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R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaEl experimento de Miller y Urey   Los experimentos efectuados en 1953 porStanley...
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El origen químico de la vida

  1. 1. La pesadilla de Darwin: el origen de la vidaRafael Andrés Alemañ BerenguerDepto. Ciencia de Materiales, Óptica y Tecnología Electrónica, División de Óptica, UniversidadMiguel Hernández, Grupo de Biomateriales, Avda. Universidad, s/n. Edif. Torrevaillo 03202-Elche (Alicante). E-mail: raalbe.autor@gmail.com RESUMEN En tiempos de Darwin, el origen de los primeros organismos vivos se reveló como una de las principales debilidades de la naciente teoría de la evolución biológica. A falta de conocimientos suficientes, los coetáneos del gran naturalista inglés fueron incapaces de dar una respuesta siquiera plausible al enigma, lo que inspiró una íntima y viva insatisfacción en el creador de la teoría evolutiva. Si bien el propio Darwin avanzo tentativamente algunas posibles respuestas al problema, hoy día disponemos de datos y modelos mucho mejor establecidos para abordar la cuestión. eVOLUCIÓN 6(1): 5-15 (2011). Palabras Clave: Biomoléculas, Química Prebiótica, Origen Químico de la Vida.INTRODUCCIÓN atmósfera reductora –sin oxígeno– de nuestro mundo (Oparin 1980). Desde que Pasteur, en la segunda mitad del Faltando oxígeno atmosférico que los destru-siglo XIX, desacreditase definitivamente la idea yese por oxidación, los compuestos formados dede la generación espontánea, los científicos se este modo (cianhídrico, cianógeno, aldehídos,vieron enfrentados al reto de explicar la aparición tioles) se verían arrastrados hacia el mar porde los organismos vivos en términos de las leyes efecto de las lluvias, concentrándose en su seno.naturales estipuladas por la física y la química. El proceso continuaría hasta que, en palabras delLos primeros defensores de la evolución propio Haldane, “los océanos primitivos alcanza-darviniana eran muy conscientes de las conse- ran la consistencia de un caldo caliente ycuencias lógicas a las que conducían sus diluido”. La expresión referente a este estado quepropuestas. Si todos los seres actualmente vivos más fortuna hizo se debe a Oparín, que lo calificódescienden por transformaciones graduales de de "sopa orgánica primordial" o "sopa primige-ancestros menos complejos, ¿cómo se dio la nia".aparición de los organismos primigenios? O En una segunda etapa las moléculas simplesdicho con otras palabras, ¿qué procesos naturales almacenadas en los mares se irían transformandopueden explicar la transición desde el mundo en moléculas más complejas -aminoácidos,inerte a la materia viva? Darwin mismo no dejó azúcares, ácidos grasos- aunque permaneceríande plantearse este profundo interrogantes, aunque todavía como monómeros. A continuación lano tardó en comprender que –tal como sucedía sopa prebiótica se espesaría por acción de agentescon los mecanismos de la herencia genética– las condensadores o mediante calentamiento yciencias de su tiempo no contaban con los medios evaporación. Así, los monómeros se conviertennecesarios para aventurar una respuesta. en polímeros, cadenas moleculares de la clase de El escenario para el inicio de la vida que nos los polipéptidos y los polinucleótidos. Estospropone la mayoría de los textos actuales, se polímeros lograrían adquirir en algún momentocorresponde con un planeta Tierra cuya edad propiedades auto-reproductoras y aislarse delrondaría los cuatro mil quinientos millones de medio circundante por medio de una capa deaños, aquejado por una intensa actividad geoló- moléculas grasas, precursora de las actualesgica de inusitada violencia y sin capa de ozono membranas celulares.alguna que le protegiese de las radiacionessolares o cósmicas. Con este telón de fondo tuvolugar la aparición de la vida a lo largo de unaserie de etapas, sugeridas en la década de 1950por el bioquímico ruso A.I. Oparín y su colegabritánico J.B.S. Haldane. De acuerdo con la teoríade Oparín-Haldane, la radiación solar ultravioletaalcanzaría sin demasiadas dificultades la super-ficie terrestre y provocaría multitud de reaccionesquímicas entre las moléculas de agua, anhídridocarbónico y amoniaco, presentes en la primitiva Fig. 1. J. S. Haldane y A. I. Oparin. -5-
  2. 2. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vida Más tarde, hace unos tres mil quinientosmillones de años, surgieron los primeros organis-mos unicelulares semejantes a los microbiosactuales. Los más afortunados entre ellos desarro-llaron la facultad de utilizar la energía de losrayos del sol para sintetizar compuestosorgánicos que les eran útiles, función ejecutadahoy por las plantas y ciertas bacterias bajo elnombre de "fotosíntesis". Y, dado que la fotosín-tesis desprende oxígeno, esta circunstancia causóla gradual conversión de la atmósfera terrestre dereductora a oxidante (provista de oxígeno),propiciando de esta manera las futuras fases deldesarrollo biológico en el planeta.La “charca de Darwin” Sinceramente preocupado con el asunto,Darwin había sugerido ya un escenario verosímilpara el origen de la vida en una carta a un amigofechada en 1871. Allí, el científico británicocomentaba: “Se ha dicho a menudo que la totalidad de lascondiciones necesarias para la formación delprimer organismo vivo son las que presenciamoshoy día y no pueden haber sido otras que lasactuales. Sin embargo, si pudiéramos concebir (¡ycuan gran suposición implica ese “si”!) la Fig. 2. Esquema elaborado por Darwin en 1837 para representar el arbol de la vida.posibilidad de la formación química de uncompuesto proteico, en algún estanque cálido ypequeño, que contuviera toda clase de sales En un estanque darwiniano resultaría muchoamónicas y fosfóricas, que recibiera luz, calor, más sencilla la acción de agentes deshidratadoreselectricidad, etc., compuesto que una vez que catalizasen la condensación de moléculasformado podría sufrir otros cambios posteriores orgánicas con desprendimiento de agua, ende mayor complejidad, en las condiciones comparación con un medio como es el océano,actuales ese material sería devorado o absorbido donde la presencia ubicua del líquido elementoal instante, lo cual no habría sido el caso dificultaría una reacción reversible en la que elpreviamente a la formación de los primeros seres paso crítico es justamente uno en el que sevivos”. desprende agua. Esta genial intuición de Darwin acierta La objeción de que en un pequeño estanquedoblemente en plena diana: en primer lugar, podrían darse menos combinaciones al azar entredestaca el hecho de que la génesis abiótica de los las moléculas prebióticas, disminuyendo laprimeros compuestos biológicos se habría dado probabilidad de formación de compuestos bioló-en el marco de unas condiciones fisicoquímicas gicamente interesantes, queda compensada por laespecialísimas e irrepetibles que la distinguen de presencia más que probable de catalizadoresla generación espontánea desterrada por Pasteur, minerales como las arcillas ya citadas. Estoscondiciones que la propia aparición de la vida activarían la creación de sustancias que preci-acabaría modificando. sarían de tiempos muchísimo mayores para Por otra parte, el fragmento anterior propone aparecer fortuitamente.una imagen posible del modo en el que ésta pudo En virtud de cuanto se ha dicho, la hipótesis dehaber sucedido. A raíz de las propias palabras de que las primeras moléculas biológicas pudieronDarwin, esta hipótesis recibió el nombre de haber aparecido en sistemas acuosos de pequeñas"modelo del estanque" o "de la charca". Las dimensiones comparados con los mares (panta-ventajas de este modelo son patentes en nos, charcas, microlagunas) pero cercanos acomparación con las de un océano convertido en estos, que poseyendo unas características físicas ysopa primigenia. En un espacio de menores químicas adecuadas albergasen una cantidaddimensiones como es la charca, las moléculas suficiente de moléculas orgánicas sencillasorgánicas simples originadas por síntesis natural formadas abióticamente, ha sido denominadose hallarían más concentradas, facilitándose así "modelo de la charca", por su sencillez, utilidad ylas reacciones químicas y las interacciones entre potencia explicativa (Follmann y Brownsonellas. 2009, Pereto et al. 2009). -6-
  3. 3. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaEl experimento de Miller y Urey Los experimentos efectuados en 1953 porStanley L. Miller y Harold C. Urey, de launiversidad de Chicago (Miller 1953; Miller yUrey 1959), supusieron el primer paso en unalínea de investigación antes reservada a la puraespeculación teórica.. En dichos experimentos setrató de simular las presuntas condiciones atmos-féricas de la Tierra primitiva a fin de descubrir sien tal situación era posible inducir la formaciónde moléculas orgánicas a partir de gases simples.En efecto, suministrando descargas eléctricasintermitentes como chispas de alta tensión (simu-lando así el efecto de los rayos de tormenta) a unamezcla de hidrógeno, metano, amoniaco y agua,Miller y Urey obtuvieron aldehídos, ácidoscarboxílicos y aminoácidos. Otras experiencias de este tipo fueron llevadasa cabo por varios equipos de investigadores, Fig. 3. Esquema experimental utilizado por Miller y Urey.como el del español Juan Oró en Texas, MelvinCalvin en Berkeley o Edward Anders en Chicago, La controversia rodea también la composicióncon iguales o mejores resultados. Según el caso de la atmósfera primigenia, que por sí solase variaba la mezcla inicial de gases (añadiendo constituye una variable crucial en la significaciónmonóxido y dióxido de carbono junto con nitróg- de los experimentos. Hasta los años sesenta loseno molecular), la temperatura (hasta 900ºC) o la estudiosos se hallaban persuadidos de que talfuente de energía (irradiación radiactiva o UV). composición era predominantemente reductora, yCon ello se llegaba a obtener, no sólo los veinte en esa convicción prepararon Miller y Urey suaminoácidos básicos de todas las proteínas y las célebre experiencia. Empero, a juzgar por loscuatro bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos, modelos geológicos recientes que atribuyen lasino también azúcares y grasas. formación de nuestra atmósfera a la desgasifi- Sin embargo, en los últimos años esta clase de cación de los volcanes, el muestreo de losexperimentos se ha visto sometida a penetrantes componentes gaseosos de las emisiones volcáni-críticas en lo tocante a su relación con el origen cas revelan una proporción hidrógeno-dióxido dequímico de la vida. Nadie duda de que las carbono inferior a uno (es decir, mayor cantidadpruebas fuesen correctamente practicadas, pero sí del último que del primero). Ello resulta crucialse cuestiona que sus resultados posean auténtica para la interpretación de estas experiencias, pues,relevancia para el problema que inspiró su como Miller comprobó posteriormente, bajo esterealización. Veamos a continuación algunas de supuesto tan solo se producen trazas de glicina yestas críticas. ningún otro aminoácido. Es difícil exagerar la En primer lugar se señala que el tipo de importancia de este punto para la hipótesis decompuestos químicos aparecidos y su concentra- Oparín-Haldane, la cual exige una atmósferación, depende críticamente de las condiciones de marcadamente reductora como prerrequisitoreacción que el experimentador impone desde el esencial para el origen espontáneo y la evoluciónprincipio. Es un hecho que Miller ensayó dos química de la vida.disposiciones de su montaje experimental previa-mente a la consecución de los resultados apeteci-dos. Por si fuera poco, sólo se lograron dosaminoácidos (la glicina y la alanina) de entre losveinte necesarios para la constitución de pro-teínas, y ello en concentraciones respectivas de2,1 y 1,7 %. A estos se añadieron después otrosdos aminoácidos bióticos, el ácido glutámico y elaspártico, pero en cantidades todavía muchomenores. El resto de las sustancias orgánicasobtenidas, o bien se depositaban como un residuoalquitranoso inanalizable, o bien se presentabancomo moléculas de importancia biológica indi-recta en concentraciones irrisorias. Fig. 4. S. Urey y C. Miller. -7-
  4. 4. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vida Tampoco el concepto de sopa prebiótica se ha los rigores extremos del espacio, así como de quesalvado del embate, ya que se duda de que las acertase a caer en nuestro planeta, nos obliga afuentes de energía existentes en aquel entonces dejar a un lado las especulaciones de ese tipo. Nobastasen para mantener todo el océano lejos del obstante, se cuenta con evidencia geológica deequilibrio químico, evitando así que las molé- que ciertos microorganismos han estado presentesculas orgánicas se descompusiesen en su en la Tierra desde hace no menos de 3.100mayoría. Si nos restringimos a un área menor, millones de años (sólo 1.500 millones de añosabandonado la imagen de un océano planetario en después de la solidificación del planeta).continua agitación, se verá mermada en igual Durante una conferencia en 1947 titulada “Lasmedida la probabilidad de que las moléculas bases físicas de la vida”, el físico irlandés J. D.simples se recombinen por azar hasta engendrar Bernal argumentó a favor del papel de las arcillascompuestos de interés biológico. Y si optamos en el origen de la vida. En esa misma ocasiónpor admitir un aporte colosal de energía a la sopa planteó la posibilidad de que, dada la adversidadprebiótica, nos encontramos con que en esas de las condiciones terrestres, la vida hubieracondiciones las sustancias orgánicas tienden a llegado desde el espacio, aunque entonces consi-formar alquitranes pesados que precipitan en el derase esta cuestión en un plano meramentefondo de los mares, quedando envueltos en teórico. Sin embargo, en una alocución a laprocesos geológicos o de absorción mineral. Sociedad Interplanetaria Británica celebrada en La sencilla teoría sugerida inicialmente por la 1952, declaró que la biología del futuro no estaríapareja de bioquímicos ruso y británico, ha sido confinada a nuestro planeta, sino que tomaría eltan zarandeada por los últimos descubrimientos carácter de cosmobiología. Más tarde, al recono-de la geofísica y la geoquímica acerca de las cerse la presencia de materia orgánica en eletapas primitivas de nuestro planeta, que no es de meteorito Orgueil, Bernal afirmó que paraextrañar la actual efervescencia de hipótesis sobre explicar tal circunstancia existían tres posibili-este asunto. Muchas han sido las propuestas dades: (1) contaminación terrestre, (2) origenrealizadas a fin de reemplazar la tesis que ha inorgánico en el sistema solar primitivo (lo quedominado el horizonte de este campo de haría posible que las sustancias orgánicasinvestigación durante tres décadas, y bueno será utilizadas para la síntesis del primer organismohacer un breve repaso de las más destacadas. tuvieran como fuente los meteoritos), o bien (3) En busca de un camino que permitiese superar la presencia de vida en el objeto rocoso del cuallas dificultades de la hipótesis heterotrófica (y sus se derivó el meteorito (Bernal 1961).variaciones posteriores) de la sopa primigenia, se Numerosos autores han propuesto con audaciaha sugerido la pertinencia de considerar procesos que las moléculas orgánicas precursoras de losquímicos autotróficos en ambientes volcánicos e compuestos biológicos fundamentales llegaron ahidrotermales, que conllevan la fijación de la superficie terrestre en el interior de meteoritosmoléculas carbonadas sobre superficies catalíti- y cometas. Los meteoritos son escombros rocososcas de sulfuros metálicos. El más destacado que sobrevivieron a la formación del sistemadefensor de esta posibilidad es Günter solar. En ellos es posible encontrar el típicoWächtershäuser, quien lleva describiendo el alquitrán inane junto a una complejísima mezclamodelo en revistas de impacto, al menos desde de productos orgánicos, cuya composiciónfinales de los años 1980. Wächtershäuser ha porcentual es notablemente similar a la obtenidallegado incluso a proponer ciclos metabólicos - por Miller y Urey. Este hecho ha desplazado laaunque criticados por otros autores- para explicar interpretación de la obra de estos dos investiga-la formación de moléculas primordiales como los dores desde el origen terrestre de la vida haciaaminoácidos y cetoácidos (Huber y Wächter- una probable utilidad en el estudio de losshäuser 1997, 1998; Wächtershäuser 1990, 1997). procesos químicos en el espacio exterior. Los cometas, por su parte, son cuerposLa hipótesis cometaria astronómicos semejantes a los meteoritos pero constituidos fundamentalmente por hielo. Su La terrible complicación que supone construir relevancia para el tema que nos ocupa fuecélulas vivientes en las condiciones que ahora se subrayada por los profesores Fred Hoyle y N.C.presume existían en la Tierra primitiva, ha Wickramasinghe, al adjudicarle el papel deanimado a no pocos investigadores a dirigir su vehículo transportador apto para depositar en lamirada al espacio exterior. La idea en sí no es Tierra muchas de las moléculas formadas en lasnueva, pues ya fue esbozada en 1903 por el nebulosas interestelares. No contentos con esto,químico sueco Svante Arrhenius. Este científico ambos científicos dieron un paso más allá enachacaba las primeras manifestaciones de la vida sucesivas reelaboraciones de su teoría, afirmandoen nuestro planeta a la llegada de esporas que en el interior de lo cometas se habíanmicrobianas procedentes de otros mundos tras un desarrollado microbios completos, los cualesviaje sideral, impulsadas por la presión de las sembrarían más tarde nuestro mundo e iniciaríanradiaciones estelares. La exorbitante improbabi- la cadena de la evolución. La crítica basada en ellidad de que cualquier microorganismo resistiera hecho de que el agua en los cometas está -8-
  5. 5. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidacongelada -y no líquida como se precisa para unnormal desenvolvimiento de las reaccionesbioquímicas típicas- ha sido respondida por otrosexpertos arguyendo que podría haberse calentadodebido a la desintegración radiactiva de elemen-tos inestables presentes también en el cometa. Esta interesante hipótesis resultó con el tiempogravemente desacreditada a causa del crecienteextremismo en las afirmaciones de Hoyle yWickramasinghe, así como su declaración finalde que la evolución de los microorganismos en elespacio exterior estaba guiada por un micropro-cesador de silicio, cuyo afán era favorecer laaparición de vida inteligente capaz de fabricar Fig. 6. El supuesto "gusano marciano".más microcircuitos y computadores. De cualquier manera, y descontando los En primer lugar, fue reconocida la presencia dedesvaríos ocasionales de científicos eminentes, la sustancias orgánicas complejas, de las conocidasexistencia de muy variadas moléculas orgánicas como PAHs, de las que existe un gran númeroen el espacio cósmico es un hecho probado por tanto en granos de polvo cósmico como enabundantes estudios espectroscópicos. El examen meteoritos, donde su génesis se presume abiótica,del cometa Halley, realizado en 1986 por la sonda así como en la Tierra, de origen biótico, pero enGiotto, reveló la presencia de ácido cianhídrico, una asociación que corresponde a la descompo-formol y polímeros de estos compuestos. Por si sición de microorganismos. Las opinionesfuese poco, el estudio detallado de un asteroide adversas sostienen que la presencia de dichascaído en Murchinson (Australia) en 1969 detectó moléculas se debe a contaminación terrestre,grafito, carburo de silicio, 74 aminoácidos, 250 aunque se ha replicado a esto que la asociación eshidrocarburos diferentes y las cinco bases nitro- diferente a las de origen terrestre.genadas de los ácidos nucleicos. Lo que sucede, En segundo lugar, también hay evidencias depor el contrario, es que estas sustancias se una asociación mineral en desequilibrio. A lospresentan en pequeña cantidad y en cadenas de lados de la materia orgánica se hallan glóbulos deun tamaño reducido (no más de trece átomos en carbonatos de unos 50 micrómetros de diámetro,total). Nadie sabe si este campo de investigación que pudieran ser microfósiles de bacteriasrevelará en el futuro alguna influencia capital primitivas, en cuyos núcleos predomina el man-sobre el problema del origen de la vida terrestre. ganeso, mientras que en los anillos que los rodeanY mientras no sea así, lo más adecuado será predomina el hierro. Los glóbulos están circun-mantener una actitud de prudente expectación. dados por líneas oscuras de sulfuros de hierro, A finales del siglo XX se desató una gran magnetita y pirrotita. A favor, se aduce que estacontroversia a raíz del hallazgo de presuntas asociación es similar a la producida en la Tierrabacterias fósiles, más pequeñas que las terrestres, por bacterias primitivas, y que tal diversidaden el meteorito Allan Hills (ALH84001), caído mineralógica en espacio tan reducido es impro-hace unos 13000 años en la zona antártica bable en un ambiente abiótico.denominada Tierra Victoria (McKay et al. 1996). Un tercer factor es la detección de cristales deEl grupo de investigadores responsable del magnetita semejantes a los producidos por bacte-descubrimiento basa su hipótesis en la colusión rias terrestres. Y, por último, se tiene la presenciade cuatro evidencias. de estructuras con forma de bacteria. Entre éstas se halla la famosa microfotografía del "gusano marciano". El hecho de que de un grupo de doce meteoritos que se suponen marcianos por sus relaciones isotópicas, el ALH84001 sea el único cuya edad se remonta a 4500 millones de años, mientras que el resto tiene una edad de menos de 1300 millones, ha favorecido su catalogación como condrito carbonoso (con materia orgánica abiótica) formado en el cinturón de asteroides. También se considera probable que haya caído en Marte, de donde habría sido eyectado por el fuerte impacto de un gran meteorito. Dado que la materia orgánica se encuentra en fracturas mineralizadas, no resulta osado aventurar que acaso se formase en un ambiente hidrotermal, que Fig. 5. El meteorito ALH84001. también es propio de los asteroides. -9-
  6. 6. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaQuímica espacial Lodos y arcillas Hubo de esperarse hasta el último cuarto del A juicio del profesor A.G. Cairns-Smith, de lasiglo XX para que una nueva disciplina en la universidad de Glasgow, los lodos y las arcillasencrucijada entre la química y las ciencias del desempeñaron una función decisiva en elespacio, hiciese su aparición bajo el nombre de desarrollo originario de la vida (Cairns-Smithquímica espacial. Gracias al desarrollo de las 1985). Según su opinión, a la vida orgánica quetécnicas de análisis instrumental y a los avances hoy conocemos precedió un periodo en el que lasen la sofisticación de las sondas automáticas formas dominantes fueron ciertas estructurasenviadas por las agencias espaciales, fue posible inorgánicas periódicas del tipo de las arcillas.estudiar la compleja secuencia de reacciones Estas estructuras arcillosas "competían" entre sí -químicas que podían darse entre moléculas -sobre en un sentido figurado, por supuesto- por capturartodo orgánicas– en un medio tan aparentemente el mineral disuelto que les permitiese proseguir lahostil como el espacio interestelar. cristalización. También "mutaban", al mostrarse Hasta ahora se suponía que estas reacciones susceptibles de variar en el crecimiento del cristalúnicamente tenían lugar sobre los granos de (imperfecciones, sustitución de unos átomos porpolvo cósmico sometidos a radiaciones estelares; otros, fusión de láminas arcillosas); y se reprodu-los gránulos actuarían a modo de centros cían, puesto que cada lámina podía dividirse enconcentradores evitando la dispersión de las otras menores, bajo ciertas con-diciones demoléculas reaccionantes por el vacío, mientras las temperatura y concentración de minerales,radiaciones aportarían la energía necesaria para comenzando éstas un nuevo ciclo de crecimiento.llevar a cabo las reacciones. Hoy conocemos más Con el paso del tiempo -especula Cairns-de ciento cuarenta especies moleculares gene- Smith- las estructuras de arcilla utilizaríanradas de esta manera, el noventa por ciento de las moléculas distintas a los silicatos a fin decuales portan átomos de carbono. expandirse; quizás moléculas orgánicas preexis- La nube de Sagitario, situada a unos 26.000 tentes o producidas por la acción catalítica de losaños-luz de la Tierra contiene uno de los más propios lodos. A la larga, los polímeros de carbo-amplios muestrarios hallados hasta la fecha de no resultaron más eficientes y versátiles que susmoléculas orgánicas espaciales (CH3CONH2, homólogos de silicio en la supervivencia yH2CO, CH2CHCHO, CH3CH2CHO y CH2CNH reproducción (las macromoléculas orgánicasentre otras). Más próxima se encuentra la nube de pueden crecer en tres dimensiones y con longi-Tauro -a unos 450 años luz de nosotros- la cual, tudes mucho mayores que sus contrapartidaspese a ser notablemente oscura y fría (unos 10 inorgánicas): ha acontecido el "relevo" genéticogrados Kelvin sobre el cero absoluto) alberga del mundo inorgánico al orgánico.también moléculas orgánicas de origen autóc- Al margen de la carencia de pruebas sobre talestono. formas replicativas de arcilla, está fuera de toda Junto con las moléculas individuales, en el duda el importantísimo papel jugado por lospolvo interestelar se ha descubierto la presencia materiales semicristalinos con poder catalítico,de grandes cadenas moleculares entrecruzadas en como las arcillas. En concreto, las arcillas sesinuosas conformaciones tridimensionales. Los originan en medio acuoso, exponen una granpolímeros heterocíclicos aromáticos juegan un superficie de contacto a todos los solutos que sepapel capital en estas configuraciones, de aspecto encuentran en el medio y poseen la facultad dealquitranoso más bien que mineral. Sus masas catalizar reacciones químicas específicas. Es todasuperan en más de cien veces a la de la molécula esta serie de virtudes fisicoquímicas la que muevede agua, y muestran una considerable tendencia a a Cairns-Smith a especular con la posibilidad deunirse a sus vecinas alcanzando con ello una que las arcillas engendraran las primeras molé-estabilidad térmica que les permitiría realizar culas orgánicas simples. Luego, estas pequeñastrayectos espaciales relativamente prolongados. moléculas habrían complicado su estructuraNo cabe duda de que en contacto con agua formando cadenas y otras disposiciones gracias alíquida de la Tierra primordial, estas moléculas la interacción con las propias arcillas. Final-podrían haber iniciado las reacciones químicas mente, los ancestros de nuestras actualesnecesarias para el origen de la vida. macromoléculas habrían adquirido la capacidad En posteriores estudios sobre la formación de de autorreplicarse, emancipándose entonces de sumateria orgánica simulando condiciones del dependencia de la arcilla. La gran plausibilidadespacio interestelar o reacciones fotoquímicas, se de este modelo se ve parcialmente empañada porlogró obtener aminoácidos, diaminoácidos y la falta de un buen número de experimentosácidos. Además, análisis espectrales (especial- detallados que lo apoyen directamente. Nomente en las regiones de IR y UV) en estrellas obstante, el trabajo experimental llevado a caborevelan también la presencia de moléculas orgá- hasta ahora ofrece perspectivas altamentenicas sencillas (Leinert y Gruen 1990; Eberhard prometedoras.2001; Markwick-Kempe et al. 2007). - 10 -
  7. 7. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaOrigen hidrotermal marino en su preservación ulterior (por ejemplo, al depurar por adsorción las aguas marinas de Esta posibilidad es una de las más atractivas en elementos de alta toxicidad, como el cobre).el panorama de la química prebiótica debido a Otro dato que favorece el modelo hidrotermalque la profundidad de los mares proporcionaba es la estructura cristalina de los minerales,protección contra las condiciones adversas impe- aparentemente la única –hasta donde sabemosrantes en la superficie terrestre primigenia, y a hoy– capaz de efectuar la imprescindibleque la complejidad de los sistemas hidrotermales separación de los compuestos orgánicos según suproporciona una gran variedad de condiciones quiralidad (levógiros y dextrógiros) en un medioque se consideran necesarias para el origen de la ambiente sin vida. El experimento de Millervida. Estos entornos permiten un intervalo más produce aminoácidos de ambos tipos en aproxi-amplio de grados de acidez y de condiciones madamente la misma proporción, en tanto lareductoras que las aguas marinas en sí. Cuentan materia viva muestra un marcado predominio deademás con minerales de muy interesante las moléculas levógiras sobre las dextrógiras,comportamiento químico, como el grupo de las aunque sabemos que existe, por ejemplo, unazeolitas o las arcillas del grupo de la esmectita adherencia diferencial de moléculas orgánicas en(montmorillonita). También dependen de la ener- cristales de calcita (Hazen 2001). Todo ellogía geotérmica, con lo cual se evita la influencia abona la posibilidad de que en un ambientenociva de la radiación ultravioleta asociada a la abundante en minerales, como el hidrotermal, losenergía solar. Y como posible fuente alternativa compuestos levógiros, una vez separados, sede energía presentan una gran diversidad de verían privilegiados por la selección naturalreacciones químicas exotérmicas, lo que pudiera frente a los dextrógiros, los cuales terminaríanser aprovechado para los inicios del metabolismo. por desaparecer. De acuerdo con todo esto, la hipótesis A todo esto se suma que mientras el agua dehidrotermal postula que la vida surgió en los los primeros océanos era ligeramente ácidamanantiales termales submarinos, que contenían debido a la elevada concentración de dióxido deH2S y Fe lixiviado por los fluidos calientes de la carbono en su seno, los sistemas hidrotermales seprimitiva corteza basáltica, rica en este metal. En mueven en un estrecho margen en torno a lael fondo oceánico, estas sustancias reaccionaban neutralidad. Los fluidos hidrotermales, asimismo,entre sí para precipitar FeS en cristales micros- muestran un rango de salinidad muy amplio, quecópicos, que constituyen las chimeneas o va desde agua prácticamente dulce hasta aguamontículos que se forman sobre las ventanas saturada en cloruro sódico. Sabemos de hechohidrotermales en el piso oceánico. Desde muy que que los iones hierro, sodio, cloruro, magnesioantiguo se considera el hidrotermalismo como la y calcio, aun en concentraciones bajas, perjudicanetapa final de un ciclo magmático que tanto la formación de membranas celulares comogeneralmente incluye actividad volcánica, la cual, la polimerización del RNA (Monnard et al.a su vez, es el medio por el cual la Tierra trans- 2002).fiere calor de su interior a su superficie. Bien No han faltado las sugerencias para combinarpudiera suponerse que un sistema hidrotermal la hipótesis hidrotermal con la idea de la charcarepresenta las condiciones de nuestro planeta en darviniana, señalando que el lugar más favorablela época en que se originó la vida, puesto que los para el origen de la vida sería efectivamente uncomponentes de los fluidos hidrotermales proba- entorno hidrotermal, pero terrestre (Nisbet 1986).blemente dieron origen primero a la atmósfera, y En un ambiente hidrotermal somero –situado endespués a los océanos. aguas poco profundas– se concentrarían más El modelo hidrotermal introduce una mayor fácilmente que en el océano, metano, amoníaco ycomplejidad ambiental que en la teoría de fosfatos, con una acidez ligeramente reducida yOparin- Haldane. A causa de tal complejidad, en una temperatura de unos 40°C. El hidroterma-los sistemas hidrotermales podrían combinarse lismo produciría zeolitas, arcillas y sulfuros delos fenómenos conjeturados por otras hipótesis, metales pesados que proporcionarían las super-como el efecto estructural de las arcillas. En ficies catalíticas, el tamiz molecular en el cual elefecto, la parte superior de la corteza oceánica RNA sería ensamblado y los poros en los queestá formada por rocas volcánicas en cuya estaría contenido.composición predominan los feldespatos. El aguacaliente y rica en componentes volátiles de los Coacervados y microesferassistemas hidrotermales, modifica de diferentesmaneras estos feldespatos, dando origen a En el supuesto de que tuviésemos un conjuntominerales hidratados llamados de alteración de pequeñas moléculas biológicas o prebiológicashidrotermal. Entre ellos destacan las zeolitas y las aptas para interaccionar progresivamente entre síarcillas, que pueden ser de diversas compo- hasta constituir un protosistema vivo, necesita-siciones. A buen seguro, las excepcionales ríamos aún de algún tipo de estructura quepropiedades químicas de estos materiales actuase como barrera o frontera entre nuestrocoadyuvaron tanto en el inicio de la vida, como sistema y el medio circundante. De no ser así - 11 -
  8. 8. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidacorreríamos el grave riesgo de que este delicado microesferas proteinoides (Fox y Harada 1958:;grupo de biomoléculas en interacción se diluyese Fox et al. 1959; Fox y Harada 1960; Fox et al.y desapareciese como tal, o bien que en la trama 1963; Krampitz y Fox 1969; Dose 1974; Foxde reacciones concertadas precursoras del 1974; Fox et al. 1974; Oró 1974; Nakashima ymetabolismo actual interfiriese algún producto Fox 1980; Prybylski y Fox 1984; Peterson 1985;venenoso que diese al traste con todo. Es evidente Ponnamperuma y Chela-Flores 1995; Bahn et al.que la estabilidad y la organización inherentes a 2006; Kolesnikov et al. 2008).un sistema prebiótico exigen sin falta un cierto Desde luego, merece la pena resaltar que tantoaislamiento del medio ambiente que lo rodea. los coacervados como las microesferas no sonAhora bien, ¿qué puede actuar en calidad de esa más que analogías entre modelos bioquímicosbarrera separadora? muy simplificados y las células vivas indecible- Esa problemática no escapó a la atención del mente más complicadas. Sin embargo, sonpatriarca ruso de las investigaciones sobre el analogías muy sugerentes, pues indican con granorigen de la vida. Oparín respondió con el estudio claridad el tipo de comportamientos complejosde unas estructuras llamadas "coacervados": que cabe esperar en sistemas de macromoléculasagregados de polímeros que toman la forma de sometidas a la sola acción de los agentesgotitas en suspensión dentro de un medio naturales. La vida, ciertamente, reclama muchoprincipalmente acuoso. La diferencia de polari- más que eso para ser considerada como tal. Ladad eléctrica provoca que ambas clases de capacidad de crecer y desarrollarse -asimilandomoléculas -agua y polímeros- se separen en dos materiales del medio ambiente y transfiriéndolesfases, de tal modo que las macromoléculas la organización interna del ser vivo- reproducirseorgánicas se aglutinan en forma globular y -engendrando descendientes con propiedadesproducen el coacervado. Oparín y sus colabora- semejantes a los de sus progenitores- ydores descubrieron que una manera de estabilizar evolucionar -demostrando su capacidad parael coacervado durante horas, días o incluso adquirir nuevas funciones que incrementen susemanas, era dotarles de un metabolismo aptitud para la supervivencia- son requisitosprimitivo mediante la adición de algunos enzimas insoslayables que debe cumplimentar todo aquelsencillos en su interior. Estos enzimas realizaban sistema que desee recibir el calificativo dereacciones simples de polimerización a partir de "viviente".sustancias disueltas en el medio que difundían Además del papel que pudieron desempeñar loshacia el interior del coacervado. Otra caracterís- procesos de compartimentación -por ejemplo, atica interesante es que cuando las gotitas de través de la formación membranas- no debemoscoacervados alcanzan un tamaño excesivo, olvidar las múltiples hipótesis mecanísticastienden a escindirse espontáneamente dando lugar acerca de la formación de moléculas como lasa gotitas hijas con similares propiedades. En bases heterocíclicas, los azúcares (mediante laexperimentos sucesivos, el grupo de Oparín reacción autocatalítica de la formosa), y porpreparó coacervados en los que se simulaban supuesto todo el mundo del ARN, e incluso lasreacciones biológicas como la polimerización de hipótesis más recientes con “ácidos péptido-azúcares, producción de ácido poliadenílico o nuclélicos”, híbridos de péptidos y ácidossistemas de transporte electrónico semejantes a nucleicos. En ciertos modelos sobre el origenlos fotosintéticos. químico de la vida, los ácidos péptido-nucléicos En la misma línea de Oparín, pero desde otro podrían haber actuado como antecesores de lasángulo, el profesor Sidney Fox, del Instituto de moléculas de ARN primero y de las de ADNEvolución Molecular de Miami (EE.UU.), ha después (Egholm et al. 1993, Wittung et al. 1994,preferido indagar el curioso fenómeno por el que Nelson et al. 2000, Orgel 2004, Zimmer 2009).a altas temperaturas los aminoácidos tienden aencadenarse aleatoriamente constituyendo los Hiperciclos molecularesdenominados "proteinoides", dotados de propie-dades catalíticas respecto a las reacciones Algunos investigadores, como Manfred Eigenquímicas ordinarias. Los proteinoides se agregan y Harold Morowitz, han dedicado su atención a laespontáneamente entre 130ºC y 180ºC para hipótesis de que el ARN y un rudimentarioformar microesferas (1-2 micrómetros de diáme- metabolismo se hubiesen desarrollado a través detro) que desarrollan una demarcación externa complejos esquemas de interacciones cooperati-análoga a una membrana biológica corriente, a vas y autorreguladas denominados “hiperciclos”,pesar de que no haya lípidos presentes (Léourier en los que también pudieron participar proteínas1988.). Estas microesferas, siendo de naturaleza primigenias (Eigen 1971, Eigen y Schuster 1979,proteica, hacen gala de una actividad catalítica Eigen y Winkler 1993). Estos hiperciclos nosintrínseca (descomposición de glucosa, ruptura de brindan uno de los primeros y más diáfanosenlaces éster, adición de peróxidos). Ello ha ejemplos de fenómeno antiselectivo, es decir,llevado a Fox a pensar que los primeros enzimas, opuesto a las expectativas de la selección naturaly tal vez las células primitivas, evolucionaron darwinista. La delicada interconexión entre laspartiendo de estructuras parecidas a las redes de reacciones que componen los - 12 -
  9. 9. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidahiperciclos, no determina el predominio de las mecanismos exactos que permitieron la evoluciónmás estables, más homogéneas o con mayor molecular de los primeros organismos vivos, sí alpoder catalítico (en otras palabras, las redes menos aquilatar los factores que hubieron demejor adaptadas), sino que todo depende de intervenir. A la luz de estos descubrimientos,condiciones iniciales como la concentración Darwin sin duda se hubiera sentido reivindicadorelativa de las moléculas de una red frente a las por la situación actual. Además, los vínculos dede otras. Ocurre en ocasiones que es el puro azar la química prebiótica con disciplinas como lade las condiciones iniciales el que decide el exobiología o la microbiología de los organismosfuturo de ciertos sistemas autorreplicativos, como extremófilos, redundará sin duda en beneficio deexplican unos expertos españoles en química todas ellas.prebiótioca (Montero y Sanz 1993): “…El tipo de red que sea elegida desde el Agradecimientosprimer momento va a condicionar de manerafundamental la naturaleza de la información que Debo a mi amigo Juan Leon, del Instituto dese va a seleccionar; información que, posterior- Matemáticas y Física Fundamental del CSIC, elmente va a poder evolucionar, pero por un acceso a bibliografía específica que me hacamino dirigido, (…). Es decir, hay decisiones resultado de gran ayuda. Las numerosasque se toman de una vez para siempre, sesgando conversaciones sobre este tema con mis colegas ylas posibilidades que el sistema tiene para elegir. también amigos, los químicos Pedro David(…). La elección inicial marcará un camino que Crespo Miralles y Federico Pastor Vicent, haninevitablemente se debe seguir para siempre. contribuido sin duda a perfilar y aquilatar muchas(…). Posiblemente muchos mecanismos que de las ideas contenidas en el texto.aparecen en el sistema biológico, y para loscuales no se encuentra una explicación causalclara, tengan este origen. Entre estas propiedades REFERENCIASdestaca la quiralidad de las moléculas biológicas,y la posibilidad de que el código genético sea un Bahn, P., Pappelis, A. y Bozzola, J. 2006.accidente congelado, lo que explicaría su Protocell-like microspheres from thermaluniversalidad (…).” polyaspartic acid. Origins of Life and Evolution Recientes investigaciones teóricas y experi- of Biospheres 36: 617-619.mentales han ampliado el número de puntos de Bernal, J.D. 1961. Significance of carbonaceousvista mediante los cuales abordar este interesante meteorites in theories on the origin of life.problema. Uno de ellos sugiere la intervención de Nature 190: 129–131.procesos fotoquímicos asimétricos –en particular Bonner, W. 1991. The origin and amplification ofla fotolisis asimétrica– debidos a luz circular- biomolecular chirality. Origins of Life andmente polarizada. Las más importantes fuentes de Evolution of Biospheres 21: 59-111.luz circularmente polarizada (el Sol es dema- Bonner, W.A. y Rubenstein, E. 1987.siado débil y aleatorio en ese aspecto), suelen Supernovae, neutron stars and biomolecularasociarse con la radiación sincrotrón de las chirality. Biosystems 87: 99-111.estrellas de neutrones que quedan como residuos Cairns-Smith, A.G. 1985. Seven Clues for thede las explosiones de supernovas (Bonner 1991; Origin of Life. Cambridge Univ. Press.Bonner y Rubenstein 2003). Dose, K. 1974. Chemical and catalytical Otras posibilidades prefieren insistir en la properties of thermal polymers of amino acidsinfluencia de factores muy diversos: las desinte- (proteinoids). Origins of Life and Evolution ofgraciones beta causadas por la fuerza nuclear Biospheres 5: 239-252.débil, polvos de cuarzo óptimamente activos que Eberhard, G. 2001. Interplanetary Dust. Springer.intervinieron durante la transición de la química Egholm, M., Buchardt, O., Christensen, L.,abiótica a la biológica, la aparición fortuita de un Behrens, C., Freier, S.M., Driver, D.A., Berg,polímero quiral que actuó como molde para las R.H., Kim, S.K., Nordén, B. y Nielsen, P.E.siguientes biomoléculas, o la presencia de 1993. PNA hybridizes to complementarycampos magnéticos que produjeron un efecto oligonucleotides obeying the Watson-Crickaleatorio de dicroismo magnético (Guijarro y Yus hydrogen bonding rules. Nature 365: 566-568.2009). Eigen, M. 1971. Self-organization of matter and the evolution of biological macromolecules.Conclusiones Naturwissenschaften 58: 465-523. Eigen, M. y Schuster, P. 1979. The Hypercycle: A La química prebiótica ha ido adquiriendo con Principle of Natural Self-Organization.los años una sólida base teórica y experimental Springer.que augura un futuro prometedor para sus Eigen, M. y Winkler, R. 1993. The Laws of theinvestigaciones. Un conocimiento más profundo Game: How The Principles of Nature Governde las condiciones reinantes en la Tierra primitiva Chance. Princeton Univ. Press.podrían, sin llegar acaso a determinar los - 13 -
  10. 10. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaFollmann, H. y Brownson, C. 2009. Darwin’s 1996. Search for past life on Mars: possible warm little pond revisited: from molecules to relic biogenic activity in martian meteorite the origin of life. Naturwissenschaften 96: ALH84001. Science 273: 924–930. 1265–1292. Miller, S.L. 1953. Production of amino acidsFox, S.W. 1974. The proteinoid theory of the under possible primitive Earth conditions. origin of life and competing ideas. The Science 117: 528–529. American Biology Teacher 36:161-172 Miller, S.L. y Urey, H.C. 1959. OrganicFox, S.W. y Harada, K. 1958. Thermal compound synthesis on the primitive Earth. copolymerization of amino acids to a product Science 130: 245–251. resembling protein. Science 128: 1214-1218. Monnard, P.A., Apel, C.L., Kanavarioti, A. yFox, S.W. y Harada, K. 1960. The thermal Deamer, D.W. 2002. Influence of ionic copolymerization of amino acids common to inorganic solutes on self-assembly and protein. J. Am. Chem. Soc. 82: 3745-3751 polymerization processes related to early formsFox, S.W., Harada, K. y Kendrick, J. 1959. of life: Implications for a prebiotic aqueous Production of spherules from synthetic medium. Astrobiol. 2: 139–152. proteinoid and hot water. Science 129: 1221- Montero, F., Sanz, J.C. y Andrade, M.A. 1993. 1223. Evolución Prebiótica: el Camino hacia la Vida.Fox, S.W., Harada, K., Woods, K.R. y Windsor, Eudema. C.R. 1963. Aminoacids Composition of Nakashima, T. y Fox, S.W. 1980. Synthesis of Proteinoids. Arch. Biochem. Biophys. 102: 439- peptides from amino acids and ATP with 445. lysine-rich proteinoid. J. Mol. Evol. 15: 161-Fox, S.W., Jungck, J.R. y Nakashima, T. 1974. 168. From proteinoid microsphere to contemporary Nelson, K.E., Levy, M. y Miller, S.L. 2000. cell: Formation of internucleotide and peptide Peptide nucleic acids rather than RNA may bonds by proteinoid particles. Origins of Life have been the first genetic molecule. Proc. and Evolution of Biospheres 5: 227-237. Natl. Acad. Sci. USA 97: 3868–3871.Guijarro, A. y Yus, M. 2009. The Origin of Nisbet, E.G. 1986. RNA and hot-water springs. Chirality in the Molecules of Life: A Revision Nature 332: 206-211. from Awareness to the Current Theories and Oparín, A.I. 1980. El Origen de la Vida. Akal. Perspectives of this Unsolved Problem. Royal Orgel L. 2004. Prebiotic chemistry and the origin Society of Chemistry. of the RNA world. Critical Rev. Biochem. Mol.Hazen, R.M. 2001. Lifes rocky start. Sci. Am. Biol. 39: 99–123. 284: 76–85. Oró, J. 1974. Cosmochemical evolution and theHuber, C. y Wächtershäuser, G. 1997. Activated origins of life. Proceedings of the fourth acetic acid by carbon fixation on (Fe,Ni)S International Conference on the Origin of Life under primordial conditions. Science 276: 245- and the first meeting of the International 247. Society for the Study of the Origin of Life,Huber, C. y Wächtershäuser, G. 1998. Peptides Barcelona, June 25-28, 1973. Springer. by activation of amino acids with CO on Pereto, J., Bada, J.L. y Lazcano, A. 2009. Charles (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of Darwin and the Origin of Life. Origins of life life. Science 281: 670-672. and Evolution of Biospheres 39: 395-406.Kolesnikov, M.P., Telegina, T.A., Lyudnikova, Peterson, I. 1985. Proteinoids: Clues to Cellular T.A. y Kritsky, M.S. 2008. Abiogenic Origins?. Bioscience 35: 74-76. photophosphorylation of ADP to ATP Ponnamperuma, C. y Chela-Flores, J. 1995. sensitized by flavoproteinoid microspheres. Chemical evolution: structure and model of the Origins of Life and Evolution of Biospheres 38: first cell. Conference on the Structure and 243-255. Model of the First Cell (ICTP) held in Trieste,Krampitz, G. y Fox, S.W. 1969. The Italy on 29 August-2 September 1994. J. Biol. condensation of the adenylates of the amino Phys. 20: 1-4. acids common to protein. Proc. Natl. Acad. Sci. Prybylski A.T. y Fox, S.W. 1984. Excitable USA 62: 399-406. artificial cells of proteinoid. Appl. Biochem.Leinert, C. y Gruen, E. 1990. Interplanetary Biotechnol. 10: 1-3. Dust. Physics and Chemistry in Space. Wächtershäuser, G. 1990. Evolution of the first Springer-Verlag. metabolic cycles. Proc. Natl. Acad. Sci. USALéourier, Ch. 1988. El Origen de la Vida. Istmo. 87: 200-204.Markwick-Kemper, F., Gallagher, S. C., Hines, Wächtershäuser, G. 1997. The origin of life and D.C. y Bouwman, J. 2007. Dust in the wind: its methodological challenge. J. Theor. Biol. crystalline silicates, corundum, and periclase in 187: 483-494. PG 2112+059. Astrophys. J. 668: 107-110. Wittung, P., Nielsen, P.E., Buchardt, O., Egholm,McKay, D.S., Gibson, E.K., Jr, Thomas-Keprta, M. y Nordén, B. 1994. DNA-like double helix K.L., Vali, H., Romanek, C.S., Clemett, S.J., formed by peptide nucleic acid. Nature 368: Chillier, X.D., Maechling, C.R. y Zare, R.N. 561-563. - 14 -
  11. 11. R. A. Alemañ Berenguer – Origen de la vidaZimmer, C. 2009. On the origin of life on Earth. Science 323: 198–199.Información del Autor R.A. Alemañ Berenguer es Licenciado enQuímica (especialidad Bioquímica) por laUniversidad de Valencia y en Física (especialidadFundamental) por la UNED, doctorando en ladivisión de óptica del Dpto. de Ciencia deMateriales, Óptica y Tecnología Electrónica de laUniversidad Miguel Hernández de Elche. Suactividad como investigador colaborador en dichauniversidad se desarrolla en el grupo debiomateriales, y en concreto en el estudio delalmacenamiento óptico de información mediantemétodos holográficos en materiales de origenbiológico (proteínas fotosensibles). Es tambiénautor de diversos libros y artículos divulgativossobre física y biología evolucionista, recensor dela revista Latin American Journal of PhysicsEducation, y asesor del programa radiofónico dedivulgación científica Adelantos en OndaRegional de Murcia. - 15 -

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