EL ORIGEN DE LA VIDA: ALGUNAS TEORIAS Theofilos Toulkeridis ¿Cómo fueron las condiciones en la Tierra antes que se generó la vida? ¿Era bien caliente o frío? ¿Cuándo apareció la primera vez el agua y como y cuando el oxígeno? La primera vida necesitaría agua y oxígeno? ¿De dónde llegó la vida? ¿Cuál fue el proceso final que permitió de la transformación de una materia inorgánica a un organismo inicial viviente? Una reseña de algunas respuestas para esas preguntas forman el contenido de este texto. La principal pregunta en todas las ciencias sigue siendo el origen de la vida. Probablemente sea la más gran historia de aventura que haya existido. La ciencia no tiene una explicación sobre la complejidad de la evolución. Cuando se trata del origen de la vida, la ciencia se encuentra todavía en la oscuridad. Las teorías acerca del origen de la vida están basadas en mitos, especulaciones y reconstrucción experimental indirecta. Sin embargo, aunque el origen de la vida sigue siendo un misterio para nosotros, existen teorías desarrolladas a través de recientes investigaciones. Nuestra Tierra primitiva nació 4.56 billones de años atrás y habría sido muy distinta e inhóspita en comparación con la Tierra actual. En primer lugar, la Tierra era más caliente, la formación constante de volcanes con una superficie fundida o capas basálticas inestables mantenía la temperatura de la superficie de la tierra demasiado alta para la formación de agua líquida o de la vida, tal como la conocemos. La atmósfera primitiva/primordial contenía hidrógeno (H2) y helio (He) como elementos principales y era completamente diferente en su composición a la atmósfera actual (nitrógeno (N2) oxígeno (O2) dióxido de carbono (CO2)). Estos miles de millones de años son relativamente raros en la Tierra en comparación con otros lugares; probablemente se perdieron tempranamente hacia el espacio dentro del marco de la historia de la Tierra, ya que la gravedad de la Tierra no era lo suficientemente fuerte para retener miles de millones de gases más ligeros. La Tierra todavía no tenía entonces un centro diferenciado (interior sólido/ centro exterior líquido) para generar un campo magnético de la Tierra (magnetósfera = Cinturón Van Allen). Además, la Tierra primitiva pasó por una perturbación casi permanente, con el bombardeo masivo de asteroides y meteoritos, que posteriormente no permitieron que la tierra se enfriara y se volviera estable en su primera fase de evolución; todo esto se remonta a 4,560 – 4,450 millones de años. No obstante, la Tierra se enfrió poco después y debido a la diferenciación química, mantiene un centro en la parte interna de nuestro planeta, con lo que los miles de millones de gases más pesados pudieron ser retenidos, formando parte de la primera atmósfera real. Los elementos más pesados acumulados formaron la segunda atmósfera, debido básicamente al escape de gases volcánicos. Los gases producidos probablemente eran similares a aquellos emitidos por volcanes modernos (vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), azufre (S2), cloro (Cl2), nitrógeno (N2), hidrógeno (H2), amoníaco (NH3), metano (CH4)). Cuando la Tierra se enfrió, el vapor de agua podría haberse condensado en el planeta primitivo y permitido la formación de los océanos. La condensación de agua en forma de lluvia y la acumulación posterior de agua en la superficie produjo condiciones apropiadas para la evolución de la vida. Algunos piensan que una fuente de energía enorme (relámpagos intensos) no podría transformar moléculas de gas en combinaciones orgánicas complejas. Existe evidencia química de vida temprana en la Tierra, encontrando una manera inorgánica de sintetizar compuestos esenciales orgánicos, necesarios para iniciar la vida, gracias al experimento de sopa primordial realizado por el estudiante Stanley Miller en 19531. Inspirado en una clase de su profesor Harold Urey, sintetizó aminoácidos, que son moléculas orgánicas, enviando chispas eléctricas a través de vasos sellados que contenían los ingredientes inorgánicos amoníaco, metano, hidrógeno y vapor. Los aminoácidos son los bloques estructurales de las proteínas. Sin embargo, no todas las secuencias al azar de aminoácidos producen proteínas funcionales, aunque algunas lo hacen. Tomando en cuenta la edad

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Para una explicación más profunda de este tema, referirse al artículo de L. Margulis en este libro.

extrema del universo, no sería irracional pensar que algunas de estas proteínas se encontraban presentes antes de que la vida evolucionara. Uno de las teorías relacionadas relacionadas con el origen de la vida en la tierra es conocido como panspermia (simientes/semillas en todas partes). Su primer abogado defensor fue el filósofo griego Anaxágoras que a su vez influyó en Sócrates. Durante el mismo tiempo, la teoría de Aristóteles de generación espontánea se volvió la preferida de la ciencia por más de dos mil años. Se afirmaba que la vida se generaba a través de desperdicios de la misma manera en que los gusanos salían de la carne en descomposición. El médico inglés William Harvey, propuso en 1651 que toda forma viviente se deriva de un huevo (Omne vivum ex ovo). Dos siglos más tarde los científicos alemanes Schleiden, Schwam y Virchow anunciaron después de estudios celulares que todas las células surgieron de otras células (Ominis cellula e cellula). Una célula es considerada la unidad identificable más pequeña capaz de continuar las tareas básicas que nosotros asociamos con seres vivientes2. Todos los organismos vivientes se componen de células y necesitan energía, de la misma manera que un sistema químico. Además, todos los organismos vivientes están capacitados para reproducirse, lo que asegura la supervivencia a largo plazo de organismos y de especies. En 1864, el químico francés Louis Pasteur anunció un experimento refutando la generación espontánea. Usando un frasco esterilizado y cerrado, demostró que el aire simple no puede iniciar el crecimiento de microorganismos. Un cultivo sólo puede crecer en el frasco, si gérmenes entran en él. Demostró que la vida proviene exclusivamente de la vida. En 1870 el físico británico Lora Kelvin el y el físico alemán Hermann von Helmholtz reafirmaron las declaraciones de Pasteur y defendieron el criterio de que la vida podría venir del espacio. En la primera década de 1900 el químico sueco Svante Arrhenius sostuvo la teoría de que esporas bacteriales propulsadas a través del espacio por la presión de la luz eran la semilla de la vida en la Tierra. Sin embargo, todavía no existía una prueba del origen de la vida. Nadie sabe exactamente de donde vienen las semillas de la vida. Algunos creen que los elementos esenciales para la vida fueron traídos por meteoritos, mientras que otros creen que éstos aparecieron en forma espontánea en los primeros océanos y en la atmósfera. Pero la mayoría de los investigadores concuerdan en que carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno eventualmente se juntaron para formar las moléculas básicas de la vida. Entonces, estos ingredientes se unieron lentamente en estructuras cada vez más complejas, que podían reproducirse. Así, para entender en forma exacta cuándo y cómo se originó la vida, deberíamos revisar las condiciones necesarias para la vida tal como la conocemos. Estas son a) Protección contra la radiación ultra violeta / vientos solares b) Agua líquida y c) Oxígeno libre en la atmósfera, que produce ozono y provee oxígeno para consumo de los seres vivientes. Recientes estudios confirman que la joven y energética Tierra reaccionó después de sólo un corto periodo, en el que las fuentes de calor externo e interno eran suficientes para mantener al planeta con temperaturas sumamente altas (Wilde, Valley, Peck, y Graham, 2001). Igualmente se sabe que estos eventos fueron seguidos por rápidos enfriamientos de las temperaturas de la superficie, lo suficientemente marcados para propiciar la existencia de agua líquida. Esto basa en los estudios de mineralogía realizados en minerales sobrevivientes del período crítico de la joven Tierra. Estos minerales estudiados son la única evidencia directa de la época más temprana de la Tierra, mientras que no se han identificado rocas ese tiempo hasta ahora. Las rocas más antiguas conocidas de la Tierra se formaron hace 4,000 millones de años (Bowring y Williams, 1999) y los sedimentos más antiguos que se formaron en el agua son de 3,800 – 3,600 milones de años (Nutman, Mojzsis, y Friend, 1997). Esta hipótesis sugiere largos intervalos de condiciones de temperatura relativamente baja en la superficie desde 4,400 hasta 4,000 miles de millones de años que propiciaban el agua líquida y posiblemente la vida. El estudio asume por lo tanto que los impactos de meteoritos durante este período pueden haber sido menos frecuentes que anteriormente y podrían haber estado restringidos después del primer bombardeo masivo de 4.56 - 4.5 Miles de millones de años a un único bombardeo confirmado alrededor de 3.9 Miles de millones de años. El período de 4.4 a 4.0 Miles de millones de años podría haber sido relativamente tranquilo (Arrhenius y Lepland, 2000), con temperaturas más frías en la superficie. Una vez formada agua líquida en la Tierra, la disociación fotoquímica es el único proceso en la evolución temprana de nuestra Tierra responsable por producir oxígeno libre debido a la dispersión de moléculas de agua por radiación visible e infrarroja. También gas de ozono fue producido seguidamente por disociación fotoquímica de oxígeno atmosférico como resultado de la radiación solar ultravioleta de onda corta que se concentró en una capa de 15 hasta 40 Km. de la superficie de la Tierra y protege la vida, absorbiendo radiación ultravioleta. 2

Para una explicación más profunda de este tema, referirse al artículo de M. L. Torres – La célula, en este libro.

Una alternativa a las condiciones usuales de generación de la vida, el agua líquida, el oxígeno y la protección de radiación de UV, representa las denominadas fumarolas negras, que son aberturas hidrotérmicas submarinas. La chimenea negra, encontrada en el suelo de los océanos, en medio de volcanes de aristas o en los flancos de aristas del océano donde las placas oceánicas se apartan y emiten fluidos calientes y ricos en metales disueltos y azufre. Estos minerales se han disuelto en agua caliente (350°C) bajo grandes presiones y temperaturas. Los procesos que ocurren dentro de las fumarolas negras ofrecen una visión sobre lo que ocurren debajo de la Tierra y son de gran importancia para la comprensión de la manera dinámica en que trabaja el planeta en su totalidad. Más importante aún es que estas fumarolas hidrotérmicas de mar profundo sustentan una extraordinaria vida bajo la superficie de los océanos. Estos ecosistemas, descubiertos hace ya dos décadas, representan casi las únicas comunidades en la Tierra, cuya fuente de energía no es la luz solar. Existe un único tipo de bacteria quimiosintética que encuentra energía al metabolizar una gran cantidad del sulfuro. Estos son ambientes ideales para la arquibacteria hipertermofílica quimolitoautotrófica. Estos organismos frecuentemente crecen en temperaturas cercanas al punto de ebullición del agua, y requieren de azufre como parte fundamental de su metabolismo. Estos organismos termofílicos han sido encontrados reciente y antiguamente en niveles superficiales así como extremadamente profundos, en aguas salinas e hipersalinas de los ecosistemas (Rasmussen, 2000). Se cree que la arquibacteria es, de los organismos existentes, la más similar a los organismos ancestrales, de los que desciende toda vida. La evidencia que la vida puede haberse originado en estas aperturas profundas del mar incluye el descubrimiento de aminoácidos en fluidos hidrotermales. La polimerización de estas moléculas podría haber ocurrido en partículas de arcilla, que son minerales del tamaño del polvo. Lo que es más, este ecosistema no necesita protección atmosférica contra UV o para oxígeno libre porque esta protegido de estos. En vez de haberse producido bajo condiciones de temperatura extremadamente alta, la vida terrestre podría haber surgido en el frío hace miles de millones de años. Los investigadores parten desde hace cien años de la tesis de que toda la vida terrestre se formó en una especie de sopa primordial. Ahí, en los océanos primitivos, se comprimieron materias orgánicas y se formaron las primeras moléculas de cadena. Sin embargo, estudios de Jeffrey Bada y Antonio Lazcano confirman precisamente lo contrario. Para formar una masa compacta de las moléculas originales y generar posteriormente una reacción en cadena, no sólo se necesita de ciertos catalizadores como barro o iones de metal. También temperaturas comparativamente bajas aceleran el proceso, eso lo demuestran claramente experimentos de laboratorio. Posiblemente, la sopa primordial se encontró debajo de una gruesa capa de hielo, así especulan los investigadores. Bada y Lazcano presentan evidencia para fundamentar su teoría: La molécula portadora de la información de la herencia ADN y su hermana más inestable ARN, sobreviven mejor en temperaturas frías. Así, fósiles de ADN se conservan por aproximadamente 100.000 años en las latitudes del norte; por el contrario, en regiones más calurosas sólo llegan de 1000 hasta 10.000 años. También la hipótesis de que el árbol genealógico de la vida se sitúa en sus principios en organismos afines a calores extremos, es rebatida por ambos investigadores. Por una parte, esto no habría sido sólidamente comprobado, por otra parte los ormganismos amantes del calor también podrían haberse formado de otra manera en tiempos primitivos – por ejemplo como consecuencia de violentos choques por caídas de asteroides y las respectivas temperaturas extremadamente altas. Por lo demás, la vida en la tierra habría podido originarse según Bada y Lazcano – en el intervalo entre choques por caídas de cometas y asteroides y las consecuencias mortales de los mismos. Esto significaría también que la vida terrestre habría necesitado de varios intentos antes de sobrevivir del bombardeo desde el espacio (Bada y Lazcano, 2002). Una confirmación indirecta de que la vida tenía más posibilidades de generarse en el frío y que la vida posiblemente podría provenir del espacio, fue simulada por dos equipos de investigadores, que trabajaban independientemente el uno del otro, mediante la formación experimental de hielo interestelar, ya que en los experimentos se formaron compuestos fundamentales para la construcción de la vida (Bernstein, Dworkin, Sandford, Coper y Allamandola, 2002; Muñoz-Caro, Meierhenrich, Schutte, Barbier, Arcones-Segovia, Rosenbauer, Thiemann, Brack y Greenberg, 2002). Se copió la configuración del suceso químico en aquellas masas de polvo y de miles de gas, de las que surgió el sistema solar hace aproximadamente 4.6 Miles de millones de años. En un aparato al vacío los científicos vaporizaron un bloque de aluminio extremadamente frío, que tenía ingredientes sencillos, como las que se presentan en nubes interestelares (agua, dióxido de carbono, amoníaco y metanol), y expusieron la mezcla a luz ultravioleta. Al calentarse la capa de hielo formada sobre el bloque de metal, los científicos descubrieron 16 aminoácidos diversos, de los cuales algunos están presentes en los seres humanos. En la actualidad se han

encontrado aminoácidos en meteoritos que cayeron a la Tierra. Sin embargo, los investigadores consideraron posible que las combinaciones se hayan formado durante el vuelo por la atmósfera. Una confirmación directa de los resultados simulados surgirá a través la búsqueda del origen de la vida en el universo. La sonda Rosetta partirá en el año 2003 hacia el cometa Wirtanen, al que se supone llegará en el año 2011. La colocación de un dispositivo de aterrizaje sobre el cometa promete mayor información sobre la composición del polvo interestelar, que –presumiblemente- trajo los compuestos de construcción de la vida a la Tierra. Una teoría muy diferente sobre el origen de la vida fue propuesta recientemente (1995) el químico alemán Gunter Waechterhaeuser, quien asume que la vida resultó de una reacción simple pero distinta. En esta hipótesis no son necesarias ni proteínas ni ácidos nucleicos, ya que éstos aparecen más tarde, después de un simple ciclo inicial de reacción bioquímica. A este respecto, una simple molécula orgánica puede haber asimilado dióxido de carbono a través de varios pasos, habiendo prolongado su estructura de carbono. Finalmente se dividió en dos moléculas que semejaron otra vez a la sustancia inicial. Así prácticamente se ha duplicado la sustancia inicial. Durante este ciclo de reacción podrían haberse producido productos complementarios, que aceleraron todo el ciclo en calidad de catalizadores. El producto complementario fomenta al mismo tiempo su propia propagación, lo que es una característica marcada de los criterios mínimos de vida de los primeros seres vivos, que en este caso subsistirían sin ácidos nucleicos. La energía para el proceso sugerido se originó por lo tanto de la reacción de formación de pirita. Cristales de pirita, que se forman de sulfuro de hierro y sulfuro de hidrógeno, sirvieron de superficies cargadas positivamente, e integraron en ella a moléculas cargadas negativamente, de manera que las partes de reacción pudieron estar cerca aun sin envoltura celular y reaccionar así más fácilmente en forma mutua. La Pirita es conocida debido a que también se encuentra en el fondo del mar, sin luz ni oxígeno y se produce en las fumarolas oscuras. Con el tiempo se produjeron a través del ciclo presentado en la Figura 1 compuestos complementarios nuevos y complicados, tales como aminoácidos, piedras de estructura de ácidos nucleicos, membranas y otros componentes bioquímicos de una célula. Todos estos productos se habrían formado en procesos complementarios o de desecho, o mediante una especie de “catástrofe”. Un producto complementario inútil podría haber sido la grasa, ya que al principio los seres vivientes para retardar su propagación desperdiciaban energía. Del mismo modo, el oxígeno, un producto de desecho de la fotosíntesis de los primeros seres vivientes, fue un veneno letal, antes que un elíxir de vida. De acuerdo con Waechterhaeuser, la vida no sería más que contaminación ambiental, que se convirtió en una innovación y después posibilitó la conquista de nuevos espacios. Visto desde este punto de vista, Aristóteles habría tenido razón. Está bastante claro que las células bacterianas no se pueden forman de químicos sin vida en un solo paso. Si la vida surge de elementos sin vida, debe haber formas intermedias, o vida precelular. Sin embargo, los organismos vivientes son el último recurso o fuente de la mayoría pero no de todos los compuestos orgánicos en el entorno (por ejemplo metano abiogénico se encuentre en fluidos en las aristas del fondo del océano). Mientras que las formas de vida son extremadamente variadas, los principios básicos son los mismos en todos los organismos. Todos derivan la energía que necesitan de la oxidación de componentes orgánicos; todos contienen ADN que es el anteproyecto para la síntesis de proteínas que realizan varias funciones intracelulares; y todas usan ATP en transacciones intracelulares. Esta base común sugiere que todos los organismos se han desarrollado partiendo de un antecesor común. El sistema de Carl R. Woese de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign divide los organismos en tres dominios archea, bacteria, y eucaria. Eucaria consiste en todo organismo multicelular, mientras que la archea y bacteria denominadas colectivamente procariotes son unicelulares. El ADN de procariotes está simplemente concentrado dentro de una o más regiones (nucleoides) o fluido intracelular (citoplasma); mientras que el ADN de eucariotes está integrado en un núcleo cerrado por membrana. El ADN de eucariotes está contenido dentro del núcleos de células organizadas usualmente en cromosomas. Tanto en procariotes y eucariotes, ARNm (ARN mensajero) lleva información de ADN, en la forma complementaria a un fragmento de ADN hacia los ribosomas, donde se sintetizan las proteínas por transcripción del ARNm; es decir, se traduce del lenguaje de nucleótidos de ADN a aminoácidos de proteínas. Los eucariotes, en contraste con los procariotes, tienen estructuras intracelulares especializadas. Así, los organismos están divididos en autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos, al igual que las plantas, suplen sus necesidades de energía a través de fotosíntesis o quimiosíntesis. Los heterótrofos, al igual que los animales,

suplen sus necesidades de energía mediante la asimilación de componentes orgánicos producidos previamente por autótrofos. El reino de las bacterias incluye a ambos, autótrofos y heterótrofos. Agradecimientos: A Gabriel Trueba y Sonia Zapata del instituto de Microbiologia por la corección y edición del texto y apoyo para mi punto de vista sobre las condiciones del inicio de la vida en la Tierra.

Figuras

Figura 1: Atmósfera, océano y corteza primitiva y sus propias reacciones químicas entre los medios incluyendo la dinámica y ambiente de una fumarola negra. Copyright Theofilos Toulkeridis / GrafNews.

Figura 2: Mecanismo de reacción de Pirita (adaptado de Engeln, 1996); Punto de partida de esta reflexión, tal como fue presentada en el texto, sería una simple molécula orgánica de ácido succínico, compuesta de cuatro átomos de carbono, cuatro átomos de oxígeno y seis átomos de hidrógeno, que se fijó como tal sobre la superficie de cristales de pirita. El ácido succínico podría haber absorbido -a través de varios pasos intermedios- dos moléculas de dióxido de carbono y haberse transformado así en ácido cítrico, que se compone de seis átomos de carbono. La energía para este proceso la proporciona la reacción de formación de pirita, en la que se produce hidrógeno. El hidrógeno se integra al carbono, que es integrado en la molécula orgánica y alarga de esta manera la cadena. Además, el hidrógeno se junta con oxígeno del dióxido de carbono para formar agua. Mediante la posterior integración de dos moléculas de dióxido de carbono a través de varios pasos intermedios, el ácido cítrico se transforma en dos moléculas de ácido oxálico acético con cuatro átomos de carbono en cada caso. Esas dos moléculas se transforman entonces -mediante el suministro de agua- en dos moléculas de ácido succínico, lo que cierra el círculo. El ciclo se comportó como un ser viviente, ya que una molécula de ácido succínico se convirtió en dos moléculas similares

Obras consultadas y recomendaciones de lectura Arrhenius, G. and A. Lepland. (2000) . Accretion of Moon and Earth and the Emergence of Life. Chemical Geology, 169: 69-82. Bada, J. L. and A. Lazcano. (2002) . Some Like It Hot, But not the First Biomolecules. Science, 296: 19821983. Bernstein, M. P., J. P. Dworkin, S. A. Sandford, G. W. Coper, and L. J. Allamandola. (2002) . Racemic amino acids from the ultraviolet photolysis of interstellar ice analogues. Nature, 416: 401-403. Bowring, S.A. and I. S. Williams. (1999) . Priscoan (4.00-4.03 Miles de millones de años) orthogneisses from northwestern Canada. Contributions to Mineralogy and Patrology, 134: 3-16. Cody, G.D., N. B. Boctor, T. R. Filley, R. M. Hazen, J. H. Scott, A. Sharma and H. S.Yoder (Jr.). (2000) . Primordial carbonylated iron-sulfur compounds and the syntheis of pyruvate. Science, 289: 1337-1340. Crabtree, R. H. (1997) . Where smokers rule. Science, 276: 222. Engeln, H. (1996) . Der grosse Plan vom Leben. GEO, 20, N 1: 42-62. Halliday, A.. N. (2001) . In the beginning . . . Nature, 409: 144-145.

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