Abiogénesis: el enigma del origen (I)

Tengo el blog un tanto abandonado. Un proyecto con fecha límite de entrega me tiene secuestrado y casi se me han agotado las reservas para emergencias. Por suerte, he recordado que tenía cierto ensayo inédito que podría utilizar (además, tiene bastante que ver con el proyecto que os mencionaba). No sólo eso, sino que por su longitud me da para dos entradas.

Aquí no hay ficción, sólo ciencia. ¿Pero acaso no es la ciencia algo maravilloso?

Abiogénesis: el enigma del origen

Pocos misterios científicos resultan más herméticos y trascendentales que el del origen de la vida. ¿Cómo, de una mezcolanza de átomos y moléculas inertes, se organizó el primer sistema aislado y autorreplicativo, capaz de invertir localmente la entropía para crear orden dentro del caos? ¿Se trató de una carambola inconcebible o es el resultado inevitable de la dinámica evolutiva de un planeta tipo Tierra? Está en juego nada menos que saber si nos encontramos solos en el Universo o si éste bulle de vida, esperando a que la descubramos (o nos descubra). Si hoy en día podemos hacernos esta pregunta es gracias a un protoorganismo ancestral, que hace quizás 3.700 millones de años llevó a cabo el truco de magia más extraordinario que pueda imaginarse: surgir de la nada, ocupando un nivel de organización inédito, para diversificarse durante eones hasta dar lugar a todos los seres vivos que conocemos, incluido el hombre.

“DNA Embraces the Planets”, Jon Lomberg  

El término abiogénesis se refirió en su origen a las primeras teorías científicas que intentaron abordar la cuestión a partir de la observación y que surgieron, cómo no, en la Grecia Clásica. La aparición, sin que pudiera observarse la intervención de ningún ser vivo, de gusanos en el fango o larvas de moscas en la carne en putrefacción, llevó a muchos filósofos, incluyendo al pilar del conocimiento occidental, Aristóteles, a proponer la generación espontánea de vida simple a partir de la materia inerte. La autoridad de los sabios helenos en materia de ciencia propició que esta idea se mantuviera incuestionada hasta bien entrado el siglo XVII.

De la abiogénesis a la biopoiesis

El primer golpe contra esta creencia lo propinó un médico italiano, Francesco Redi, quien en 1668 realizó un experimento muy simple, cubriendo con una gasa un pedazo de carne. Esta barrera no prevenía la descomposición, pero sí impedía que las moscas pudieran depositar sus huevos en la materia en putrefacción, desmontando de este modo una de las evidencias en que se sustentaba la teoría. Por supuesto, esto sólo empujaba el tipo de vida creado por generación espontánea a formas más simples, como los microorganismos, hasta que en 1861 Louis Pasteur logró crear unas condiciones verdaderamente estériles en las que se prevenía la proliferación incluso de los microorganismos en un medio adecuado.

Louis Pasteur en su laboratorio,  Albert Edelfelt, 1885

Se había pasado, por tanto, del concepto de abiogénesis aristotélico al de biogénesis, resumido en la frase Omne vivum ex vivo (Toda vida procede de vida). Claro que, habida cuenta de que la Tierra misma tiene un origen concreto, en algún momento debió darse un proceso abiogenético que hiciera surgir seres vivos de la materia inorgánica, y si no fue en la Tierra, en algún otro enclave, pues ni siquiera los propios átomos que la forman son eternos, sino que fueron creados en el interior de una estrella. El caso es que, de algún modo y en algún lugar, se debió verificar una abiogénesis.

Fue Charles Darwin el primero que sugirió la solución que en la actualidad se considera más probable. En 1871, en una carta a un amigo, escribía que la vida podría haberse originado en un “pequeño estanque caliente, con todo tipo de sales de fósforo y amoníaco, luz, calor, electricidad, etc. presentes, de modo que se formen químicamente los componentes proteicos, listos para abordar cambios más complejos”. Sin embargo, la primera aportación científica significativa al problema no se efectuó hasta 1924, cuando Aleksandr Ivanovich Oparin demostró que una atmósfera oxidante impedía la formación de compuestos orgánicos y sugirió que las primeras biomoléculas se habrían formado en condiciones anóxicas en una sopa primordial donde se acumularían hasta formar coacervados o inclusiones, donde podrían darse reacciones similares a las metabólicas. En 1929, el británico J.B.S. Haldane llegó de forma independiente a las mismas conclusiones. El proceso por el cual la materia viva se originaría a partir de moléculas inertes autorreplicativas se conoce como biopoiesis.

Aleksandr Oparin y Andrei Kursanov
Fotografía de Pavel Troshkin, 1938

Las condiciones prebióticas

En la actualidad, puede rastrearse la vida hasta los 3.500 millones de años, antigüedad que presentan las rocas con fósiles (estromatolitos y cianobacterias) más viejas. Dado que no existen formaciones inalteradas mucho más antiguas, el acontecimiento podría haber tenido lugar tan pronto como hace 4.000 millones de años, cuando se formó la primera hidrosfera, aunque los energéticos impactos de meteoritos hacen que sea dudosa la presencia de vida antes de 3.700 millones de años atrás. Justo de este período serían unas muestras, halladas en Groenlandia, que podrían presentar la huella de la más pretérita alteración biológica, reflejada en una proporción C12/C13 que denotaría actividad fotosintética.

Estromatolitos fósiles

La datación exacta del origen de la vida reviste gran importancia, ya que es fundamental para determinar las condiciones en que se produjo. La más crucial parece ser la naturaleza de la atmósfera primitiva, que se especula que pudo ser reductora o, en todo caso, anóxica. Esta condición es imprescindible para la estabilidad de los compuestos orgánicos y parece estar apoyada por el estado de oxidación de los minerales más antiguos. Al parecer, tras el barrido de la atmósfera primigenia por los vientos solares, se formó una segunda a partir de las emanaciones volcánicas, que consistía en vapor de agua (que se condensó formando los océanos), CO2 (que reaccionó con los silicatos para formar calizas), oxígeno (que reaccionó con los minerales de la corteza oxidándolos), nitrógeno, amoníaco y metano, que serían los tres componentes principales de una atmósfera reductora. Sin embargo, esta distribución ha sido atacada bajo la premisa de que los rayos ultravioleta no tardarían mucho en destruir tanto el amoníaco como el metano, obteniéndose por tanto una atmósfera eminentemente neutra (nitrógeno, vapor de agua, CO2 y algo de hidrógeno).

En cuanto a los océanos, al formarse por decantación en las zonas bajas del agua de escorrentía, pronto adquirieron su carácter salino, con gran cantidad de minerales disueltos. Estos mares cálidos y ricos en compuestos, sometidos a la acción energética del Sol (así como a descargas eléctricas y desintegración radiactiva) y en presencia de una atmósfera neutra, constituyeron el caldo primordial con que especularon Oparin y Haldane y que ya había avanzado el propio Darwin.

La evolución precelular

Antes de la evolución biológica debió darse otra química que originara los compuestos que luego iban a emplear las células. El experimento clave para abordar esta cuestión lo realizaron Stanley Miller y Harold Urey en 1953. Recrearon la atmósfera reductora primitiva en un matraz y le proporcionaron energía a partir de descargas eléctricas. Al cabo de unos días, encontraron que se habían formado moléculas orgánicas sencillas (aminoácidos, aldehídos, algún ácido carboxílico…), además de un alquitrán poco estructurado. La utilización posterior de una atmósfera neutra demostró que los resultados eran muy dependientes de la proporción entre hidrógeno y dióxido de carbono, y puso de manifiesto la necesidad de metano o algún otro reductor en el medio. Experimentos ulteriores, como los realizados por Calvin, Oró o Ponnamperuma, permitieron la formación de bases nitrogenadas, azúcares, ATP y muchas otras moléculas. Quedaba, eso sí, sin demostrar cómo, a partir de ellas, se formaban las grandes macromoléculas orgánicas, como las proteínas, las grasas y los ácidos nucleicos.

Reproducción del experimento de Urey y Miller

El gran problema de la polimerización en un medio acuoso es que es una reacción que produce agua, de modo que precisa una elevada concentración de sustrato, un mecanismo para eliminar el agua producida o acoplar la reacción con otra que libere energía. La polimerización pudo tener lugar en zonas donde se verificara una fuerte evaporación que concentrara los monómeros (aunque con el problema de que muchos sustratos son volátiles). También podría facilitarse por la adsorción de las moléculas sobre la superficie de minerales corrientes, que actuarían como catalizadores. Entre los candidatos estarían las micas y las arcillas. Las macromoléculas, protegidas de la radiación ultravioleta, en ausencia de oxígeno atmosférico y de vida (que las consumiría), pudieron ir así acumulándose en las lagunas o mares primitivos.

Otra opción sería el origen extraterrestre de las moléculas orgánicas (no me refiero aquí a organismos completos). En el espacio profundo se han detectado numerosos compuestos orgánicos (en la nube de Oort, por ejemplo), que podrían haber sido transportados hasta la superficie de la Tierra por cometas o meteoritos. La hipótesis extrema, que sitúa el origen de la vida fuera del planeta (panspermia) no ha conseguido ningún apoyo experimental.

Queda mucho camino por delante para configurar el primer ser vivo. El resto del proceso, en la entrada siguiente.

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~ por Sergio en mayo 5, 2011.

4 comentarios to “Abiogénesis: el enigma del origen (I)”

  1. Muy buena entrada.

    Desde que comencé a machacar células, allá por los primeros noventa, me fijé rápidamente en dos cosas que tienen en común todas, posiblemente relacionadas con su origen y con conceptos que ya has mencionado:

    -Para que los extractos funcionen (es decir, para que las enzimas sean activas), los tampones de extracción necesitan un buen montón de guarreatos reductores o que, al menos, prevengan de la oxidación del extracto. Todo lo que sea oxidante, en particular las especies reactivas de oxígeno (oxígeno molecular, agua oxigenada, ión hidroxilo, anión superóxido, en fin, todo lo que en cosmética se llama radicales libres), afectan a las actividades enzimáticas, y no debe de ser por casualidad. El único caso de enzima que encontré que para tener una actividad plena requería cierta oxidación, en particular en un par de cisteínas, era la reductasa del nitrato de un dinoflagelado del mar de Galilea. Normalmente las cisteínas oxidadas te estropean la actividad.

    -Las células recrean, mediante múltiples ATPasas y numerosos canales iónicos, unas condiciones que se parecen mucho a lo que sería un mar más o menos primigenio (en su inmediación las vegetales, que meten potasio y expulsan sodio, y en su interior las animales, que expulsan potasio y meten sodio). Es una generalización, que conste.

    Es decir, todavía hoy las células están “cómodas” en ambientes (sobre todo citoplásmico, o al menos en el apoplasto en el caso de los vegetales) muy similares a los marinos, aunque no tan salinos como los ecosistemas marinos actuales, claro está, y si evitan oxidaciones excesivas y espontáneas.

  2. Quería añadir que al igual que la atmósfera es oxidante por culpa de unos vegetales, las cianobaterias, pues el oxígeno es un producto de deshecho de su metabolismo, la culpa de que el mar esté compuesto fundamentalmente por ClNa disuelto y bastante concentrado la tienen los vegetales continentales (es decir, la mayor parte de la biomasa continental, si contamos plantas y algas), que van permitiendo que el sodio y el cloro, a los que no quieren ver ni en pintura en su interior, sigan el curso de los ríos hasta llegar al mar, de donde estos iones ya prácticamente no salen.

  3. Hola, Federico.

    Gracias por tu aporte. Algo de lo que comentas lo trato en la segunda parte del artículo (aunque de un modo un poco menos especializado).

    Lo cierto es que resulta fascinante intentar desentrañar la cadena causal que ha desembocado en nosotros (y en cualquier otro ser vivo del planeta). ¿Cuánto es imprescindible y cuánto azaroso? ¿Cuánto de lo que nos puede parecer azaroso está en realidad predeterminado por conexiones que simplemente no somos capaces de establecer?

  4. necesito resumen de abiogenistay biogenista

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