13 de julio de 2010

Pasos hacia la vida

Pasos hacia la vida
Primera parte

Conocimientos modernos sobre el origen de la vida


Prólogo

Ningún tema le preocupa tanto al ego del ser humano, con excepción de la cosmología, el origen de la vida en la Tierra. Hoy, después milenarias concepciones místicas creacionistas, comienza a despejarse lentamente las tinieblas del desconocimiento. Si bien, aún no estamos en condiciones (y posiblemente nunca lo estaremos) de reconstruir el desarrollo del la vida en todos sus detalles, es decir desentrañar las extraordinarias condiciones de entorno históricas y los complejos procesos químicos que tuvieron lugar en tiempos remotos en la Tierra, sin embargo, en condiciones de investigar en el laboratorio los necesarios mecanismos físico-químicos. A mano de los resultados experimentales, es posible sacar conclusiones bajo qué condiciones probablemente pudo haberse formado vida terrenal, de manera que podemos investigar científicamente la evolución química, explicar y entenderla en general. Esto hace la diferencia entre teorías naturistas e ideas creacionistas súper naturalistas, ya que los procesos sobrenaturales no son posibles investigarlas empírica-científicamente, finalmente sólo pueden ser creídas y no aportan nada al entendimiento causal de los sucesos en el mundo. El proceso del origen de la vida que hay que aclarar, es consignado a un insondable misterio. Por esto no puede existir una teoría creacionista racionalmente fundada, de manera que, no puede considerarse como una alternativa seria al concepto naturista.


A pesar de esto, las teorías creacionistas gozan de una gran aceptación, y basan el origen y el desarrollo de la vida en la “insondable voluntad” del creador y que nos promete un amparo cosmológico y un lugar asegurado en el universo. Así hoy para una cantidad de personas en aumento, la teoría de la evolución está nuevamente “out”, mientras que la tesis de la creación bíblica está “in”. El presente ensayo, escrito desde un punto de vista de de ciencia popular, ha de entregar al lector una manera de ver del origen de la vida desde una óptica consecuentemente científica, y mostrar que la moderna ciencia naturalista puede ser fascinante, ya que sólo ella lleva en si la clave de la comprensión de los procesos causales en la naturaleza. Pues si se reflexiona sobre la evolución, se llega a sorprender sobre los íntimos entramados de causa y efecto de los procesos químicos en la naturaleza, la sorprendente auto organización de la materia, cuyos principios pudieron constantemente llevar a nuevas formas.


Frente a esto las “explicaciones” y “Argumentos” de los defensores de una enseñanza de la creación, parecen dificultosas y poco creíbles. Lo único que realmente podría tener un valor explicativo, es la afirmación, que el creador del mundo, haya creado los principios fisicoquímicos y la vida de manera misteriosa y por alguna razón, al gusto de él. Con esto se abandonan los principios metodológicos de las ciencias naturales y destruyen el deseo de la comprensión causal del mundo. Recién la comprensión de las relaciones causales, nos enseña, que nosotros a la luz de las teorías naturalistas, de ningún modo somos arrancados de sentido secular de la seguridad, si no, que debemos sentirnos con mayor razón, en casa en un universo entendible con leyes naturales. “Lo más incomprensible y fascinante del universo, es que sea comprensible.” (Albert Einstein).

El origen de la vida


1.- Antiguos conceptos sobre la formación espontánea de la vida


Uno de los secretos prehistóricos de est5a tierra, el origen de la vida, fue durante milenios un misterio insoluble y durante mucho tiempo, le fue atribuido a la fuerza de una misteriosa creación divina. Aproximadamente unos 300 años a.C., Aristóteles estaba convencido, que “Gusanos, polillas y ranas se formaban por creación divina de tierra húmeda, y las abejas de excrementos”. Las observaciones del alquimista Helmont, en el año 1577 parecía apoyar la teoría, de la génesis espontanea de todas las creaturas. Él mezcló granos de trigo con ropa sucia, y observó que de esta mezcolanza después de algún tiempo aparecían ratones. Su conclusión fue simple: Una sustancia en la ropa sucia, conduciría directamente a la formación de ratones. Poco después parecía el “hecho”, que de animales muertos se desarrollaban moscas, gusanos y Abejas de heces de bovino, que la abiogénesis presupone evidentemente, la existencia de materia orgánica (Ver figura 1). La “espontanea creación” se la atribuía a una misteriosa fuerza vital, la tal llamada vis vitalis, según la cual no podía originarse vida de materia inorgánica muerta, si no solamente de sustancias orgánicas.

















Fig. 1: En el siglo 16 se creía, que los ratones aparecían espontáneamente de la ropa sucia, abejas de heces de animales y moscas de de la carne muerta. Posteriormente, los alquimistas, notaron que las moscas y abejas solo se “originan” cuando la carne y los heces no están aislados del medio ambiente.

Otros científicos contradecían a estas tesis duramente y defendían la opinión, que seres vivientes sólo podían provenir de animales de las mismas especies. Sin embargo, Lamark (en el año del nacimiento de Darwin) redactó por primera vez una teoría evolucionista, defendía la idea de una creación espontánea; Una idea ampliamente divulgada en el siglo 18 y a comienzos del siglo 19. Recién en el año 1884, la disputa fue concluida, después que el médico francés Louis Pasteur , pudo demostrar en una serie de ensayos, que los microorganismos de ninguna manera se pueden originar espontáneamente: “Omne vivum e vivo”, toda vida depende de vida.

Esta comprensión de Pasteur, que trajo la definitiva aclaración de esta interrogante, tiene validez hasta hoy.- Los seres vivientes, bajo las actuales reinantes condiciones terrenales no pueden aparecer espontáneamente de materia inorgánica. Pero esta constatación no dice nada sobre la posibilidad de una espontánea formación original bajo condiciones totalmente diferentes a aquellas que existen en la actualidad en la Tierra. ¿Existió, posiblemente, en una época temprana de la Tierra, condiciones que permitieron engendrar vida espontáneamente de materia inorgánica o que forzosamente (en el sentido de una consecuencia de la química originaria) tuvo engendrarse? ¿Hubo a caso una creación primordial, muy lejos del terreno de las ideas místicas religiosas sobre una intervención divina?

2.- El desarrollo químico de la atmósfera terrenal

Como se puede leer en diversos libros de enseñanzas sobre las condiciones de la Tierra, el aire se compone de un 78% de Nitrógeno y un 21% de Oxígeno. Se habla, debido al alto contenido de Oxígeno de una atmósfera oxidante, que tarde o temprano corroe el acero, ataca químicamente a sustancias químicas y hace que los seres vivos envejezcan. Pero también siempre es una atmósfera dadora de vida, sin ella en la actualidad la vida no sería posible. La ciencia hoy estás en condiciones demostrar de forma concluyente, a mano de inclusiones de gas en antiquísimos estratos de rocas, como fue la composición de la atmósfera hace 350 millones de años, y que en la era del pérmico, esencialmente fue igual que en la actualidad. El agresivo Oxigeno (especial en la forma atómica radical, que no contienen valencias químicamente saturadas) evita cada formación de vida espontánea, destruye rápidamente numerosas combinaciones orgánicas y actúa en forma oxidante casi con lo mismo fuerza que lo hace el Cloro elemental. Incluso bajas concentraciones de Cloro en el aire llevan a graves erosiones de los pulmones y de la piel y en poco tiempo a la muerte. Sólo gracias a un sofisticado sistema de encimas, le debemos que no nos morimos en poco tiempo por el Oxígeno.







Figura 2 Con el correr de millones de años, el dióxido de carbono fue filtrado de la atmosfera y disuelto en el mar. Allí con el pasar del tiempo se formaron enormes sedimentos calcáreos, los que por la acción de fuerzas tectónicas, en el interior de la Tierra se plegaron formando montañas. Nuestra actual atmósfera por esto se diferencia fundamentalmente de la atmósfera origina.

Si en la historia de la tierra regresamos hasta el comienzo, podemos notar, que la composición química de la atmósfera, se diferenciaba notoriamente de la actual y que durante miles de millones de años, debe haber sufrido muchos cambios. Recién hace unos 350 millones de años llegó a tener un equilibrio químico, que se ha mantenido en forma bastante estable hasta nuestros días, a excepción de algunas insignificantes variaciones. Nuestro estado actual de conocimientos de las ciencias naturales, nos pone en la posición, de seguir cronológicamente el desarrollo de la atmósfera terrenal durante largos períodos de tiempo de la historia de la Tierra. De ello se desprende el siguiente cuadro:
Cuando hace 4,6 mil millones de años se formó la Tierra por aglomeración de materia cósmica, la superficie de la Tierra debe haber tenido una temperatura muy superior a los 1000 grados Celsius, en base a procesos de degradaciones radioactivas, impactos de meteoritos y el calor de contracción adiabático, debe haber estado fundida. La alta temperatura causaba, que la ya existente atmósfera originaria (“atmósfera primordial”), se dispersare en el espacio y con esto perdiese Hidrógeno, Nitrógeno, Dióxido de Carbono y gases nobles por el factor 1000. Principalmente se perdió Hidrógeno, Helio, Argón, Agua, Amoniaco, Metano y Dióxido de Carbono. Análisis espectrales de los planetas alejados de la Tierra Júpiter y Saturno, muestran las siguientes composiciones atmosféricas: Junto al Hidrógeno u Helio, el metano y el Amoníaco forman los principales componentes. En la Tierra, sin embargo se volatizó el Hidrógeno y el Helio, de manera que en la atmósfera primordial deben haberse mantenid0o Metano y Amoníaco.

Hace unos 4,2 mil millones de años la Tierra se enfrío lo suficiente para que podría mantenerse al agua en ella, que constantemente se evaporaba desde el interior de la Tierra. Hoy se sabe, los gases de esta posterior primera atmósfera, fueron todos de origen volcánico. Después del enfriamiento de la superficie terrenal, además se produjeron fragmentaciones, que originaron la típica estructura del interior de la Tierra. Al mismo tiempo se desarrollaron los mares y la atmósfera.

La tal llamada atmósfera primigenia surgió de un descomunal proceso de alto horno, que causó una reducción de óxidos de Hierro y Níquel. Estos metales reducidos se decantaron en el centro formando el núcleo de la Tierra. Con esto aumentó el carácter oxidante de la atmósfera, el Metano y el Amoníaco se oxidaron. Por esta razón, según los conocimientos más recientes, ha de suponerse, que la atmósfera, no como se conjeturó primeramente, que se componía de Metano y Amoníaco, si no se componía, junto a trazas de Metano y Amoníaco, esencialmente de agua y Dióxido de Carbono. Hoy se parte de la idea, que la primera atmósfera tenía aproximadamente la misma composición, como los gases expulsados por los volcanes, de manera que la composición que se considera probable:
80% agua y Nitrógeno, 10% dióxido de Carbono, 7% Hidrógeno sulfurado, 0,5% monóxido de Carbono, 0,5% Hidrógeno, trazas de Metano y Amoníaco.

A causa de la condensación del agua comenzó a llover de forma continua, durante unos 40 000 años, que produjo un enriquecimiento relativo del resto de los gases. La atmósfera era débilmente reductora y se componía principalmente de óxidos de Carbono, Nitrógeno e Hidrógeno. Es notorio que se conocen muchos volcanes y géiseres, cuyos productos de exhalación son relativamente ricos en Metano y Amoníaco, de manera que hay que suponer, que gases reductores en algunos lugares de la Tierra originaria pueden haber alcanzado mayores concentraciones.

Por la influencia solar, que comenzó a brillar cada vez con mayor fuerza, los gases reductores de las primeras atmósferas, en los planetas cercanos al Sol (Venus y Tierra), fueron químicamente degradados. Los elementos remanentes reaccionaron formando dióxido de carbono, etc. El dióxido de Carbono, se disolvió en parte en el mar y bajo la formación de enormes sedimentos de carbonatos y fue desplazado, en parte a consecuencia de cambios de actividades volcánicas, por expulsión de Nitrógeno y vapor de Agua. Por consiguiente se formó una capa de aire, que en lo esencial, se componía de Nitrógeno con adiciones de agua, dióxido de Carbono y Argón. En aproximadamente 3,4 mil millones de años se ha formado totalmente la tal llamada segunda atmósfera, que no era reductora ni oxidante. Debido al proceso solvente del dióxido de Carbono en el mar, disminuyó también el efecto invernadero, de manera que la aún caliente atmósfera pudo enfriarse (ver figura 2).

La aparición de la vida la atmósfera finalmente cambió una tercera vez. En base al desarrollo de los primeros primitivos autótrofos (como las cianobacterias respectivamente, algas azul-verdes) hace unos 3.5 mil millones de años, el dióxido de Carbono fue eliminado a excepción de un reducido resto, ya que “respiraban” el dióxido de Carbono formando Oxígeno. Este Oxigeno primeramente se enriqueció en el agua del mar. Hace aproximadamente 2,5 mil millones de años se formaron enormes depósitos de oxido de Hierro en el fondo del mar.

Hace unos 2 mil millones de años casi todo el Hierro se precipitó en el mar como óxido y el oxígeno comenzó a escapar hacia la atmósfera. Con el avance de la evolución los seres vivientes, comenzaron a adaptarse cada vez más, de a poco a la atmósfera cada vez más oxidante (que ahora contenía el veneno metabólico Oxígeno), y unicelulares comenzaron a aprovechar el Oxigeno como una eficiente “alimentación respiratoria”.


Con el aumento de la concentración del Oxígeno en la atmósfera, que fue incrementada, por la aún alta radiación UV del Sol, por la reducción en Oxigeno atómico. Este Oxigeno “activo” se combinó con el Oxigeno molecular “normal” formado el Oxigeno triatómico Ozono. A una altura aproximada de unos 15-30 [Km] de altura se formó la capa de Ozono estratosférica, que fue de una determinante importancia, para la evolución de la vida. El ozono estratosférico, filtra hoy en día el 70% de los rayos UV, y permitió hace unos redondos 350 millones de años la formación de los primeros seres vivientes terrestres.


Hace unos 400 millones de años se completó la formación de la capa de Ozono, de manera que la vida, bajo la protección de este filtro UV, experimentó un explosivo desarrollo, que finalmente levó a la aparición del ser humano.

Desde hace 350 millones de años, prácticamente sólo variaron las composiciones de los gases traza. Resumiendo se puede decir, que poco después de la formación de la Tierra existieron condiciones totalmente distintas a las actuales. ¿Pero cómo fue posible, que bajo esta aparente primera atmósfera tan hostil para la vida, esta pudo generarse?

3.- La formación de las pequeñas moléculas orgánicas, teoría del “caldo primigenio”

Ya Charles Darwin, hace más de 100 años se formuló la pregunta, como de pequeñas moléculas inorgánicas se podía formar vida. Él también expandió la idea de la evolución al a naturaleza inanimada; posteriormente se habló de la evolución cósmica y química.

Casi todos los científicos cogieron la teoría, según la cual, en el plano químico, de trazas de gases de la primera atmósfera, como el Metano, el Amoníaco, y el dióxido de Carbono, emergerían sustancias complicadas, de las cuales se formaban sistemas cada vez más complejas y que llevaron a originar los primeros unicelulares.

En los años 20 el bioquímico ruso Oparin y el británico Haldane, formularon esta suposición generalizada de su “teoría del caldo originario”. Según esto deberían formarse componentes orgánicos bióticos relevantes por procesos químicos en la atmósfera, enriquecerse en los mares y formar una especie de “caldo primigenio”, del cual, con el correr del tiempo surgieron complejos sistemas biológicos. Un gran problema era, que durante mucho tiempo esta hipótesis no tenía un apoyo empírico. Numerosos críticos impugnaban esta idea y argumentaban que la formación de moléculas biológicas, bajo condiciones físico-químicas prebióticas, era en todo improbable. Ante todo fueron los creacionistas, que querían, llenar nuevamente las preguntas abiertas, mediante su “teología suplefaltas”.

Pero en el año 1953, el químico Stanley Miller, en su famoso experimento ha dado un gran paso para la aclaración de esta interrogante, que ha cambiado todo el sistema de coordenadas, de manera que la “teología suplefaltas” - como tantas veces en la historia de la ciencia – nuevamente tuvo que dar un paso atrás. Miller pudo mostrar, que la formación de biomoléculas (incluso todo un repertorio de combinaciones complicadas) que es posible bajo condiciones físico-químicas.

En tanto que no es muy efectivo, si hoy nuevamente se cree que sólo sería necesario, ubicar en un nivel más elevado, la misma estrategia argumentativa, para hacer más preguntas y controversias para el debate y creer, haber sacudido la importancia del experimento Miller. Sin haber considerando que Miller dejó aún muchas preguntas abiertas (que también hasta hoya todavía están abiertas), es claro, que aportó un fuerte fragmento de evidencia al cuadro general, que tiene consistencia. Con esto, la estrategia de disimular el retroceso del “dios de las lagunas”, simplemente con el planteamiento de nuevas preguntas, científicamente no convence.

Para esto Miller simuló a micro escala, las condiciones hipotéticas de la Tierra primigenia, que pudieron haber existido hace unos 4 mil millones de años: En un matraz pequeño puso hervir agua, el vapor llegaba por un tubo de vidrio, a un matraz redondo, de su aparataje, que anteri0rmente fue llenado con una mezcla de Metano, Amoníaco e Hidrógeno (ver figura 3). Mediante dos electrodos de Wolframio se descargó una chispa de alta energía, que originaba en la zona reactiva una temperatura de 600 grados Celsius. Las descargas eléctricas simulaban las enormes descargas eléctricas, que debieron haber existido en la época tempranera de la tierra, cuando la aún caliente atmósfera estaba saturada con vapor de agua y reinaban enormes tormentas.
Además, la radiación UV dura, del aún joven Sol, alcanzaba la Tierra sin impedimentos, ya que una protectora capa de Ozono, debido a la falta de oxígeno aún no estaba desarrollad, Esta radiación permitió igualmente reacciones complejas. Los muy inestables compuestos termodinámicos, Metano Amoníaco, reaccionaban bajo estas condiciones, con el vapor de agua e Hidrógeno de la atmósfera formando, como pudo mostrar convincentemente Miller, una plétora de combinaciones orgánica, biológicamente importante.










Figura 3
Con medios simples, Stanley Miller mostró como se pudieron haberse formado, a partir de la primera atmósfera, los ladrillos de la vida en la Tierra tempranera. Para esto llenó un matraz redondo con Metano, Amoníaco e Hidrógeno y expuso esta mezcla a descargas eléctricas. Vapor de agua también ingresó por un tubo de vidrio. Después de algunos días fue posible evidenciar todas las combinaciones orgánicas bióticamente importantes

Es interesante, que casi todos los experimentadores anunciaban éxitos, casi ninguno anotó un fracaso. En muchos casos fue posible demostrar la presencia de productos intermediarios (como cianuros, aldehídos, carbamatos, carbodiimidas y aminos), donde con el pasar del tiempo, en los equipos se originaron numerosos aminoácidos, ácidos carbónicos y ácidos grasos, como derivados. Con el correr del tiempo, la cantidad de biomoléculas encontradas y evidenciadas, ya llenan varios libros. Hasta hoy se generaron prácticamente todos los relevantes aminoácidos, lípidos, purinas (nucleótidos) y azúcares, en los experimentos de “2da generación” del caldo primigenio, incluso también se informó sobre la formación de combinaciones tan complejas, como la Porfirina y el Isopropeno. Hoimar v. Ditfurth escribió al respecto:
Pareciera indiferente de que sustancia se partió. Lo importante era, que la mezcla contenía Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno, aquellos átomos, que conforman la parte principal de toda la materia viviente (…). Sea cual fuesen los medios con que se trató de copiar las condiciones de la Tierra primigenia, en casi todos los casos se formaron las complejas moléculas, cuya ‛génesis abiótica' cuyo origen sin la presencia de seres vivos, que hasta ahora eran tan misteriosas no solo parta aquellas anteriores generaciones de investigadores, si no, también para aquellos hombres que realizaron estos ensayos”.


Última revisión 07.05.2005
Traducido del alemán por A. Gundelach, Santiago de Chile Julio 2010, con la gentil autorización del Dr. Martin Neukamm www.martin-neukamm.de/

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