Hipótesis sobre el origen de la vida

La teoría de Oparin-Haldane, el experimento de Miller y Urey y el mundo del ARN.

fuente: https://es.khanacademy.org/

Puntos más importantes:

• La Tierra se formó aproximadamente hace 450045004500 millones de años y la vida probablemente comenzó hace 350035003500-390039003900 millones de años.
• Según la teoría de Oparin-Haldane, la vida surgió poco a poco a partir de moléculas inorgánicas: primero, se formaron “unidades estructurales” como aminoácidos y luego se combinaron para dar paso a polímeros complejos.
• Con el experimento de Miller y Urey se demostró por primera vez que las moléculas orgánicas necesarias para la vida podían formarse a partir de componentes inorgánicos.
• Algunos científicos avalan la hipótesis del mundo del ARN, en la que se sugiere que el primer paso hacia la vida fue un ARN que se autoduplicaba. Otros favorecen la hipótesis del primer metabolismo, al colocar redes metabólicas antes del ADN o ARN.
• Los compuestos orgánicos simples podrían haber llegado a la Tierra, en sus inicios, en meteoritos.

Introducción

Si hubiera otra vida en el universo, ¿crees que sería similar a la vida en la Tierra? ¿Utilizarían ADN como su material genético, tal como tú o yo? ¿Estarían formados de células?

Solo podemos especular sobre estas preguntas, puesto que todavía no hemos encontrado ninguna forma de vida ajena a la Tierra. Sin embargo, podemos pensar de una manera más informada sobre si podría existir vida en otros planetas (y en qué condiciones) teniendo en cuenta cómo la vida pudo haber surgido en el nuestro.

En este artículo, analizaremos las ideas científicas sobre el origen de la vida en la Tierra. El cuándo del origen de la vida (350035003500 millones de años o más) puede corroborarse con los fósiles y la datación radiométrica. No obstante, el cómo no se comprende tan fácilmente. En comparación con el dogma central o la teoría de la evolución, las teorías sobre el origen de la vida son mucho más... hipotéticas. Nadie está seguro de cuál hipótesis es la correcta, o si la hipótesis correcta todavía se encuentra dando vueltas por ahí, esperando ser descubierta.

¿Cuándo surgió la vida en la Tierra?

Los geólogos calculan que la Tierra se formó hace alrededor de 450045004500 millones de años. Esta estimación se obtuvo tras medir la edad de las rocas más antiguas de la Tierra, así como las edades de rocas de la Luna y meteoritos, con la datación radiométrica (en la cual se utiliza la descomposición de isótopos radiactivos para calcular el tiempo transcurrido desde la formación de una roca).

Durante muchos millones de años, la Tierra temprana recibió el impacto de asteroides y otros objetos celestes. Además, las temperaturas eran muy altas (el agua tomaba la forma de un gas, no de un líquido). Los primeros indicios de vida pudieron surgir durante una pausa en el bombardeo de asteroides, hace unos 440044004400 o 400040004000 millones de años, cuando la Tierra estaba lo suficientemente fría como para que el agua se condensara en los océanos^11start superscript, 1, end superscript. Sin embargo, se produjo un segundo bombardeo hace unos 390039003900 millones de años. Es probable que después de este ciclo final la Tierra lograra tener condiciones para la vida continua.

Los primeros indicios de vida fósil

Los primeros indicios de vida en la Tierra provienen de fósiles descubiertos en Australia Occidental, que datan de hace 350035003500 millones de años. Estos fósiles son de estructuras conocidas como estromatolitos que, en muchos casos, se formaron con el crecimiento de capa tras capa de microbios unicelulares, tales como cianobacterias (los estromatolitos también se forman con microbios actuales, no solo prehistóricos).

Crédito de la imagen: "Estromatolito", de Didier Descouens, CC BY-SA 4.0

Los primeros fósiles de microbios, en lugar de solo sus subproductos, conservan los restos de lo que los científicos creen son bacterias metabolizadoras de azufre. Los fósiles también provienen de Australia y datan de hace unos 340034003400 millones de años^22squared.

Las bacterias son relativamente complejas, lo cual indica que la vida probablemente comenzó mucho antes que hace 350035003500 millones de años. Sin embargo, la falta de indicios de vida fósil anterior dificulta (o hace imposible) determinar con precisión el momento en que se originó la vida.

¿Cómo pudo surgir la vida?

En la década de 1920, los científicos ruso Aleksandr Oparin e inglés J. B. S. Haldane propusieron de manera independiente la ahora llamada teoría de Oparin y Haldane: la vida en la Tierra podría haber surgido paso a paso de materia no viva a través de un proceso de “evolución química gradual”^33cubed.

Oparin y Haldane pensaban que la Tierra en sus inicios tenía una atmósfera reductora —es decir, con una muy baja concentración de oxígeno—, en la cual las moléculas tienden a donar electrones. En estas condiciones, ellos sugirieron que:

• Moléculas inorgánicas simples pudieron haber reaccionado (con energía de rayos o el sol) para formar unidades estructurales, como aminoácidos y nucleótidos, que pudieron haberse acumulado en los océanos para formar una "sopa primordial"^33cubed.
• Los ladrillos pudieron haberse combinado en otras reacciones para formar moléculas más grandes y complejas (polímeros), como proteínas y ácidos nucleicos, tal vez en pozos en la orilla del agua.
• Los polímeros pudieron haberse ensamblado en unidades o estructuras que fueran capaces de mantenerse y duplicarse a sí mismas. Oparin pensaba que estas pudieron ser “colonias” de proteínas agrupadas para llevar a cabo el metabolismo, mientras que Haldane indicó que las macromoléculas quedaron encerradas por membranas para formar estructuras similares a las células^{4,5}4,5start superscript, 4, comma, 5, end superscript.

Los detalles de este modelo probablemente no son del todo correctos. Por ejemplo, los geólogos hoy en día piensan que la atmósfera no era reductora y no está claro si los primeros indicios de vida surgieron en los pozos a la orilla del mar. No obstante, la idea básica —una formación espontánea paso a paso de moléculas o ensambles biológicos simples, después más complejos y luego autosustentables— todavía es el elemento central de la mayoría de hipótesis sobre el origen de la vida.

De compuestos inorgánicos a unidades estructurales

En 1953, Stanley Miller y Harold Urey hicieron un experimento para comprobar las ideas de Oparin y Haldane. Determinaron que las moléculas orgánicas podrían formarse espontáneamente en condiciones reductoras, las cuales se pensaba que eran similares a las de la Tierra en sus inicios.

Miller y Urey construyeron un sistema cerrado que incluía un recipiente con agua caliente y una mezcla de gases que supuestamente abundaban en la atmósfera terrestre en sus inicios (\text{H}_{2}H2​start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript\text{O}Ostart text, O, end text, \text{NH}_{3}NH3​start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, \text{CH}_{4}CH4​start text, C, H, end text, start subscript, 4, end subscript y \text{H}_{2}H2​start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript). Para simular los relámpagos que posiblemente proporcionaron energía para las reacciones químicas en la atmósfera de la Tierra primitiva, Miller y Urey hicieron pasar chispas eléctricas a través de su sistema experimental.

Representación del equipo que usaron Miller y Urey para simular las condiciones en la Tierra en sus inicios.

Crédito de la imagen: "Experimento de Miller y Urey", de la Fundación CK-12, CC BY-NC 3.0

Después de dejar que el experimento funcionara durante una semana, Miller y Urey vieron que se habían formado varios tipos de aminoácidos, azúcares, lípidos y otras moléculas orgánicas. Aunque faltaban moléculas grandes y complejas (como las de ADN y proteínas), su experimento demostró que por lo menos algunas de las unidades estructurales de estas moléculas podrían formarse espontáneamente a partir de compuestos simples.

¿Los resultados de Miller y Urey fueron significativos?

En la actualidad, los científicos creen que la atmósfera de la Tierra en sus inicios era diferente al experimento de Miller y Urey (es decir, no reductora y con bajos niveles de amoniaco y metano)^{6,7}6,7start superscript, 6, comma, 7, end superscript. Por lo tanto, se duda que Miller y Urey hicieran una simulación precisa de las condiciones en la Tierra en aquel entonces.

Sin embargo, varios experimentos realizados en años posteriores han demostrado que pueden formarse unidades estructurales orgánicas (especialmente aminoácidos) a partir de precursores inorgánicos en condiciones muy variadas^88start superscript, 8, end superscript.

[¿Qué sucede con los nucleótidos?]

A partir de estos experimentos, parece razonable pensar que al menos algunas de las unidades estructurales de la vida pudieron tener una formación abiótica en esta época. Sin embargo, sigue siendo una incógnita exactamente cómo (y en qué condiciones).

De unidades estructurales a polímeros

¿Cómo fue que en los inicios de la Tierra los monómeros (unidades estructurales), por ejemplo, aminoácidos o nucleótidos, pudieron ensamblarse en polímeros, o macromoléculas biológicas reales? En las células actuales, las enzimas arman los polímeros. Sin embargo, dado que las enzimas son polímeros, ¡este es el clásico problema del huevo y la gallina!

Es posible que se formaran polímeros a partir de monómeros espontáneamente en las condiciones encontradas en la Tierra en sus inicios. Por ejemplo, en la década de 1950, el bioquímico Sidney Fox y sus colegas determinaron que si los aminoácidos se calentaban en ausencia de agua, podrían vincularse para formar proteínas^{10}10start superscript, 10, end superscript. Fox sugirió que, en esa época, el agua de mar que transportaba los aminoácidos pudo salpicar sobre una superficie caliente como un flujo de lava, lo cual hizo hervir el agua y dejar una proteína.

Crédito de la imagen: "Kusový montmorillonit", de Jan Kameníček, CC BY-SA 3.0

Experimentos adicionales en la década del 90 demostraron que los nucleótidos de ARN pueden vincularse cuando son expuestos a una superficie de arcilla^{11}11start superscript, 11, end superscript, la cual actúa como un catalizador para formar un polímero de ARN. En términos más generales, la arcilla y otras superficies minerales pueden haber tenido una función clave en la formación de polímeros al actuar como soportes o catalizadores. Los polímeros que flotan en una solución pueden hidrolizarse (descomponerse) rápidamente, lo cual avala un modelo de unión a una superficie^{12}12start superscript, 12, end superscript.

La imagen de arriba muestra un ejemplo de un tipo de arcilla conocida como montmorillonita. En particular, tiene propiedades catalíticas y de organización que pueden haber sido importantes en los orígenes de la vida, tales como la capacidad de catalizar la formación de polímeros de ARN (y también el ensamble de vesículas de lípidos similares a células)^{13}13start superscript, 13, end superscript.

¿Cuál era la naturaleza de la vida en su inicios?

Si imaginamos que en los inicios de la Tierra pudieron formarse polímeros, esto aún nos deja con la duda de cómo llegaron a duplicarse o perpetuarse a sí mismos y cumplir los criterios más básicos para la vida. Este es un tema sobre el cual hay muchas ideas, pero poca certeza acerca de la respuesta correcta.

Las hipótesis de "los genes primero"

Una posibilidad es que las primeras formas de vida fueron ácidos nucleicos que se duplicaron a sí mismos, como el ARN o ADN, y que otros elementos (como las redes metabólicas) fueron un complemento posterior a este sistema básico, lo cual se llama hipótesis de los genes primero^{14}14start superscript, 14, end superscript.

Muchos científicos que avalan esta hipótesis piensan que el ARN, no el ADN, probablemente fue el primer material genético, lo cual se conoce como la hipótesis del mundo del ARN. Los científicos favorecen el ARN como la primera molécula genética por varias razones. Tal vez la más importante es que el ARN puede, además de llevar información, actuar como un catalizador. En cambio, no sabemos de ninguna molécula catalítica de ADN que surja de forma natural^{15,16}15,16start superscript, 15, comma, 16, end superscript.

Los catalizadores de ARN se llaman ribozimas y pudieron tener funciones clave en el mundo del ARN. Un ARN catalítico podría posiblemente catalizar una reacción química para duplicarse a sí mismo. Dicho ARN autorreplicante podría pasar material genético de generación en generación, cumplir con los criterios más básicos para la vida y, potencialmente, pasar por un proceso de evolución. De hecho, algunos investigadores han podido diseñar sintéticamente ribozimas pequeños capaces de autorreplicarse.

[¿Reliquias del mundo del ARN en las células actuales?]

También es posible que el ARN no fuera la primera molécula portadora de información que sirviera como material genético. Algunos científicos piensan que incluso una molécula más sencilla “similar al ARN” con capacidad catalítica y de portar información pudo surgir antes, y pudiera haber catalizado la síntesis de ARN o actuado como un molde para esta. En ocasiones esto se conoce como hipótesis del "mundo previo al ARN"^{17}17start superscript, 17, end superscript.

La hipótesis de "primero el metabolismo"

Una alternativa a la hipótesis de primero los genes es la de primero el metabolismo, que sugiere que las redes de reacciones metabólicas autosustentables pueden haber sido la primera forma de vida simple (antes de los ácidos nucleicos)^{14,18}14,18start superscript, 14, comma, 18, end superscript.

Estas redes pudieron formarse, por ejemplo, cerca de respiradores hidrotérmicos submarinos que proporcionaron un suministro continuo de precursores químicos y que pudieron ser autosustentables y persistentes (cumplen los criterios básicos para la vida). En este caso, vías inicialmente simples pudieron producir moléculas que actuaron como catalizadores para la formación de moléculas más complejas^{18}18start superscript, 18, end superscript. Finalmente, las redes metabólicas pudieron construir grandes moléculas, como proteínas y ácidos nucleicos. La formación de "individuos" rodeados de membranas (independientes de la red comunal) habría sido un paso posterior^{14}14start superscript, 14, end superscript.

¿Cómo pudo ser la apariencia de las células en sus inicios?

Una propiedad básica de una célula es la capacidad de mantener un ambiente interno diferente del entorno. Las células actuales están separadas del ambiente por una bicapa de fosfolípidos. Es poco probable que los fosfolípidos existieran en las condiciones en que se formaron las primeras células, pero se ha demostrado que otros tipos de lípidos (aquellos que tienen más prbabilidad de haber estado disponibles) también forman espontáneamente compartimentos bicapa^{19}19start superscript, 19, end superscript.

En principio, este tipo de compartimento pudo rodear una ribozima autorreplicante o los componentes de una vía metabólica, y formar una célula muy básica. Aunque es intrigante, este tipo de idea no cuenta con el respaldo de pruebas experimentales, es decir, ningún experimento ha podido generar espontáneamente una célula autorreplicante a partir de componentes abióticos (no vivos).

Otra posibilidad: moléculas orgánicas del espacio exterior

Las moléculas orgánicas pudieron formarse espontáneamente a partir de las inorgánicas en la Tierra en sus inicios, à la Miller-Urey. Sin embargo, ¿pudieron también llegar desde el espacio?

La idea de que las moléculas orgánicas pudieron viajar a la Tierra en meteoritos puede sonar a ciencia ficción, pero cuenta con el respaldo de pruebas razonables. Por ejemplo, algunos científicos han determinado que las moléculas orgánicas pueden producirse a partir de precursores químicos simples presentes en el espacio en condiciones que serían posibles (radiación ultravioleta alta y temperatura baja)^{20}20start superscript, 20, end superscript. También sabemos que algunos compuestos orgánicos se encuentran en el espacio y en otros sistemas estelares.

Lo más importante es que en varios meteoritos se han encontrado compuestos orgánicos (derivados del espacio, no de la Tierra). Un meteorito, ALH84001, que vino de Marte contenía moléculas orgánicas con varias estructuras en anillo. Otro meteorito, el Murchison, portaba bases nitrogenadas (como las que se encuentran en el ADN y ARN), así como una amplia variedad de aminoácidos.

Crédito de la imagen: "Meteorito ALH84001 en exhibición en el Museo Nacional de Historia Natural del Instituto Smithsoniano", de by J. L. Stuby, CC BY-SA 3.0

Un meteorito que cayó en el año 2000 en Canadá contenía diminutas estructuras orgánicas llamadas "glóbulos orgánicos". Los científicos de la NASA creen que este tipo de meteorito pudo caer con frecuencia en la Tierra durante sus inicios y sembrarla de compuestos orgánicos^{21}21start superscript, 21, end superscript.

[¿La vida pudo surgir de otros lugares en el universo?]

Resumen

El origen de la vida en nuestro planeta es un tema muy complejo y fascinante. Sabemos aproximadamente cuándo comenzó, pero el cómo sigue siendo un misterio.

• Miller, Urey y otros demostraron que las moléculas inorgánicas simples podrían combinarse para formar las unidades estructurales orgánicas necesarias para la vida tal como la conocemos.
• Una vez formadas, estas unidades estructurales pudieron juntarse para formar polímeros, como las proteínas o ARN.
• Muchos científicos están a favor de la hipótesis del mundo del ARN, no del ADN, la cual indica que el ARN fue la primera molécula genética de la vida en la Tierra. Otras ideas incluyen la hipótesis del mundo antes del ARN y la hipótesis de primero el metabolismo.
• Los compuestos orgánicos pudieron llegar a la Tierra en meteoritos y otros objetos celestes.

Estas no son las únicas ideas científicas acerca de cómo la vida pudo haberse originado y ninguna es concluyente. Hay que mantenerse atento a medida que surge nueva información y se proponen nuevas ideas científicas sobre el origen de la vida.