Explorant l'Univers: Origen, Evolució i Vida

L'Univers i la Terra

Composició de l'Univers

• Matèria normal visible (estels, planetes i gasos calents intergalàctics): 0.4%
• Matèria normal no lluminosa (forats negres i gas intergalàctic): 3.6%
• Matèria fosca: 21%
• Energia fosca: 75%

Com està organitzat l'Univers?

Univers > Supercúmul de Virgo > Grup Local > Via Làctia > Sistema Solar

Distàncies a l'Univers

Any llum: distància que recorre la llum en un any a una velocitat de 300.000 km/s.

Equival aproximadament a 9,46728 × 10¹² km = 9.467.280.000.000 km, és a dir, uns 10 bilions de km.

Exemples:

• Sol - Alfa Centauro (estel més proper) = 4,22 anys llum
• Sol - Estrella Polar = 687 anys llum
• Sol - Terra = 0.0000152 anys

Unitat astronòmica (UA): distància entre la Terra i el Sol

Equival aproximadament a 150 milions de km

Origen de l'Univers

Efecte Doppler: canvi en la freqüència de la llum procedent d'una font en moviment relatiu respecte de l'observador.

“Si les galàxies s'allunyen les unes de les altres, cal pensar que en el passat varen estar més a prop, i que al principi tota la matèria estava concentrada en una zona molt petita.”

Teoria del Big Bang, George Gamow, 1948

Teoria del Big Bang i història de l'Univers

• Etapa d'inflació
• Formació de la matèria
• Els primers àtoms
• L'incendi de l'Univers
• La formació d'estels i galàxies
• L'energia fosca

Elements de l'Univers

• Galàxies
• Cúmuls estel·lars
• Nebuloses
• Estrelles
  • Estrella gegant vermella
  • Estrella nana blanca
  • Supernova
  • Forat negre
• Planetes
• Planetes nans
• Satèl·lits
• Asteroides
• Cometes
• Meteorits

Cometa Halley

• Orbita al voltant del Sol cada 75-76 anys
• És un dels més coneguts i més brillants dels cometes de “període curt” del Cinturó de Kuiper.
• Se'l va veure per darrera vegada l'any 1986 prop de l'òrbita terrestre. Es calcula que la següent visita sigui l'any 2061.

El Sistema Solar

• Es va formar fa uns 4600 milions d'anys
• Inicialment hi havia un núvol de gas i pols que es va contreure per l'atracció gravitatòria i va començar a girar sobre si mateix cada vegada més de pressa.
• La major part de la matèria va quedar al centre d'aquest núvol on es va formar el Sol.
• La matèria que girava a l'exterior va anar xocant i es va reunir en fragments cada vegada més grans que van formar els planetes actuals.

Els planetes del Sistema Solar

La Lluna

La teoria més acceptada diu que la Lluna es va formar com a conseqüència de l'impacte d'un planetoide, de massa similar a la de Mart, amb la Terra primitiva. La col·lisió hauria fet desprendre a l'espai una enorme quantitat de matèria que s'hauria juntat per atracció gravitatòria per formar un nou astre.

La Terra

Poc després de la seva formació…

• Atmosfera amb pocs gasos
• Arribada contínua de meteorits
• Activitat volcànica molt intensa
• Temperatura externa de centenars de graus centígrads

Disposició dels materials per ordre de densitat decreixent (els més densos al centre i els més lleugers a la superfície)

Refredament de la superfície

Condensació de l'aigua i formació dels oceans

Des de la seva formació, fa uns 4600 milions d'anys, la Terra ha anat evolucionant, tant a l'interior com a la superfície. La seva dinàmica interna, atmosfera i hidrosfera, així com l'existència de vida, fan que el nostre planeta sigui un lloc únic al Sistema Solar.

Les capes de la Terra

• Escorça:
  • Continental: fins els 33 km.
  • Oceànica: 5-10 km
• Mantell
  • 2900 km de profunditat
  • 1000-3700ºC
• Capa D
  • límit mantell-nucli
  • Material fos que puja en forma de plomalls
• Nucli
  • Des dels 2900 als 6373 km
  • Pressió i temperatura molt elevades
  • Fe, Ni, O, S i Si
• Nucli extern
  • líquid
  • generació magnetisme terrestre
• Nucli intern
  • sòlid

Teoria de la deriva continental

Alfred Wegener, principis S XX, L'origen dels continents i els oceans

Proves:

• Geogràfiques: coincidència dels perfils d'Àfrica i Amèrica del Sud
• Paleontològiques: distribució geogràfica d'alguns fòssils (per exemple Amèrica del Sud, Àfrica, Índia i Austràlia)
• Geològiques i tectòniques: coincidència de tipus de roques i cronologia, continuïtat física de les principals cadenes muntanyoses
• Paleoclimàtiques: zones que actualment tenen un clima tropical i subtropical van estar més al sud en el passat, i tenien un clima molt més fred

Els continents es mouen amb el temps

Teoria de la Tectònica de plaques

La superfície de la Terra està dividida en plaques que es mouen lateralment com a conseqüència de l'activitat del seu interior. Aquest moviment continu entre plaques és responsable de la disposició geogràfica de continents, oceans i arxipèlags.

La dinàmica de plaques és una conseqüència de la pèrdua de calor terrestre:

• Grans masses de magma calent pugen des del mantell profund
• Corrents de convecció que arrosseguen les plaques

La gravetat fa que les plaques quedin a diferents altures

El moviment de la litosfera és el responsable de la formació del relleu terrestre:

• expansió d'oceans
• desplaçament de continents
• formació de muntanyes
• vulcanisme
• deformació de roques…

Límits divergents: les plaques es separen. Es formen dorsals oceàniques.

Límits convergents: les plaques s'aproximen.

• 2 plaques oceàniques => arc d'illes
• Placa oceànica – placa continental => serralada tipus andí
• 2 plaques continentals => serralada tipus Himàlaia

Límits o falles transformants: les plaques llisquen lateralment

Tsunamis

Un tsunami (津波 en japonès ona de port, kunrei-shiki: Tunami), és una sèrie d'ones massives que poden tenir lloc després d'un terratrèmol, activitat volcànica, esllavissaments submarins, impactes de meteorits en el mar, o fins i tot grans trossos d'illa esllavissant-se al mar. Per al cas més freqüent, els moviments tectònics, els tsunamis són importants a partir de maremots de magnitud de més de 6.4 a l'escala de Richter, i són vertaderament devastadors a partir de 7.

La predicció de sismes submarins continua sent poc precisa. Encara que es pot calcular l'epicentre d'un gran terratrèmol subaquàtic i el temps que pot trigar a arribar un sisme submarí, és gairebé impossible saber si hi ha hagut grans moviments del sòl marí, que són els que produeixen sismes submarins. Com a resultat de tot això, és molt comú que es produeixin alarmes falses. A més, cap d'aquests sistemes serveix de protecció contra un sisme submarí imprevist.

L'origen de la vida i els primers organismes

Els “peixets de plata” són uns petits insectes comuns a les nostres llars. Sovint es troben a llocs que no netegem diàriament, com sota la nevera, entre els llibres i a petites escletxes del terra. Com explicaries que no s'originen espontàniament de la brutícia?

Creus que és possible que la vida a la Terra provingui de l'espai? Per què?

Has sentit a parlar dels organismes transgènics? Com els definiries? Saps quina utilitat poden tenir?

Què és la vida?

“La vida es manté i es regenera a si mateixa a partir de canvis químics que processen matèria i energia. És portadora d'un programa capaç de crear un ordre intern enmig del desordre del món inanimat. I no solament perpetua aquest programa, transmetent-lo a la descendència, sinó que és capaç d'adaptar-se a un món canviant a partir de les variacions que experimenta espontàniament”

Propietats de la vida

• Autopoiesi: capacitat d'autorenovació
• Metabolisme: incorporació de matèria i energia de l'entorn per l'automanteniment segons les instruccions d'un programa genètic. Els éssers vius també obtenen i processen informació de l'entorn i elaboren respostes.
• Reproducció: capacitat de crear nous organismes i conservar el programa bàsic de la vida. Importància de les mutacions.
• Evolució: canvis en el material genètic i la reorganització d'aquest gràcies a la reproducció sexual permeten múltiples innovacions que han de passar el filtre de la selecció natural.

Origen de la vida

La vida va aparèixer a la Terra fa més de 3500 milions d'anys. Els científics creuen que els primers éssers vius eren d'organització simple, i la resta d'organismes que han existit i existeixen en procedeixen per evolució. El problema fonamental consisteix a saber com es varen originar els primers organismes!!!

Hipòtesis:

• Creacionisme
• Panspèrmia
• La teoria de la generació espontània
• Hipòtesi d'Oparin i Haldane (evolució química)

Creacionisme

Hipòtesi de la panspèrmia

Afirma que la vida va ser sembrada a la Terra, i potser en altres planetes, per éssers intel·ligents que procedien d'altres sistemes solars amb un grau d'evolució avançat.

Arguments:

• Presència de composts orgànics en alguns meteorits caiguts a la Terra (+)
• Moltes substàncies orgàniques es poden formar a partir de simples reaccions químiques (-)
• Cap ésser viu no podria travessar l'espai i resistir les condicions de temperatura, intensitat de les radiacions, etc. (-)

L'enigma de la generació espontània

D'acord amb la comprensió científica de l'Edat Mitjana, es suposava que els organismes vius podien sorgir de la matèria inanimada. Per exemple, es pensava que els cucs que es desenvolupen a la carn a l'aire lliure creixien espontàniament...

Francesco Redi (1626 - 1697), metge, naturalista, fisiòleg i literat italià

Louis Pasteur (1822 - 1895), químic francès.

Hipòtesi d'Oparin i Haldane

Aleksandr Oparin (1924) => evolució química gradual des dels gasos que suposadament eren presents a l'atmosfera de la Terra fins a les primeres cèl·lules que s'haurien format als oceans.

John Haldane (1929) => parteix d'una atmosfera semblant a la d'Oparin i introdueix la noció de sopa primitiva: aigües oceàniques de zones intermareals, enriquides en matèria orgànica, on s'haurien format les primeres estructures, encara no cel·lulars, amb capacitat d'autoreplicar-se.

Experiment d'Urey i Miller (1953)

Varen sotmetre una mescla de gasos (H, metà, amoníac i vapor d'aigua) a l'acció de descàrregues elèctriques en un recipient tancat a 80ºC. Passades unes setmanes, en el condensat obtingut per refredament hi van trobar aminoàcids, a partir dels quals es formen les proteïnes.

Quedava demostrada la possibilitat de síntesi de molècules orgàniques precursores dels éssers vius a partir de molècules inorgàniques.

De la síntesi prebiòtica als primers organismes

• Síntesi de molècules complexes diferents i formació d'agregats (polímers o macromolècules)
• Selecció i predomini de les formes més estables

Coacervats

• Definició?
• Velocitat de reaccions químiques major a l'interior que al medi => inici del metabolisme cel·lular
• Quan la seva grandària esdevé excessiva, tendeixen a trencar-se espontàniament i produeixen gotícules filles

Creixement i augment de la complexitat dels coacervats fins a esdevenir cèl·lules d'organització molt primitiva (procariotes) capaces de desenvolupar les funcions vitals

Breu història de la vida a la Terra

• Cèl·lules procariotes, aquàtiques, heteròtrofes, amb metabolisme anaerobi
• Procariotes fotosintetitzadors (avantpassats dels cianobacteris) responsables de l'aparició d'O₂ a l'atmosfera terrestre
• Organismes aeròbics
• Aparició de cèl·lules eucariotes per fusió accidental de cèl·lules procariotes (endosimbiosi)

Teoria endosimbiòtica

Fa 1500 M.A.

Fusió accidental de Thermoplasma + espiroqueta => simbiosi permanent = ENDOSIMBIOSI

Nou model d'organització cel·lular caracteritzat per la presència d'un nucli => EUCARIOTA

Incorporació d'un 3r bacteri => MITOCONDRIS (capacitat d'aprofitar l'oxigen)

Associació amb un bacteri fotosintètic => CLOROPLASTS

Fixisme i evolucionisme

Fixisme

Teoria segons la qual tot allò que existeix, incloent-hi els éssers vius, no ha variat amb el pas del temps i s'observa, el dia d'avui, en la mateixa forma que ha presentat en el passat i que continuarà mostrant en el futur.

Íntimament lligat al creacionisme, teoria paral·lela segons la qual l'univers va ésser creat per Déu.

NO té fonament científic. Actualment són moltes les evidències de l'evolució que desmunten qualsevol teorització de caire fixista.

Evolucionisme

Les observacions acumulades durant més d'un segle són concloents: cada espècie, fòssil o vivent, s'ha originat a partir d'una altra que l'ha precedit en el temps. Aquest procés s'ha produït durant milions d'anys i es continua donant avui.

L'herència dels caràcters adquirits: el lamarckisme

Les transformacions que un individu aconsegueix durant la seva vida es poden transmetre a la descendència.

Fonaments:

• Necessitat d'adaptació
• Llei de l'ús i desús
• Llei de l'herència dels caràcters adquirits

És una teoria errònia però va ser molt important en el desenvolupament de les idees evolucionistes perquè es va oposar a les idees fixistes d'invariabilitat de les espècies.

La selecció natural: el darwinisme

Charles Darwin (1809-1892), naturalista anglès

Observacions durant el seu viatge de 5 anys a bord del Beagle, sobretot a les Illes Galápagos, El origen de las especies

Principis bàsics:

• Els individus d'una població no són iguals sinó que mostren variacions
• Algunes d'aquestes variacions es transmeten als descendents
• Lluita per l'existència: només sobreviuen els individus capaços de superar les condicions imposades pel medi
• Adaptacions: variacions favorables que permeten sobreviure i reproduir-se a determinats organismes
• Selecció natural i aparició de noves espècies diferents de les que les han originat

Les evidències de l'evolució

La paleontologia: els fòssils

• Organismes o restes petrificades
• Organismes conservats en gel, resines o asfalts
• Restes de l'activitat d'organismes: empremtes, petjades, traces, perforacions, excrements, ous, etc.

L'anatomia i l'embriologia

• Òrgans homòlegs: òrgans amb funcions diferents però amb una estructura anatòmica que denota un origen comú (p.ex. potes i ales de vertebrats)
• La semblança dels embrions d'animals i vegetals permet suposar l'existència d'avantpassats comuns.

La biologia molecular

• Uniformitat del codi genètic
• Grau de parentiu evolutiu entre espècies properes