Más información en: https://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/3504-astrobiologia-la-vida-como-un-elemento-de-la-evolucion-del-universo Ponente: Miguel Mas Hesse, Director del Centro de Astrobiología, organismo del CSIC asociado a NASA Tema: Estudio de la evolución del Universo, desde sus orígenes hasta la aparición de la vida sobre la Tierra.. Fecha: 5 de noviembre 2019 Descripción: Esta conferencia, cuyo ponente es D. Miguel Mas Hesse, Director del Centro de Astrobiología, organismo del CSIC asociado a NASA, tratará sobre las investigaciones en curso para hallar pruebas de la existencia de vida en planetas pertenecientes a sistemas estelares diferentes del sistema solar. La aparición de la vida en el Sistema Solar hace unos 3500 millones de años sólo fue posible gracias a los procesos físico-químicos que habían tenido lugar a lo largo de los más de 10.000 millones de años anteriores de evolución del Universo. Hicieron falta esos miles de millones de años para que el hidrógeno y el helio primordiales se fusionaran en el interior de las estrellas, dando lugar a los diferentes elementos químicos. Los fenómenos explosivos en las últimas fases de la vida de las estrellas los dispersaron por el espacio, agrupándose en el medio interestelar y formando moléculas complejas. A partir de estas moléculas acabarían surgiendo los primeros seres vivos en la Tierra. Vemos así como la aparición de la vida debe entenderse como un proceeso más en la evolución del Universo, y para entenderlo mejor buscamos otros entornos similares, dentro y fuera del Sistema Solar, donde la vida pudiera haber surgido también en el pasado. A lo largo de la conferencia se presentarán las distintas etapas en la formación y evolución del Universo, para entender cómo todo convergió en la aparición de seres vivos, al menos en la Tierra.

1. Astrobiología: de la formación del Universo
al origen de la Vida
Jose Miguel Mas Hesse
Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)

2. • Hace 3.600 millones de años la Tierra era un planeta
muy distinto del actual.
• En sus océanos, ricos en nutrientes procedentes del
Espacio, la química había evolucionado durante
cientos de millones de años, generando moléculas
muy complejas: ARN, proteínas, aminoácidos…
2

3. • Hace 3.600 millones de años la Tierra era un planeta
muy distinto del actual.
• En sus océanos, ricos en nutrientes procedentes del
Espacio, la química había evolucionado durante
cientos de millones de años, generando moléculas
muy complejas: ARN, proteínas, aminoácidos…
• En algún lugar, una compleja molécula de ADN se replicó en el interior de una burbuja
llena de nutrientes.
• El proceso fue explosivo y exponencial: sucesivas réplicas colonizaron los océanos.
• 3.600 millones de años después, restos de aquel ADN original componen nuestro
genoma, y nuestra mente trata de comprender qué sucedió en aquel remoto océano...
3

4. Ésta es la historia de cómo se llegó a este hito en la historia del Universo,
de lo que sucedió después, y de lo que puede haber sucedido en otros
lugares remotos
Empecemos por el principio…..
4

5. 5

6. 6
Gracias a la Tecnología hemos ido comprendiendo la naturaleza del
Universo en que vivimos. El progreso ha sido lento, pero continuo.

7. 7
Stonehenge ~3100 - 2500 AC

8. 8
Telescopio de 10 m GTC (La Palma, 2010)
Radiotelescopio ALMA (Chile, 2013)

9. Origen y evolución del Universo
9

10. La edad del Universo
• Desde 1929 sabemos que el Universo está en expansión
– E. Hubble descubrió que todas las galaxias se alejan las unas de las otras
 el Universo se está expandiendo!
• Midiendo a qué velocidad se expande el Universo, podríamos saber cuánto tiempo
lleva haciéndolo
– Podemos calcular cuándo comenzó la expansión, y determinar así la edad del Universo.
10
El Universo se formó hace unos 13.800 millones de años.

11. Evolución del Universo
11
tiempo 13.800
Millones
de años
0 Millones de años
Tiempo desde el Big Bang
Cuanto más lejos miramos, vemos más atrás en el tiempo.

12. Evolución del Universo
• Hace 13.800 millones de años se produjo una gran explosión, el Big-
Bang, a partir “de la nada”.
– Nuestra Física deja de ser válida y no puede describir las condiciones
del Universo cuando llegamos a la escala de Planck (10-44 s, 10-35 m).
– Conceptos como “dónde” o “antes” dejan de tener su sentido habitual.
12
Tiempo desde el Big Bang

13. Evolución del Universo
• A los 10-37 segundos experimentó una expansión súbita:
– 10-13 cm  2 cm La Inflación
• t < 380.000 años: el Universo consistía en una sopa cósmica de
plasma muy caliente. Los fotones interactuaban constantemente
con los electrones y bariones
– El medio era opaco y la radiación no podía escapar.
14
Tiempo desde el Big Bang

14. Evolución del Universo
15

15. Evolución del Universo
• Tras la primera expansión, el plasma se enfrió lo suficiente como
para que los electrones se asociaran de manera estable a los
protones.
16
Tiempo desde el Big Bang

16. Evolución del Universo
– La materia se condensó en forma de átomos estables
(74% Hidrógeno, 26% Helio, algo de Litio y otros elementos).
– Los fotones quedaron libres, dispersándose por el joven
Universo sin apenas interacción.
17
Universo opaco t ~ 380.0000 años transparente

17. Evolución del Universo
18
• t < 200 millones de años: la Edad Oscura
– Durante varios cientos de millones de años la materia apenas emitía radiación, era
un Universo oscuro y frío.
Tiempo desde el Big Bang

18. Evolución del Universo
19
• t  300 - 600 millones de años: agrupamiento del gas en forma de grandes nubes.
– Las nubes se fragmentan repetidamente, y se condensan en torno a las regiones con
mayor densidad inicial. La fragmentación acaba en nubes relativamente pequeñas, con
la masa de una estrella individual.
– Al superar cierta densidad, la temperatura es muy elevada y comienzan las reacciones
nucleares: nacen las primeras estrellas.
Tiempo desde el Big Bang

19. Nucleosíntesis
20
• Al alcanzar temperaturas y densidades elevadas los núcleos atómicos se
fusionan formando núcleos más complejos (HHeCO…Fe) y
liberando energía.
• La fusión nuclear es la fuente de energía de las estrellas, gracias a la cual
emiten luz.

20. Evolución del Universo
21
• t >600 millones de años: las estrellas masivas explotan al final de su vida como
supernovas y comienzan a contaminar el medio interestelar.
– Con los restos de las primeras estrellas se forman nuevas estrellas de composición
química más compleja.
Tiempo desde el Big Bang

21. Nucleosíntesis
22
• El núcleo de la estrella se estratifica como una
cebolla.
• Pero la fusión de núcleos más pesados que el
hierro no libera, sino que absorbe energía:
– El núcleo de las estrellas masivas colapsa y
explota como una supernova.
• En la explosión se forman los elementos del
Sistema Periódico más pesados que el hierro.
– Las estrellas menos masivas aumentan su
tamaño, expulsan sus capas externas y se van
enfriando poco a poco.

22. 23
Varios miles de millones de años
Pocos millones de años

23. Nebulosa del Cangrejo
Restos de la supernova del
año 1054
En este tipo de eventos se
formaron casi todos los
elementos químicos, y se
dispersaron al medio interestelar
en forma de gas y polvo.
Explosiones de supernovas
24

24. 25

25. Evolución del Universo
26
• t ~1.000  9.000 millones de años: las galaxias evolucionan, forman estrellas
y algunas se llenan de polvo rico en metales y todo tipo de elementos
– Alrededor de estas estrellas se forman discos ricos en polvo y moléculas:
surgen sistemas planetarios por doquier
Tiempo desde el Big Bang

26. Galaxias
27

27. Materia ordinaria
28

28. 29

29. 30

30. 31

31. 32
El medio interestelar y el origen de la vida

32. Medio interestelar
• Los elementos liberados al medio interestelar se fueron agrupando en forma de
moléculas cada vez más complejas.
33

33. Medio interestelar
34
Investigadores del CAB han detectado
glicolonitrilo (HOCH2CN) en torno a una estrella
joven, un precursor de la adenina, y PO, un
componente básico del ADN, en regiones de
formación estelar

34. Medio interestelar
35

35. Medio interestelar
• Hasta la fecha se han identificado más de 200 moléculas complejas en el medio
interestelar.
36

36. Formación de sistemas planetarios
• A partir de los primeros 1.000 millones de años las nuevas estrellas se formaron en
el seno de grandes nubes ricas en metales y moléculas de todo tipo.
• A su alrededor se condensaron sistemas planetarios de muy diversos tipos.
• Los elementos pesados de la nube “contaminada” formaron un disco que acabó
fragmentándose en planetas de diversos tamaños.
37

37. Formación de sistemas planetarios
38
HL Tauri ALMA/ESO
Ilustración

38. 39
Planetas en torno a la estrella HR 8799
Planeta en torno a la estrella  Pic

39. Evolución del Universo
40
• t ~ 9.000 millones de años (hace 4.500 millones de años): en un rincón de la
Galaxia se formó el Sistema Solar a partir del colapso de una nube molecular.
Tiempo desde el Big Bang

40. Sistema Solar
41

41. Sistema Solar
• En los primeros millones de años una colisión entre dos protoplanetas formó el
sistema Tierra Luna
– La Luna original estaba
mucho más cerca de la
Tierra.
– Se aleja de nosotros
~4 cm al año!
42

42. Sistema Solar
• En los primeros tiempos del Sistema Solar la Tierra primitiva fue bombardeada
por gran cantidad de asteroides y cometas
43

43. Sistema Solar
• Éstos aportaron de agua y todo tipo de moléculas complejas formadas en el
medio interestelar, incluídos aminoácidos y moléculas precursoras del
ARN/ADN.
44
Cometa 67P

44. 45

45. 47
Formación y evolución de la vida

46. La sopa primordial
• Estos elementos se combinaron espontáneamente formando aminoácidos y
cadenas cada vez más complicadas, incluyendo bases nitrogenadas
– La energía de los impactos pudo actuar como catalizador
– Las condiciones se han reproducido en los laboratorios con cierto éxito
48Experimento de Miller

47. La sopa primordial
• Tras varios cientos de millones de años los océanos albergan toda una
química prebiótica cada vez más compleja, que culmina
con la aparición del ARN, y la formación de burbujas.
49
La sopa primordial
Ácido Ribonucleico (ARN):
• Formado por bases
nitrogenadas de adenina,
citosina, guanina y
uracilo
• Moléculas autorreplicantes

48. La sopa primordial
• Hace unos 3.600 millones de años se forman moléculas complejas de ADN.
Dentro de burbujas de polímero, procedieron a replicarse con la ayuda de
otras enzimas complejas, creando copias idénticas.
51
Surge el ADN y posibilita la vida basada en la síntesis de proteínas

49. Ácido Desoxirribonucleico: ADN
52
• Molécula compleja formada por un azúcar (la desoxirribosa),
una base nitrogenada (que puede ser adenina, timina,
citosina o guanina) y un grupo fosfato (derivado del ácido
fosfórico).
• Interacciona con el ARN, más
sencillo, para codificar y
producir proteínas.
• Contiene las instrucciones
genéticas usadas en el
desarrollo y funcionamiento
de todos los organismos vivos.

50. Replicación del ADN
53
• El ADN se replica por medio de otras enzimas que ordenan las bases existentes en
el medio.
• Estas enzimas reparan
posibles errores
– Tasa de error en la
replicación de 1-5
cada 1.000 millones
de nucleótidos
copiados.
• Los errores restantes
generan mutaciones
– Viables
• Progresivas
• Regresivas
– No viables

51. Funcionamiento del ADN
• La función principal del ADN es el almacenamiento de información para construir
otros componentes, como las proteínas.
• Las distintas proteínas sintetizadas por el ADN determinan las características de
cada célula individual.
54

52. Ácido Desoxirribonucleico: ADN
• Cada vez conocemos mejor cómo funcionan los mecanismos de control del
ADN a partir de enzimas, y somos capaces de controlarlos.
55

53. Ácido Desoxirribonucleico: ADN
• De entre todas las protocélulas que se formaron, una fue más eficiente y
comenzó a replicarse colonizando el medio en poco tiempo:
el proceso ha continuado hasta nuestros días!
56
Aparece LUCA: el ancestro común universal a toda la vida en la Tierra

54. 57
LUCA: Last Universal Common Ancestor
• El análisis regresivo del genoma de bacterias, arqueas y eucariotas muestra
fragmentos comunes de ADN que apuntan a un origen común en un primer
microorganismo que vivió hace 3.600 millones de años y del que descienden todos
los demás.
– Todos los seres vivos en la Tierra
comparten el mismo código genético
• Probablemente aparecieron más
seres vivos basados en ADN, pero
sólo una línea se expandió.
– Sí sobrevivieron en paralelo otros
microorganismos basados en ARN,
como los virus.

55. 58
LUCA: Last Universal Common Ancestor
• El análisis regresivo del genoma de bacterias, arqueas y eucariotas muestra
fragmentos comunes de ADN que apuntan a un origen común en un primer
microorganismo que vivió hace 3.600 millones de años y del que descienden todos
los demás.
– Todos los seres vivos en la Tierra
comparten el mismo código genético
• Probablemente aparecieron más
seres vivos basados en ADN, pero
sólo una línea se expandió.
– Sí sobrevivieron en paralelo otros
microorganismos basados en ARN,
como los virus.
• Este modelo explicaría la
quiralidad de las moléculas
biológicas.

56. Quiralidad
• Algunas moléculas pueden presentarse
en versiones especulares.
– Ambos tipos son igualmente frecuentes
en la Tierra
• Los aminoácidos de los seres vivos
son siempre L (left-izquierda).
• Los azúcares del ARN y del ADN son
siempre de tipo R (right-derecha).
 No se conoce ningún mecanismo que
favorezca uno u otro tipo.
 Consistente con un origen único a partir de un primer ADN.
59

57. Fotosíntesis
61
• t ~11.300 millones de años (hace ~2.500 millones de años):
Las cianobacterias comienzan a sintetizar glúcidos a partir del CO2 y del H2O
mediante la energía de la luz solar.
– En el proceso se liberan grandes cantidades de Oxígeno a la atmósfera
– Las cianobacterias se extienden rápidamente
– El cambio es radical!
Tiempo desde el Big Bang

58. Fotosíntesis
62

59. Fotosíntesis
63
La célula almacena la energía del solar, en forma de energía química, en la
molécula de ATP, formando hidratos de carbono. La energía química así
almacenada es utilizada por la planta en los procesos que la requieran.
Adenosina tri fosfato Glucosa

60. Fotosíntesis
64

61. Fotosíntesis
65
• La atmósfera comienza almacenar Oxígeno.
– Extinción masiva de muchos microrganismos para los que el Oxígeno era letal.

62. Fotosíntesis
66
• Los microoganismos que no realizan la fotosíntesis descubren una excelente fuente
de energía:
– Los glúcidos producidos por las células fotosintéticas
• Comienza la lucha por la superviviencia!

63. Fotosíntesis
67
• Los microoganismos que no realizan la fotosíntesis descubren una excelente fuente
de energía:
– Los glúcidos producidos por las células fotosintéticas
• Comienza la lucha por la superviviencia!

64. Organismos complejos
68
• T ~13.300 millones de años (hace ~500 millones de años):
Aparecen seres multicelulares, cada vez más complejos
– A partir de aquí la evolución se acelera de manera exponencial
– En pocos millones de años surge todo un ecosistema de organismos complejos
controlados por la evolución Darwiniana.
Tiempo desde el Big Bang

65. Organismos complejos
69
Tetrabaena socialis: microorganismo de 4 células

66. Organismos complejos
• El desarrollo de seres pluricelulares complejos lleva aparejada la diferenciación y
especialización celular.
70

67. Consciencia e inteligencia
• Tras 500 millones de años de evolución Darwiniana, una de las ramas del árbol de
la vida desarrolla seres vivos con una red neuronal extraordinariamente compleja
71

68. Consciencia e inteligencia
• Tras 500 millones de años de evolución Darwiniana, una de las ramas del árbol de
la vida desarrolla seres vivos con una red neuronal extraordinariamente compleja
72

69. Consciencia e inteligencia
• La complejidad neuronal lleva aparejada la aparición de la inteligencia, la
consciencia y el pensamiento abstracto en el ser humano:
– Número de neuronas en el cerebro humano: 80.000 millones (8x1010)
– Número de sinapsis entre neuronas: unos 500 billones (5x1012)
• La consciencia y el pensamiento abstracto parecen haberse desarrollado en los
últimos 50.000 años
73
“Somos polvo de estrellas…..reflexionando sobre las estrellas!”
Carl Sagan

70. Numerología: Complejidad
• Edad del Universo: 13.800 millones de años (1.4x1010)
• Número de estrellas en nuestra galaxia: unos 100.000 millones (~1011)
• Tiempo hasta la primera célula con ADN en la Tierra: 10.000 millones de años (1x1010)
• Número de pares en el ADN de una célula sencilla: 500.000 (5x105)
• Tiempo hasta el primer organismo pluricelular complejo: +3.000 millones de años (3x109)
• Tiempo para el desarrollo de la consciencia/inteligencia: 500 millones de años (5x108)
• Número de pares en el ADN humano: 3.200 millones (3.2x109)
– Número de combinaciones de pares posibles en el ser humano: trillones (1018)
• Número de células en el ser humano: 40 billones (4x1012)
– Número de microorganismos independientes, no humanos, en un cuerpo humano:
100 billones (1-2 kg!)
• Número de neuronas en el cerebro humano: 80.000 millones (8x1010)
– Número de sinapsis entre neuronas: unos 500 billones (5x1012)
75

71. Presente
76
• T ~13.800 millones de años – hoy!
 Estamos solos?
Tiempo desde el Big Bang
“Existen dos posibilidades: que estemos solos en el Universo o que no lo estemos.”
Arthur C. Clarke

72. Presente
77
• T ~13.800 millones de años – hoy!
 Estamos solos?
Tiempo desde el Big Bang
“Existen dos posibilidades: que estemos solos en el Universo o que no lo estemos.
Ambas son igual de aterradoras.” Arthur C. Clarke

73. Estamos solos?
• Las leyes de la Física y de la Química son
las mismas en todo el Universo.
• La evolución estelar ha dado lugar a los
mismos compuestos químicos en cualquier
lugar del Universo.
• Las nubes moleculares de las que se han
formado nuevas estrellas y sistemas
planetarios son similares en todas partes.
• Las condiciones físicas que hubo en la Tierra
también son habituales.
 Parece difícil de asumir que no se hayan
formado seres vivos en infinidad de planetas.
78

74. Estamos solos?
79
• Si existe vida fuera de la Tierra, será similar?
– Basada en ARN + ADN?
– Con codificación genética a base
de otras moléculas?
– Con otras bases nitrogenadas?
ADN sintético a partir de 8 bases,
con 4 nuevas bases que también
se emparejan 2 a 2.

75. Estamos solos?
80
• Si existe vida fuera de la Tierra, será similar?
– Basada en ARN + ADN?
– Con codificación genética a base
de otras moléculas?
– Con otras bases nitrogenadas?
– Con un ADN en triple hélice?

76. Estamos solos?
81
• Si existe vida fuera de la Tierra, será similar?
– Basada en ARN + ADN?
– Con codificación genética a base
de otras moléculas?
– Con otras bases nitrogenadas?
– Con un ADN en triple hélice?
– Similar, pero con otra quiralidad?

77. Estamos solos?
82
• Es imprescindible tratar de encontrar vida fuera de la Tierra:
– Si es similar a la terrestre, podremos asumir que la vida que conocemos es un fenómeno
universal que surge allá donde se den las condiciones adecuadas.
– Si es muy diferente, la vida también sería universal, pero podría adoptar una multitud de
formas.
Entender cómo se pudo haber formado la vida en otros planetas nos ayudará a comprender
mejor cómo funciona la vida en la Tierra.
• El mejor lugar para comenzar es Marte, planeta que comparte muchas propiedades
con la Tierra.

78. Estamos solos?
• Durante los primeros mil millones de años de evolución del Sistema Solar Marte
y la Tierra tuvieron condiciones muy similares:
– Profundos océanos, temperaturas suaves, campo magnético,…
– Recibieron los mismos ingredientes moleculares del bomdardeo por cometas y
asteroides, …
83

79. Estamos solos?
• Antes de que se secaran los océanos una vida primitiva pudo haberse extendido
por todo el planeta.
• Posteriormente, la radiación cósmica esterilizó la superficie.
84

80. Estamos solos?
• Antes de que se secaran los océanos una vida primitiva pudo haberse extendido
por todo el planeta.
• Posteriormente, la radiación cósmica esterilizó la superficie.
• Pero la vida pudo haberse desarrollado en el subsuelo, en cuevas, bajo el hielo,
en los “lagos” de agua líquida que aún existen……
85Río Tinto Huelva: vida activa a 600 m de profundidad

81. 86
Agujero en la nieve de Mons Pavonis
35m diámetro, 20 m profunidad

82. 87

83. Buscando vida en otros planetas
88
TWINS: estudios del ambiente marciano

84. Buscando vida en otros planetas
• Si encontramos vida en Marte, podría ser:
– Diferente a la de la Tierra (distinto sistema genético)
– Similar a la de la Tierra
En este caso no podríamos asegurar que su origen fuera independiente!
89
• Tenemos que ir más lejos  Lunas heladas de Júpiter y Saturno

85. Buscando vida en otros planetas
90
Europa: océanos templados bajo la costra de hielo

86. Buscando vida en otros planetas
91
Encelado: chorros activos de agua océanica

87. Buscando vida en otros planetas
92
Europa:
Restos de material
de los océanos interiores

88. Más allá del Sistema Solar
• El gran reto será identificar procesos biológicos en otros sistemas planetarios.
93

89. Más allá del Sistema Solar
94

90. 95

91. Más allá del Sistema Solar
• Si la vida es similar a la terrestre y con un metabolismo parecido, podremos
identificarla midiendo la composición de su atmósfera.
• Pero si es muy diferente será
ciertamente difícil.
96

92. ¿Cómo podría ser la vida en
estos otros mundos?
97
Tardígrado

93. Tardígrados
• Poseen características únicas en el reino animal tales como
– poder sobrevivir en el vacío del espacio,
– a presiones muy altas - 6000 atm (la presión atmosférica en la superficie de la Tierra es
de 1 atm, por lo que pueden resistir presiones atmosféricas 6000 veces superiores),
– a temperaturas de -200 °C y hasta los 150°,
– a la deshidratación prolongada (hasta 10 años pueden pasar sin obtener agua)
– a la radiación ionizante.
• Están formados por unas mil células.
• Miden 0,05 – 0,5 mm
• Están por todas partes……
98

94. 99
El futuro

95. El futuro
• En la Tierra el futuro para la vida pinta gris tirando a oscuro…….
– A medida que consuma su hidrógeno, el Sol se convertirá en una enana roja, se
hinchará, y engullirá la Tierra.
– Mucho antes, en unos 2.000 millones de años, la temperatura en la Tierra será
demasiado elevada para la vida.
100

96. El futuro
• En la Tierra el futuro para la vida pinta gris tirando a oscuro…….
101Miles de millones de años

97. 102
En unos 4.000 millones de años colisionarán y
se fusionarán nuestra Galaxia y la galaxia de
Andrómeda.

98. 105
Todavía nos queda mucho por aprender

99. • Sólo el 4,9% del Universo está constituido por bariones, en su mayor parte
protones y neutrones (materia ordinaria).
• El 25,9% parece estar formado
por materia oscura, detectable a
partir de su efecto gravitatorio,
pero que no emite radiación y no
sabemos a ciencia cierta qué es!!
Materia y energía oscuras
106
• El 69,2% está asociado a lo que
denominamos energía oscura:
un tipo de fuerza repulsiva de
origen aún desconocido.
Energía oscura
69.2%
Materia oscura
25.9%
Átomos
4,9%

100. Materia frente a
energía oscura
107

101. 108108108
Destino del
Universo

102. 109

103. 110
2026 E-ELT
2021
Con el JWST y el ELT podremos llegar a ver cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias!!

104. 111
James Webb
Space Telescope (2021)

105. 112
Extremely Large Telescope (2026)

106. 113
Lo que encontremos será mucho más fascinante de lo
que podamos imaginar!

107. 114
Entretanto, el ciclo de la vida continúa
.