8 de julio de 2009

El Origen de la Vida – Capitulo II

El Origen de la Vida – Capitulo II
El experimento Miller – segunda parte

4.4 Resultados de los ensayos y su evaluación

Después de una semana, Miller detuvo el ensayo, extrajo los gases y retiró la solución que se encontraba en el matraz pequeño y en el tubo de forma de U. Su color rojizo fue atribuido a las sustancias orgánicas formadas. Primeramente, Miller investigó los productos sintetizados en la solución, mediante cromatografía en papel en separación dimensional. El cromatograma primero, fue tratado con una solución de n-Butanol-ácido acético-agua, y en el segundo paso en forma vertical, con Fenol. Después de secar la placa cromatográfica, Miller la roció con Ninhidrina, que reacciona con los aminoácidos a un color azul. El cromatograma mostró el siguiente cuadro.

Resultado de la separación cromatográfica dimensional

Claramente se pueden reconocer las manchas de las sustancias separadas, donde se trata de aminoácidos simples. La identificación de los aminoácidos se realizó mediante un cromatograma de comparación con aminoácidos conocidos. Mediante la comparación del valor del factor de retención, forma y color de las manchas obtenidas, Miller pudo determinar los aminoácidos Glicina, alfa-Alanina, beta-Alanina. Las manchas del ácido Aspártico Y ácido alfa-amino-n-butírico. Las sustancias mancadas con A y B, no las pudo identificar Miller en un principio, pero sospechó de que se trataba de aminoácidos beta y gamma. Además suponía que también se habían sintetizado otros aminoácidos en menores cantidades. En total se habrían formado algunos miligramos en aminoácidos.
Esto correspondía a una inesperada gran cantidad, si se piensa, que las condiciones de síntesis no fueron establecidos específicamente, para la preparación de aminoácidos, si no, según las condiciones de la Tierra primitiva. De las sustancia amarillentas-morrones, que se formaron, sólo una cantidad muy reducida fue posible disolverlos con Éter. Este producto sintetizado, formó una banda continua con la separación cromatográfica unidireccional en Butanol-ácido acético y sería analizado posteriormente.
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Después de la publicación de los resultados de los ensayos, Miller perfeccionó el experimento y los métodos analíticos. Mediante la determinación de los puntos de ebullición, pudo confirmar los primeros resultados y descubrió, que junto a la Glicina y la Alanina, también se sintetizaron trazas de ácido Glutámico, ácido Aspártico, en total nueve distintos ácidos, Valina, Leucina, Serina, Prolina y Treonina, o sea, total nueve distintos aminoácido proteinógenos. Para evitar una contaminación por bacterias, esterilizó su equipo, y repitió el experimento con los mismos resultados.
En la siguiente tabla están anotadas las combinaciones detectadas.

Combinaciones formadas
Porción
Alquitrán
85 %
Ácido carbónico
13,00 %
Glicina
1,05 %
Alanina
0,85 %
Ácido Glutámico
Trazas
Ácido Aspártico
Trazas
Valina
Trazas
Leucina
Trazas
Serina
Trazas
Prolina
Trazas
Treonina
Trazas
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4.4.1 El mecanismo de reacción hacia la síntesis de los aminoácidos

Miller además pudo aclarar el mecanismo de reacciones que han llevado a la formación de la mayoría de los aminoácidos, en su experimento. Con el análisis de la solución obtenida, también encontró junto a los aminoácidos, grandes cantidades de aldehídos, quetonas y ácido cianhídrico. Estos se formaron de radicales e iones, que se originaron durante las descargas eléctricas, y pudieron reacciona a aminoácidos con agua según la síntesis de Strecker. Aquí se forma primeramente amoníaco adicionado a un aldehído. Después de la separ4aciçon de una molécula de agua se forma una Imina.

En el segundo paso el Cianuro de Hidrógeno se ata a la Imina, produciendo un amino nitrilo

Estos pasos de la reacción son reversibles. Recién con la última e irreversible reacción concluye esta. Con esto el amino nitrilo se hidroliza y se forma junto al amoníaco un aminoácido-alfa

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4.4.2 Los resultados posteriores de los ensayos

En los años 70 y 90 el Dr. Miller, quien para entonces era profesor en la universidad de San Diego, con la ayuda de sus colaboradores, repitió el experimento y logró obtener resultados más exactos con mejores métodos analíticos. En esto se encontraron casi los 20 aminoácidos, que pueden formar proteínas y que por lo tanto son de gran importancia biológica. Junto a los aminoácidos también se formó Urea e importantes ácidos hidrocarbónicos, los cuales de acuerdo a la síntesis de Strecker, se formaron por la adición de acido cianhídrico a aldehídos con una siguiente hidrólisis


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La capa de brea en el matraz grande

Resultó, de que se trataba de una retícula muy estable y compleja de combinaciones orgánicas. Esta sustancia, por razones muy diversas, pudo haber tenido un rol muy importante en la formación de la vida. Por ejemplo como proveedor constante de aminoácidos, como protector de las combinaciones formados, contra la radiación UV o incluso para la formación de membranas celulares, ya que algunas de sus moléculas tienen propiedades similares las grasas.
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4.5 Las principales conclusiones de los experimentos posteriores

Partiendo del primer experimento de simulación sobre la Tierra primitiva de Miller, también otros científicos realizaron ensayos sobre gases primordiales bajo distintas condiciones atmosféricas y con diferentes fuentes energéticas. Con esto se logró obtener otra mayor cantidad de compuestos orgánicos. Mientras tanto se sintetizaron todos los 20 aminoácidos proteinógenos, diversos azúcares, lípidos, los bloques de los acido nucleicos Purina, Pirimidina y nucleótidos, Porfirinas que, por ejemplo están contenidos en la clorofila, como también (en presencia de fosfatos) incluso ATP (trifosfato de adenosina, por su sigla en inglés [el traductor]). Se logro establecer también, que otras energías, como radiaciones UV; radiaciones ionizadas; calor y ondas de choque originaban los mismos productos, donde la formación de aminoácidos en presencia de descargas eléctricas era la mayor. Sin una fuente de energía concentrada no se forman sustancias, ya que no se crean los radicales libres necesarios para la formación de estas moléculas. También se varió y se cambió la mezcla de los gases. Mientras haya presencia de los elementos C. H, O y N en alguna forma, es posible sintetizar compuestos orgánicos. Pero se descubrió, que la síntesis de mayores cantidades de aminoácidos sólo se alcanza en presencia de los gases reductores NH3 y CH4. No es necesaria la presencia de Hidrógeno. Si se reemplazan los gases energéticos por otros neutrales CO2 y N2, entonces la producción de aminoácidos es bastante menor. También la presencia de Oxígeno actúa negativamente sobre la síntesis de aminoácidos. Además, aminoácidos en presencia de Oxígeno, durante períodos largos períodos geológicos no habrían sido estables.
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5. Las deficiencias y críticas al experimento de Miller-Urey

Entretanto no se pone en duda los hallazgos del experimento de Miller, sin embargo, existen puntos de vistas divergentes sobre detalles de las condiciones simuladas y también una crítica justificada de los experimentos Miller-Urey. En 1966 Philip H. Abelson, un físico y químico americano y editor temporal de la revista Science, fue uno de los primeros, que puso en duda los supuestos en los cuales se basaba el experimento de simulación de Miller. Él decía, que la atmósfera primigenia nunca fue reductora y que no podía componerse de H2, CH4, NH3, y vapor de agua. Debido a que el Hidrógeno era demasiado liviano como para ser sujeto por la gravitación a la tierra primitiva, evaporándose rápidamente en el espacio. Tampoco el Metano y el Amoníaco podrían conservarse durante mucho tiempo, ya que estos gases, por la acción de la radiación UV del Sol, fueron degradados, la fotoquímica y oxidados con productos de la desintegración del agua, a CO2, CO y N2. Otro argumento contra la atmósfera reductora original, lo describe Abelson de la siguiente manera: “Si alguna vez hubo grandes cantidades de Metano en la atmósfera, entonces deberían existir evidencias geológicas. Ensayos de laboratorio nos muestran, si una atmósfera densa, fuertemente reductora es irradiada, se forman moléculas orgánicas hidrófobas, que son absorbidas por el limo que se está precipitando. Por esto las rocas más antiguas deberían contener una excepcionalmente gran cantidad de carbono de origen orgánico: Esto no es el caso.”
De hecho, rocas sedimentarias encontradas en Groenlandia confirman, que por lo menos hace 3,8 mil millones de años debe haber habido Dióxido de Carbono en la atmósfera. Bajo las condiciones supuestas de Abelson, en el experimento de Miller, sólo se producen reducidas cantidades de ácido Cianhídrico y del más simple de los aminoácidos la Glicina. Sin una atmósfera reductora no se hubieran acumulado suficientes compuestos, para la siguiente evolución química en el océano originario. La crítica de Abelson abrió un feroz debate sobre la formación y composición de la atmósfera originaria, que persiste hasta hoy día. A esto se le adiciona, que una gran parte de los productos sintetizados hubieran sido rápidamente destruidos por la radiación UV, antes de que hubiesen alcanzado la superficie terrestre. En cálculos se puso de manifiesto, que la concentración de las combinaciones orgánicas en los mares primigenios era demasiada baja, para la formación directa de polímeros y estructuras complejas. Uno de los principales expertos en la evolución química, Klaus Dose de la universidad Johannes Gutenberg en Maguncia. Opina al respecto:
Llegamos a la conclusión, que el océano originario puede haber contenido grandes cantidades de aminoácidos y otras clases de moléculas, necesarios para la vida, pero su concentración era demasiada reducida, para que se pudiera haber creado sistema prebióticos”
Por esto hoy se cree, que la vida no se formó en los mares, si no en lagunas y pantanos. Allí pudieron haberse acopiados también altas concentraciones de comkùestos orgánicas y siguieron reaccionando. Pero aún con una concentración suficiente, la condensación de los aminoácidos a proteínas no pudo haberse desarrollado así como así, ya que con esta reacción también se forma agua:

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El equilibrio de la reacción sería en ambienta acuoso, desplazado para el desdoblamiento hacia los reactantes, de manera que estaría en desventaja la síntesis de los péptidos. Por esto hoy se parte, de que la formación de proteínas y ácidos nucleicos fueron catalizados. Esto podría haberse desarrollado en el limo y la arcilla en las superficies de minerales y cristales. Estos tienen poros microscópicos en los cuales se pudieron formarse enriquecimientos moleculares. Moléculas inorgánicas fueron reemplazadas con el tiempo, por compuestos de carbono, de los cuales se pudieron formar macromoléculas, membranas y células. También Stanley Miller, mientras tanto está conciente, que en el caldo original originado en su experimento de simulación, no pudo llevar a la formación de vida y acota: “Desentrañar el origen de la vida es bastante más complicado, como lo pensaba yo, y no solo yo, aquella vez”
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6. La importancia y el reconocimiento de la labor de Miller

Mientras tanto pasaron más de 50 años desde que Stanley Miller realizó por primera vez su ensayo. Por esto tampoco es de extrañar, que algunas suposiciones, en los cuales se basaba este experimento fue puesto en duda en el año 1952. Básicamente Miller con la ayuda de su experimento de simulación demostró que reacciones químicas, que sucedieron bajo determinadas condiciones de la Tierra primitiva, originaron productos y moléculas, que representan los bloques de la vida. La posibilidad de la evolución química está confirmada., de manera que las primeras hipótesis presentadas por Oparin y Haldane, es reconocida en general. Los resultados del experimento Miller, fueron confirmados, cuando en 1969, se encontró un meteorito en Australia, que contenía las mismas combinaciones y aminoácidos de origen abiótico, en las mismas proporciones como fueron también sintetizados en el experimento-Miller. De esto se pudo deducir, que los procesos simulados eran naturales y que realmente sucedieron en asteroides, en otros lugares del universo y en la Tierra originaria.
E incluso si se contradice a la suposición de una atmósfera originaria reductora o la presencia de compuestos orgánicos suficientes, el trabajo de Stanley Miller merece el total reconocimiento. La importancia de las observaciones científicas y experimentos, depende también de sus antecedentes históricos y Stanley Miller, con su experimento, abrió nuevos caminos de la investigación empírica en relación al origen de la vida.
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7. Ensayos para la síntesis de aminoácidos similar al experimento de Miller

El experimento descrito, lo he logrado realizarlo y reproducirlo con los medios de nuestro laboratorio escolar. Aquí he realizado dos ensayos, donde el primer ensayo se apartó del experimento original de Miller.
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7.1 La instalación experimental

El equipo abajo esquematizado lo he armado de piezas individuales según el modelo del experimento de Miller, para esto se unió un matraz esférico de tres bocas de 0.5 litros y un matraz de 1 litro de cuatro bocas a una instalación cerrada. Por las dos aberturas laterales del matraz grande se introdujeron electrodos a través de tapones de goma. Mediante un tubo de vidrio el matraz grande fue conectado en la parte inferior con un refrigerante Dimroth. El refrigerante, a su vez, mediante dos tapones de goma y un tubo de vidrio fe conectado con un tubo de forma de U. En su parte inferior se encontraba una llave de paso de una vía. Que debería servir para la extracción de la muestras. El tubo de vidrio U, a través de una manguera para vacío, fue unido al matraz pequeño.

Glasrohr = Tubo de vidrio
Stativ = Soporte
1-Liter 4-halskolben = Matraz esférico de cuatro bocas de 1 litro
Elektroden = Electrodos
Dreiwegehahn = Llave de tres pasos
Vakuumschlauch = Manguera para vacío
Dimroth-Kühler =Refrigerante Dimroth
Schlaucholive = Fitting
0,5-Liter 3-Halskolben = Matraz esférico de tres bocas de 0,5 litros
Heizkorb =Manto calefactor
U.Rohr mit Einwegehahn = Tubo de forma de U con llave de paso de una vía

La boca externa, del matraz chico, fue usada para el llenado con agua, se cerró con u tapón de vidrio. La boca del medio fue unido mediante una manguera de goma a un fitting y a una maguera para vacío, a esta se le intercaló una llave de tres paso, que serviría para la conexión a la bomba de vacío y luego para el llenado con los gases. A la manguera para vacío se le conectó un tubo de vidrio, que previamente fue doblado en forma de una U grande, y adaptado así al aparataje, y fue unido a través de un tapón de goma perforado, al boca superior del matraz grande; de manera que todo el equipo estaba cerrado en si. Para estabilizar todo este equipo, fue sujetado en distintas partes mediante pinzas de fijación a un soporte. El matraz pequeño estaba montado dentro de un manto calefactor, estaba instalado sobre una plataforma elevadora. Los electrodos fueron conectados a una fuente de poder para 10 000 voltios. Para la refrigeración se instalaron dos mangueras para agua al refrigerante.
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7.2 El primer ensayo
7.2.1 Realización y observaciones
Para empezar se vertieron 200 ml de H2O en el matraz pequeño. Entonces se conectó una bomba para vacío a la llave correspondiente, para extraer todo el Oxígeno, por las razones ya mencionadas. Después, por la misma llave y mediante la ayuda de un globo de aire se introdujeron al equipo los gases H2, NH3, y CH4 en la proporción de (H2) : (NH3) : (CH4) = 1:2:2. Las partes y las cantidades de las gases adicionados, según Miller son muy variable, de manera que no es necesario una medida más exacta.
A continuación al equipo fue sellado y se puso a hervir el agua. Después que el vapor de agua se había distribuido por la instalación, se puso enmarca las descargas eléctricas, pocos segundos después se produjo una explosión, que empujó hacia fuera los tapones y los electrodos. Después de un día, sin embargo, el agua que se encontraba en el pequeño matraz se torno de un color marrón claro, un indicio de que se habían formado combinaciones orgánicas.

Traducido del alemán por aagb: Julio de 2009
Con la gentil autorización de de su autora: Sabine Himmelein, Febrero 2003


2 comentarios:

Paroaria dijo...

Albrecht:

Muy buena tu entrada sobre el espacio…, como verás estoy fuera de fase… no he podido entenderlo en su totalidad, pero …. Al final, cuando hablas del acortamiento del espacio tiempo, y te refieres a que las escalas se encogen… ¿es esto también el por qué de la afirmación de que cuanto más nos acerquemos a la velocidad de la luz en un viaje nuestra masa aumenta? ¿es un aumento de la masa o una disminución de la escala de espacio a lo que se refiere?


Un saludo

Albrecht Gundelach dijo...

¿es un aumento de la masa o una disminución de la escala de espacio a lo que se refiere?

Ambas cosas, mi estimado Paroaria