CITOPLASMA El citoplasma és el medi cel·lular comprès entre la membrana plasmàtica i el nucli. En ell podem observar dues parts:

Hialoplasma: és un líquid viscós format per aigua en un 70-85 % i la resta són proteïnes, lípids, glúcids, àcids nucleics i sals minerals. En ell s'hi realitzen nombroses reaccions químiques.

Orgànuls cel·lulars: són petits òrgans d'estructura i grandària diversos que realitzen funcions ben especialitzades, sobretot en la cèl·lula eucariota. En general totes les cèl·lules contenen totes les classes d'orgànuls cel·lulars, si bé podem trobar petites diferències entre les cèl·lules animals i cèl·lules vegetals. A més, segons la funció cel·lular, els orgànuls estaran més o menys desenvolupats.

ORGÀNULS

Ribosomes. Petits grànuls on

s’acobla l’ADN per a ser traduït a proteïnes.

Reticle endoplàsmàtic rugós. Conjunt

de cisternes aplanades cobertes de ribosomes, on s’emmagatzemen les proteïnes. R.E. Llis: Connectat a l’anterior i sense

ribosomes, sintetitza lípids.

Aparell de Golgi. Conjunt de sàculs

on maduren diverses molècules per a ser empaquetades.

Tema 3 – L’origen de la vida. La cèl·lula.

11

Mitocòndries. Amb doble membrana

i ADN propi. En elles es realitza la respiració cel·lular.

Cloroplasts. Amb doble membrana i

ADN propi. En ells es du a terme la fotosíntesi. Exclusius de les cèl·lules

vegetals.

Lisosomes. Vesícules, normalment

amb enzims, empaquetades per l’aparell de Golgi.

Vacúols. Són magatzems de

substàncies diverses. Grans i nombrosos a les cèl·lules vegetals.

Centrosoma. Parell de centríols,

formats per grups de túbuls de proteïna. Intervé durant la mitosi i és exclusiu de

les cèl·lules animals.

Cilis i flagels. Orgànuls del

moviment de les cèl·lules animals, que es mouen com un fuet. A la

base tenen un centríol.

REPRODUCCIÓ CÈL·LULAR

Al cicle cel·lular, és a dir, el que va des de la divisió que dóna lloc a noves cèl·lules fins el moment en què aquestes es tornen a dividir, la major part del temps la cèl·lula està utilitzant el seu ADN per a produir proteïnes, per la qual cosa està dispers pel nucli, en forma de cromatina. Algunes cèl·lules especialitzades passen així la resta de la seua vida.

Però quan una cèl·lula ha de dividir-se per a donar lloc a cèl·lules filles, primer l’ADN s’ha de duplicar, i desprès ha de compactar-se. És quan es veuen els cromosomes. Hi ha dues formes de divisió: La normal, o mitosi, que dóna com a resultat dues cèl·lules iguals a l’original. Normalment les cèl·lules duen doble joc de cromosomes (del pare i de la mare). És el mètode utilitzat per a multiplicar el número de cèl·lules no sexuals. La reduccional, o meiosi, que produeix quatre cèl·lules amb la meitat de cromosomes que l’original. És la que s’utilitza per a fabricar gàmetes, que han de dur la meitat de la informació genètica.