19 de julio de 2010

Pasos hacia la vida - Segunda parte



Pasos hacia la vida
Segunda parte

4.- El problema de la radiación UV y el efecto Urey

Al comienzo de la segunda parte del último siglo, cuando la hipótesis de la formación natural de la vida aún se encontraba muy en lo especulativo, el químico Harold C. Urey, cimentó la base científica para el experimento fundamental de Miller. Urey, en su tiempo un experto en el ámbito de la química atmosférica, señalizó, que la capa de aire de la tierra primigenia, tuvo que tener una composición distinta a la actual. Metano, Amoníaco y agua formaban la atmósfera junto con un poco de dióxido de Carbono, monóxido de Carbono e Hidrógeno, mientras que el Oxígeno prácticamente no estaba presente. Hoy día creemos, que sus suposiciones no eran totalmente correctas; las concentraciones en gases reductores, como Metano, Amoníaco e Hidrógeno fue mucho más baja (sin embargo, la atmósfera debió haber sido débilmente reductora).

Como ya se había mencionado, la Tierra originaria debido a su cercanía al Sol, estuvo expuesta a una fuerte radiación UV, que degradó foto-catalíticamente al Metano y Amoníaco, Se formó dióxido de carbono y Nitrógeno químicamente inerte y agua; todos gases que acuñaron la segunda atmósfera. Estas combinaciones serían, en una medida muy inferior capacitadas, para formar moléculas biogénicas que pudiesen haber llevado a la formación de vida.

Figura 4
La Nebulosa del Anillo M 57 en la constelación Lira (distancia aprox. 4100 años luz) – una de las nebulosas planetarias más hermosas. La nebulosa envuelve a una caliente estrella enana. Hace mucho tiempo colapsó la estrella y expulso explosivamente la mayor parte de su materia al espacio. Desde entonces un anillo de polvo y gas recuerda a su existencia. Materia interestelar como esta, presumiblemente representan la cuna de la vida, ya que de una materia como esta se formó el sistema planetario. Mientras tanto se ha logrado demostrar la presencia de combinaciones orgánicas en el gas interestelar.

Por esto muchos científicos, entre ellos también el astrónomo Fred Hoyle, estaban extraordinariamente escépticos frente a la teoría del caldo originario de Miller. Hoyle defendía el punto de vista, que la formación de la vida desde un caldo originario fuese altamente improbable, sobre todo, porque las hostiles radiaciones del Sol hubieran degradado los sensibles productos orgánicos. Él suponía que la vida se habría formado en el espacio. Mientras tanto se pudo demostrar mediante la espectrografía, la presencia de aminoácidos y azucares en el gas interestelar (ver figura 4), Los mismos tipos de combinaciones también se encontraron en meteoritos de Hierro-Níquel.
Sin embargo, es evidente que la teoría de la formación extraterrestre de la vida, sólo lleva a un desplazamiento del problema. Además la concentración de compuestos orgánicos en los meteoritos es demasiada reducida, para que pudiese haber originado una procelosa aparición de la vida en la tierra. Por esto, la teoría de la abiogénesis no logró imponerse en general en los círculos científicos, pero hoy se vuelve a discutir sobre ella. Las objeciones contra la formación en la tierra primigenia hubo que tomarlas bien en serio.
Urey aceptó el reto y se dedico nuevamente a la composición de la atmósfera. Que se componía de Metano, Amoníaco, eventualmente de Nitrógeno, monóxido de Carbono y dióxido de Carbono, entonces aún parecía ser plausible; pero junta a esto también debió existir vapor de agua. Urey, ahora supuso, que la radiación UV debió haber originado una fotólisis del vapor de agua. Aquí se formaron Hidrógeno que se disipó en el espacio, debido a su baja densidad, quedó el Oxígeno, que formó una insipiente capa de Ozono.

Dos científicos de la universidad de Texas, Berkner y Marshall comenzaron simular este efecto mediante el uso de computadores y descubrieron, que en base a ese efecto debió haber existido una concentración de equilibrio de aproximadamente un 0,1% del contenido actual de Oxigeno en la atmósfera. La concentración de trazas de la capa de Ozono, resultante del Oxígeno, absorbió, en forma especialmente efectiva, radiaciones UV en el campo de ondas entre 260 y 280 nanómetros. Justamente en este ámbito los aminoácidos, ladrillos para la vida, son especialmente sensibles a la radiación UV y son fácilmente degradados. Hay que tener claro lo que esto significa: La parcial absorción de esta radiación facilita la existencia de estas combinaciones químicas como aminoácidos y otras sustancias, que tuvieron mucha relevancia para la formación de la vida. En honor al descubridor, este fenómeno recibió el nombre de Efecto Urey. ¿Pero la concentración de productos precursores biogénicos realmente fue lo suficientemente alta, para crear vida, y como pudo suceder esto concretamente?

5.- La clásica teoría en crisis: Wächtershäuser y la teoría “Biomembrana”.

A pesar de los grandes experimentos de medianos del siglo pasado, que parecían confirmar tan brillantemente la teoría del caldo originario, hoy ya se miran con cierto escepticismo estos descubrimientos. Miller y Urey pudieron documentar, que prácticamente se podían formar todas las biomoléculas relevantes, a base de leyes físico-químicas, pero resultó que las cantidades de la biomoléculas, era más bien reducida. En tiempos de Urey, los defensores de la teoría del caldo originario creían en una naturaleza del océano primigenio, que se presentaba, como una verdadero “caldo sustancioso de la vida” ("chicken broth") con un aporte de un 10 % de combinaciones orgánicas. Hoy se llega, en el marco de ensayos de simulación en progreso, al convencimiento, que la concentración (como consecuencia de la alta radiación UV) probablemente había sido tan baja, que estructuras biológicas complejas no pudieron originarse por casuales reacciones químicas en los mares abiertos.
Existe otra serie de argumentos contra la teoría del caldo originario, como el hecho, de que largas cadenas de biomoléculas (productos poli-condensados como por ejemplo, oligopéptidos o proteínas, etc.) no se pueden formar en el océano primigenio. Ya que grandes cantidades de agua, impiden la formación largas cadenas de aminoácidos nucleótidos; incluso cadenas cortas se vuelven a degradar. Además se necesita energía, para unir aminoácidos A, B, C, etc., en cadenas moleculares lineales A-B-C - ¿De dónde provino esta? Otro problema consiste en la reducida estabilidad de soluciones acuosas de azúcar y aminoácidos; estos compuestos de descomponen después de un corto lapso. ¿Y de donde provienen los catalizadores, que de la mezcla heterogenia podían hacer que con un buen rendimiento, se desarrolle un apreciable espectro de productos que formara un sistema cooperativo?

Este problema lo trató de eludir en los años setenta, un científico de Universidad Weizmann en Israel. Él señaló, que ciertas arcillas, las llamadas Montmorillonitas están predestinadas ligar sustancias orgánicas en sus poros. Micas y montmorillontas son los llamados filosilicatos, que alternativamente están constituidos alternativamente por capas negativamente cargadas y cationes positivamente cargados. Entre estas capas se pueden almacenar agua y combinaciones orgánicas, como aminoácidos, que desplazan al agua de estas capas. En el laboratorio se demostrado, que aminoácido adenosilatos están adecuados para construir poli-péptidos y proteínas. En presencia de montmorillontas, de soluciones acuosas se puede sintetizar, poli-péptidos con hasta 60 aminoácidos prácticamente con un 100 % de rendimiento.

Hoy, sin embargo, se sustenta una teoría alternativa, que se encuentra en competencia con la teoría del caldo originario (de hecho con más poder explicativo), que ha desarrollado el químico y abogado de patentes en Múnich Günter Wächterhäuser. Su teoría del metabolismo de superficie “Biomembrana” parte de la suposición que los polímeros – no se formaron retrógradamente de una sopa primigenia, si no que se originaron, en la superficie de minerales catalíticamente activos presentes en el mar.
Un importante factor aquí es la llamada entropía de reacción: Si la entropía de reacción aumenta fuertemente (lo que siem0re es el caso de las disoluciones), entonces el equilibrio de reacción siempre se inclina hacia el lado de los productos degradados. Si no aumenta o sólo lo hace muy reducidamente, como es el caso de las reacciones de superficie, entonces el sistema es llevado hacia la síntesis. Por esto en un estrato molecular enlazado, la formación de polímeros es preferida también donde grupos funcionales menos activos. Además, la estabilidad de sustancias entrelazadas en superficies, es mayor que en soluciones libres, y una serie de minerales tienen una actúan catalíticamente, esto significa que pueden favorecer o acelerar bien determinadas reacciones.

Ahora Wächterhäuser supone, que a partir de azúcares simples ligadas en superficies (Gliceraldehido fosfato y Dihidroxiacetona fosfato) se formaron en primer término largos polímeros estructuras poli acéticas, la fosfato ribos, que podría jugar un papel como antecesora de los ácidos nucleídos y determinadas coenzimas, de estas sustancias precursoras. De estas sustancias predecesoras, habrían de formarse en forma escalonada isoprenoides y membranas de envolturas,
y membranas de envolturas, además procesos metabólicos simples y finalmente la maquinaria genética. La teoría de Wächterhäuser, ofrece una elaborada y ante todo una muy bien formulada teoría química frente a la teoría clásica, la formación de las sustancias postuladas y metabolismos recién fue investigado experimentalmente en sus arranques. Además, esta teoría exige muy altas temperaturas y un ámbito rico en minerales y una fuente de compuestos inorgánicos. ¿En un medio co9mo este puede prosperar vida, y si es así, donde se encuentran realizadas estas condiciones?

6.- Gérmenes de la vida en los profundo del mar

Los biólogos hicieron un descubrimiento interesante, que podría responder y apoyar a la teoría de Wächthäuser: En vertientes calientes de azufre, los llamados geiseres en el parque de Yellostone, reinan, como se creyó durante mucho tiempo, condiciones absolutamente hostiles para la vida. El agua casi hierve, su temperatura es de 90 °C, adicionalmente el agua contiene Hidrógeno sulfurado, un fuerte veneno para la mayoría de los seres vivientes. Y sobre todo el agua es tan pacida, que podría corroer las telas. Pero incluso bajo estas condiciones, científicos encontraron microorganismos anaeróbicos, que sólo pueden existir bajo la exclusión del Oxígeno. Estas bacterias extravagantes del tipo termoacidófilas con el nombre Sulfolobus obtienen energía desde la oxidación del hidrógeno sulfurado.

Figura 5
Dibujo de bacterias. Se asemejan a aquellas que pertenecen al tipo de las termoacidófilas, estas son partes de la archea bacterias, que ya existieron en la Tierra, cuando aún no se habían formado otras formas de vida. Ellas son consideradas como los ´primeros seres vivientes aún existentes en la Tierra.

Se parecen a fósiles en antiguos depósitos de rocas sedimentarias y son considerados hoy como representantes arcaicos de la primera vida. Este asunto lo investigaron a fondo los científicos y encontraron bacterias de la misma rama en las profundidades del mar, en condiciones similares como aquella que reinan en las vertientes caliente de Yellostone (ver figura 5). Estas bacterias se encuentran en las zonas de rompimiento de las placas tectónicas, donde gracias al magma fundido, que se encuentra cerca del fondo del mar, emerge agua caliente. Estas vertientes calientes de las profundidades del mar se les llama black smokers fumarolas negras”, debido a que emiten Hidrógeno sulfurado y se forman “nubes” de de sulfuros metálicos negros de difícil disolución. El agua emergente allí tiene una temperatura de 350 °C, y la presión alcanza 300 veces la presión de la atmósfera. Y sin embargo estas arcaicas bacterias solo pueden existir en este ambiente infernal. Estos descubrimientos llevan a la conclusión. Que los primeros seres vivientes deben haberse formado bajo la exclusión del Oxigeno, en las proximidades del fondo del mar y haber sido desplazado posteriormente, por bacterias de vida aeróbica. Sólo en el medio libre de oxígeno de las profundidades del mar pudo sobrevivir esta población.
En apoyo a los descubrimientos, que se ajustan muy bien a la teoría de Wächterhäuser, muchos investigadores sostienen que la verdadera cuna de la vida se encuentra en las profundidades de los mares: Aún cuando la organización de moléculas simples hacia grandes biomoléculas y estructuras complejas en el mar libre fue muy improbable, las condiciones de las, profundidades marítimas pudieron haber favorecido a estos procesos. Allí existieron las necesarias temperaturas y presiones, y también los minerales (sulfuros metálicos). Los sulfuros metálicos posibilitan una serie de reacciones químicas, ellos poseen propiedades catalizadores. Otras evidencias para la suposición, de que la vida pudo haberse formado en el mar profundo, lo dan los experimentos del científico japonés Yanagawa de Tokio, quién comenzó a experimentar con los componentes del caldo primigenio. Él preparó una solución con aminoácidos y los expuso a las mismas condiciones existentes en las profundidades del mar. La mezcla fue encerrada en una autoclave y expuesto durante 6 horas a una temperatura de 260 °C y a una presión de 130 bar. El resultado lo observó Yanagawa bajo el microscopio, donde se pudo observar lo siguiente:


Figura 6:
Pequeñas micro esferas bajo el microscopio. El parecido con primitivos unicelulares (como por ejemplo células de levadura) es asombroso. Mientras tanto se descubrieron fósiles de 3,8 mil millones de años, que se parecen mucho a las micro esferas. Las micro esferas son capaces de crecer y formar pequeñas excrecencias, que después se separan de la esfera madre (brotes).

En todos los ensayos, fue posible observar estas pequeñas estructuras proteinoides esféricas con un diametrito de dos milésimas de milímetro, que mostraban una membrana del tipo de las células (ver figura 6). A estas esferas se les llama esferas micro esferas. Las membranas de proteínas, tiene la capacidad de absorber selectivamente ciertas sustancias como el portador de energía ATP, glucosa y otras sustancias desde el entorno y también eliminar determinadas sustancias. Estas micro esferas, incluso están capacitadas para crecer y ”multiplicarse” mediante brotes A esto se le agrega la sorprendente similitud con los fósiles de 3,8 mil millones de años , en sedimentos marinos convertidos en rocas, que fueron encontrados en Groenlandia. Estos ya existieron cuando la Tierra aún estaba joven y cuando la evolución comenzó con sus grandes experimentos.

7.- Desde la teoría de las biomembranas hasta los “pirita organismos” de Karl Stetter

El bioquímico Prof. Dr. Karl Stetter de la universidad de Ratisbona, en conformidad a Wächterhäuser, tiene el convencimiento, que la vida tuvo su inicio en la superficie piritas. El sulfuro de hierro “Pirita” tiene característica semi conductora, sobre lo cual se basa su brillo dorado metálico (ver figura 7). En la superficie de estos sulfuros metálicos, se encuentran iones, o sea portadores de carga libres, que en el plano molecular no son compensados eléctricamente (ver figura 8). De esta manera es posible que sustancias orgánicas se liguen, y que en base a las propiedades catalíticas de la pirita, puede haber llevado a reacciones químicas para formar complejas macromoléculas, metabolismos y primitivas protobiontes.


Figura 7:
Pirita impresiona por su brillo dorado y sus cristales de grandes superficies. Pero en estado fino es un polvo negro. Así se origina en las profundidades del mar, en las cercanías de las vertientes calientes, en cantidades bastante significantes.

La pirita pudo haber servido al mismo tiempo, como un “biocatalizador” y fuente de energía: Monosulfuro de Hierro reacción a con el hidrógeno sulfurado para formar pirita y hidrógeno atómico. El Hidrógeno pudo haber estado disponible como fuente de energía para las bacterias primitivas. Stetter cree, que los primeros “microbios” dependían de la pirita como “agente dador de vida” y recién con el correr del tiempo, después de que se ha desarrollado el sistema reproductivo, logró desprenderse de la pirita.

Figura 8:
Entramado espacial de la pirita. Las esferas rojas representan los aniones de bisulfuro de doble carga negativa, las esferas azules los cationes de hierro de doble carga positiva, En la superficie de la pirita, las cargas no son totalmente compensadas por correspondientes cargas ce signo contrario, de manera que se pueden depositar moléculas orgánicas.

Si finalmente fue la pirita u otros minerales que llevaron a la formación de la vida, queda abierto. Hasta hoy no ha sido posible demostrar la presencia de microbios “sobre piritas

Última revisión 07.05.2005

Traducido del alemán por A. Gundelach, Santiago de Chile Julio 2010, con la gentil autorización del Dr. Martin Neukamm "Schritte zum Leben" www.martin-neukamm.de

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