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