El origen de la vida

Los comienzos

Cuando hace aproximadamente 4.600 millones de años se formó la Tierra, a una temperatura cercana a los 1730ºC, se trataba de un lugar inhóspito e imposible para la vida. Hace 4.450 M.A. se diferenció el núcleo y, muy pronto, transcurridos los primeros 400 M.A, el planeta fue aumentando su tamaño por el aporte de meteoritos que golpeaban y agitaban su superficie. Los vientos solares provocados por este bombardeo continuo barrieron la atmósfera de hidrógeno mientras las erupciones volcánicas aportaron vapor de agua y gases tóxicos como el monóxido de carbono, el amoníaco y el cianuro de hidrógeno. Deberían transcurrir otros 400 M.A para que la vida comenzara a emerger en forma de las primeras células que pronto colonizaron todos los ambientes y formaron una densa capa viva.

Antecedentes históricos

En la antigua Grecia, Anaximandro aceptó un origen espontáneo de ciertas criaturas: "… a partir del calentamiento del agua y la tierra nacieron los peces…".

Tales de Mileto consideraba que el agua era el elemento primordial del que emanaban todas las cosas, incluidos los seres vivos.

Hasta mediados del siglo XVII se aceptó el punto de vista aristotélico y el origen de la vida se consideraba el producto de la creación. Pero junto con esta opinión creacionista persistió el dogma de la generación espontánea, según el cual los seres vivos podían surgir de la materia inanimada.

En el transcurso del siglo XIX dos importantes avances en el conocimiento provocaron un cambio radical de la opinión dominante:

En primer lugar, Louis Pasteur desechó la aparición de formas de vida espontáneas con sus investigaciones experimentales, y planteó la existencia independiente de las diferentes formas de vida.

En segundo lugar, Charles Robert Darwin junto con Alfred Russel Wallace esclarecieron los mecanismos de la evolución por selección natural, lo que contribuyó definitivamente al abandono de las viejas ideas.

Darwin postuló la existencia de organismos iniciales sencillos que luego comenzaron a evolucionar hacia formas más complejas.

Hipótesis de Oparin y Haldane sobre el origen de la vida

El hito más importante para el esclarecimiento del origen de la vida se produjo en 1924, cuando el entonces joven bioquímico ruso Alexander Ivanovich Oparin escribió una obra sencilla, El origen de la vida. En ella recogía opiniones anteriores expuestas previamente ante la Sociedad Botánica Rusa, en 1922, y retomaba las ideas darwinianas transmitidas por su ilustre maestro, el botánico K. Timiryazev, quien sí había conocido al eminente naturalista.

Oparin postuló que: si la atmósfera primitiva carecía de oxígeno, se habrían producido reacciones químicas espontáneas en las que se sintetizaron los constituyentes orgánicos o biomoléculas de las primeras células, una clase de heterótrofos simples que se habrían nutrido del caldo primordial del cual emergieron.

Diez años más tarde, el biólogo británico John Burdon Sanderson Haldane llegó a ideas similares a las de Oparin, aunque sin conocer sus escritos que recién se tradujeron en 1938.

A partir de las ideas de Oparin y Haldane, e investigaciones posteriores, se fue consolidando la lista de condiciones que habrían permitido el surgimiento de la vida sobre la Tierra, y se establecieron etapas o fases en el camino de la evolución química a la biológica, aunque el orden exacto está en discusión:

a) una estrella estable (el Sol) y un planeta (la Tierra) formado en condiciones apropiadas (temperaturas promedio adecuadas para la formación de agua líquida);

b) presencia y concentración de átomos necesarios y fundamentales (carbono, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, así como pequeñas cantidades de fósforo, azufre y metales);

c) formación de una atmósfera reductora (sin oxígeno libre) para mantener la estabilidad de las primeras moléculas sencillas;

d) producción de monómeros orgánicos más complejos, pilares fundamentales de las biomoléculas comunes, a los seres vivos (aminoácidos, nucleótidos, ácidos grasos, azúcares);

e) formación de polímeros (proteínas, ácidos nucléicos y polisacáridos) a partir de monómeros;

f) ensamblado de las macromoléculas en agregados organizados, los prebiontes, estructuras no vivas (no celulares) pero con identidad bioquímica;

g) formación de complejos macromoleculares de proteínas con identidad química y cierta diferenciación del ambiente circundante (proteinoides);

h) formación de coacervados, esferas que podían absorber selectivamente materiales del medio externo (antecedente de membrana celular);

i) formación de microesferas o protocélulas rodeadas de una doble membrana, en vez de la película de agua;

j) capacidad de replicación o reproducción, para asegurar la continuidad de las protocélulas (protogenes);

k) diferenciación del prebionte en la primera célula, que actualmente se conoce como ancestro común último o más reciente (LUCA, del inglés Last Universal Common Ancestor)

La Tierra primitiva

La atmósfera inicial carecía de oxígeno libre; todo el oxígeno existente estaba combinado con hidrógeno, metales y elementos químicos. Al no tener oxígeno libre, la atmósfera inicial era reductora y estaba formada por gases como el nitrógeno, el metano, el monóxido de carbono y otros similares.

La ausencia de oxígeno libre en esta atmósfera resultó esencial para impedir la destrucción por oxidación de las moléculas orgánicas recién formadas, pero a la vez, la falta de la capa de ozono permitía el pasaje continuo de radiación UV, letal para los agregados moleculares.

El vapor de agua se formó tanto por la fusión de las rocas volcánicas y las altas temperaturas, como por el aporte de los cometas.

La evidencia suministrada al estudiar ciertos cristales en las rocas más antiguas señala que la interacción entre la roca fundida y el vapor de agua formó los primeros océanos hace, aproximadamente, 4.200 M.A.

Sin embargo, hasta hace 3.900 M.A., estos océanos iniciales se evaporaban y volvían a condensarse, tal vez en numerosas ocasiones, por el bombardeo de meteoritos.

Obviamente estas condiciones extremas impidieron inicialmente la formación de células o de cualquier otro indicio de vida, debido a la esterilización completa del ambiente, como si se tratara de un gigantesco horno, con temperaturas que en ocasiones se acercaban a las de la superficie de Mercurio, por encima de los 500 ºC.

Estas condiciones también crearon un ambiente selectivamente favorable para la formación de organismos hipertermófilos (que toleran temperaturas cercanas o por encima del punto de ebullición), como ocurre con varios representantes del imperio Archaea y el imperio Bacteria (organismos procariotas, es decir, sin núcleo ni membranas internas)

Producción de monómeros orgánicos

La primera etapa en el origen de la vida consistió en la formación de monómeros orgánicos a partir de moléculas inorgánicas. La teoría del caldo o sopa primordial, propuesta por Oparin, supone que estas moléculas complejas se formaron en un medio acuoso caliente, sujeto a evaporación. Pero en la hipótesis original, Haldane le otorgaba mayor importancia al ambiente volcánico y a la radiación ultravioleta. El ambiente propuesto por Oparin tenía una ventaja: al existir una alta concentración de moléculas simples, a causa de la evaporación continua que se producía por el calentamiento, las moléculas complejas podrían formarse con mayor facilidad.

En septiembre de 1951, en una conferencia a la que asistía el químico estadounidense Sanley Lloyd Miller, el profesor Harold C. Urey, de la Universidad de Chicago, quien tenía un conocimiento muy acabado del origen del Sistema Solar y conocía muy bien las ideas de Oparín y Haldane, afirmó que:

• La atmósfera primordial de la Tierra era reductora, debido a la abundancia de hidrógeno, y favorable para la formación de sustancias orgánicas;

• Los gases que envolvieron a la Tierra primitiva estaban representados, principalmente, por metano, amoníaco y vapor de agua;

• En este medio, las reacciones químicas, alimentadas por descargas eléctricas de los relámpagos además de las radiaciones UV (ultravioletas) de alta energía, producirían las moléculas orgánicas ricas en hidrógeno que conforman los seres vivos.

Quedaba planteada así la formación de aminoácidos y de nucleótidos, constituyentes de las proteínas y de los ácidos nucléicos, respectivamente, en una atmósfera reductora, condición imperante en la Tierra primitiva.

La experiencia de Miller

En 1952, Stanley Miller contactó al profesor Urey en su laboratorio para compartir con él sus ideas y proponerle realizar la simulación de las condiciones de la atmósfera primitiva para la síntesis de las moléculas orgánicas. Por fin, en 1953, realizaron juntos el famoso experimento para reproducir las reacciones químicas de la Tierra primitiva.

Utilizaron un dispositivo con matraces, condensadores y colectores, y simularon una atmósfera de metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno.

En este experimento se obtuvieron gran cantidad de los aminoácidos que forman las proteínas naturales.

Nuevas mezclas y síntesis

La publicación de estos hallazgos unos meses más tarde causó gran revuelo en la opinión pública, si bien en una encuesta realizada por la famosa agencia de encuestas Gallu, el 78% de la gente consideró que el resultado del experimento era imposible. Pero pronto más investigadores no sólo confirmaron los hallazgos sino que crearon nuevas condiciones y obtuvieron más resultados.

Al probar con otras mezclas de gases, no sólo se obtenían aminoácidos, sino también las bases nitrogenadas que forman las otras macromoléculas importantes, los ácidos nucléicos.

Las fuentes hidrotermales y el origen de la vida

Surgieron diversas posibilidades sobre cuál habría sido el ambiente propicio para la formación espontánea de polímeros (proteínas, ácidos nucléicos) a partir de monómeros (aminoácidos, nucleótidos). Debería ser un ambiente protegido de las radiaciones UV y a una temperatura adecuada. Para el investigador alemán Günter Wächterhäuser las fuentes hidrotermales submarinas cumplían con estos requisitos. Al estar a más de 5.000 metros de profundidad estaban protegidas de las letales radiaciones UV (ya que la radiación solar ingresa hasta cierta profundidad); además eran ambientes alcalinos y fuertemente reductores que favorecían la formación de polímeros.

Estas se encuentran a elevadísimas presiones, debido a la gran profundidad, y a altas temperaturas, al estar asociadas con las chimeneas de volcanes submarinos. Además, en el ambiente hidrotermal abundan las moléculas sencillas, como monóxido de carbono, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y amoníaco, y otras moléculas como el cianuro de hidrógeno, metano e incluso varios óxidos metálicos, todos necesarios para la síntesis de aminoácidos y nucleótidos, y de los intermediarios energéticos, como el ATP (adenosintrifosfato).

En la década de 1990 se descubrió en las chimeneas hidrotermales del océano Pacífico oriental, que emanan a 380 ºC, la presencia de compuestos que cumplen este requisito de centro catalizador. Desde la década de 1970, también se había logrado simular en el laboratorio mezclas experimentales de polipéptidos a partir de aminoácidos a temperaturas ubicadas por encima del punto de ebullición del agua en combinaciones adecuadas de aminoácidos.

La formación de proteinoides

A partir de los aminoácidos se formaron oligopéptidos (unión de unos pocos aminoácidos) y, a continuación, las grandes moléculas orgánicas de los seres vivos, las proteínas, que se agruparon en estructuras denominadas proteinoides. Se han sugerido tres posibilidades para explicar la formación de proteinoides, de la más simple a la más compleja:

a) Después de calentadas y secadas por contacto con lavas volcánicas, las soluciones de aminoácidos y polipéptidos se condensaron en glóbulos proteinoides (este postulado implica que las proteínas son más primitivas que los ácidos nucleicos).

b) Los aminoácidos se polimerizaron sobre arcillas en las márgenes de lagunas para formar estos compuestos proteinoides mientras los nucleótidos formaban simultáneamente polinucleótidos estables.

c) Mezclados en el agua, con una pequeña cantidad de agentes de condensación, se pudieron formar polipétidos y también polisacáridos, que luego formaron los proteinoides.

Para el investigador Sydney Fox de la Universidad de Miami, el estado de proteinoides fue el paso inicial hacia la formación de las células primitivas.

Las primitivas membranas

Los polímeros recién formados debían separarse de alguna manera del medio externo. El próximo paso debió ser entonces el agrupamiento de los proteinoides macromoleculares en conjuntos todavía mayores (aunque no necesariamente vivientes), de un tamaño de 1 a 2 micrones de diámetro: los liposomas, los coacervados y las microesferas.

Líposomas: son esferas de moléculas orgánicas rodeadas por una película de lípidos que mantiene diferenciado el medio interno del externo. Se dividen formando otras esferas más pequeñas.

Coacervados: son esferas de moléculas orgánicas con polipéptidos y polisacáridos rodeadas de moléculas de agua, que puedan absorber selectivamente materiales del medio externo (antecedente de membrana celular).

Microesferas: son esferas proteicas, selectivamente permeables y excitables, rodeadas de agua, o bien formadas por pequeños volúmenes de agua encerrados en capas de polipéptidos. En parte, también pudieron formarse bicapas lipídicas en soluciones acuosas, y ésta podría ser también una condición alternativa para la formación de las primeras membranas celulares.

La capacidad de replicación

Pero los agregados macromoleculares (aun los virus) no tienen vida. Y, a pesar de la organización de los proteinoides y de la permeabilidad selectiva que ofrece la formación de bicapas lipídicas en las microesferas, les faltaban sin duda la capacidad de replicación, necesaria para la continuidad de la vida, y las enzimas (proteínas que aceleran y posibilitan las reacciones químicas de los seres vivos).

Bibliografía

• Interred – Buscador educativo

• Biología 2 – doceOrcas ediciones s.a.

Autor:

Alexis