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.
Figur
a 5
a 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
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