El experimento Miller – Primera parte
Hace un año, cuando me tenía que decidir por el tema de mi tesis, lo elegí a conciencia del ámbito, que ya hace tiempo me interesaba. El origen de la vida. Anteriormente ya había leído muchas cosas referentes al desarrollo del universo y de la Tierra que siempre me entusiasmaba, cuanto depende nuestra existencia de la evolución de todo el cosmos. En último término toda la materia se compone del polvo de las estrellas, los elementos, que forman nuestro cuerpo, son los mismos, del cual una vez se formó el universo. Desde el Big-bang hasta el ser humano es la misma evolución, que va en una dirección de aumento de la complejidad y que causó, que de partículas, átomos y moléculas se desarrollaron las primeras células, organismos y finalmente, seres vivientes más desarrollados, animales y seres humanos. La idea, que la vida se haya formado de algo inanimado, durante mucho tiempo parecía ser inconcebible – pero hoy, sin embargo, esta claro, que la vida surge de la continua evolución de la materia. Los pasos de esta evolución pueden ser reproducidos teóricamente y mientras tanto se pudo confirmar indicios de un proceso como este. En el marco de mi tesis, me estaba ocupando con el primer experimento de la investigación moderna, del origen de la vida. El resultado de mis investigaciones y ensayos lo he compilado adicionalmente en una página WEB, que es accesible bajo www.urpool.de.zu.
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1. El origen de la vida y su investigación
"It must be admitted from the beginning that we do not know how life began."
Stanley L. Miller, 1974
La fascinante pregunta sobre el origen de la vida, no ha sido respondido hasta ahora a cabalidad, pero en los últimos cincuenta años, se lograron grandes éxitos en este campo de la investigación. Teorías y explicaciones especulativas sobre el origen de la vida hay de a miles. Pero para afirmar una hipótesis debe estar empíricamente fundamentada. Observaciones sobre el desarrollo de la vida reobtienen de conclusiones sobre la estructura y el, funcionamiento de organismos actuales, mediante análisis geoquímicos de antiguas rocas y fósiles, o también mediante experimentos químicos, que imitan las condiciones originales de la Tierra
S. L. Miller en el laboratorio
Los primeros resultados experimentales se obtuvieron en el año 1952, cuando el aspirante al doctorado en química Stanley Loyd Miller, realizó un experimento de simulación sobre la síntesis abiótica de la Tierra primitiva y donde logró sintetizar una serie de sustancias orgánicas, entre ellas aminoácidos esenciales para la vida. Con esto afirmó la teoría científica predominante de la época, de la formación espontánea, según la cual la vida se originó forzosamente por procesos químicos de materia inorgánica.
Este experimento da el inicio a la moderna investigación sobre el origen de los organismos más simples. Partiendo de esto, científicos de todo el mundo trabajan en crear un experimento, que tenga como resultado vida, o por lo menos, una preetapa de la vida. Si finalmente se lograría crear vida en un laboratorio, sin duda alguna sería una sensación, ya que el antiquísimo enigma sobre nuestro comienzo, estaría aclarado racionalmente sin fenómenos trascendentales.
“Primeramente debemos reconocer, que no sabemos como comenzó la vida”
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2. Fundamentos sobre la aparición espontánea de la vida en la tierra primitiva
2.1 La evolución química para la vida
De comprensiones sobre la estructura y el funcionamiento se puede deducir, cuales fueron los procesos que tuvieron que recorrer, en la joven Tierra, para formar los primeros organismos, los llamados protobiontes. Según esto la evolución química se realiza en cuatro etapas.
I.- Primero tiene lugar la síntesis abiótica y la acumulación de moléculas orgánicas simples, como aminoácidos y. nucleótidos
II.- En un segundo paso, estas moléculas se unen para formar polímeros moleculares, como proteínas y ácidos nucleicos
III.- Luego se origina una estructuración de estas macro moléculas orgánicas y formaciones similares a células
IV.- En el último estado, finalmente de los componentes y estructuras, se forman los protobiontes, que pueden replicar moléculas complejas y que de esto se desarrolla un mecanismo hereditario.
II.- En un segundo paso, estas moléculas se unen para formar polímeros moleculares, como proteínas y ácidos nucleicos
III.- Luego se origina una estructuración de estas macro moléculas orgánicas y formaciones similares a células
IV.- En el último estado, finalmente de los componentes y estructuras, se forman los protobiontes, que pueden replicar moléculas complejas y que de esto se desarrolla un mecanismo hereditario.
Este proceso de desarrollo no habría durado más que 10 millones de años. Algunos científicos incluso suponen, que la vida se formó dentro de no más de algunos miles de años. Una clasificación temporal, más exacta, se obtiene a mano de datos geológicos.
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2.2 El desarrollo geoquímico de
A la evolución química para la vida, se le ante pone la formación de la Tierra y con esto, el desarrollo de nuestro sistema solar, como parte de la evolución física del cosmos. Según el convencimiento general, nuestra Tierra, junto con los demás planetas del sistema solar, se formó hace unos pocos 4,6 mil millones de años, por la colisión de gas, polvo un una innumerable cantidad de pequeños cuerpos (embriones planetarios) de materia interestelar. Poco después de su formación, la Tierra primitiva se componía de una masa líquida incandescente, químicamente homogénea. La energía cinética liberada por los impactos de los embriones planetarios y los elementos radioactivos (hoy ya degradados), evitó un enfriamiento rápido de la Tierra originaria y produjo una diferenciación de los elementos químicos en el interior de la Tierra. Los
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Combinaciones más livianas como los silicatos, en los cuales estaba ligado firmemente el Oxígeno, se acumularon en la superficie, formando, después del enfriamiento, la costra terrestre. Las moléculas más livianas Hidrógeno (H2) y Helio (He) debido a la débil gravitación, no pudieron ser atados a la atmósfera, y se evaporaron en el espacio. Sobre el siguiente desenvolvimiento de la Tierra originaria, y en especial la formación y la composición de la atmósfera primitiva, existen diferentes opiniones. La ciencia hoy está en condiciones de formular hipótesis, mediante métodos analíticos geoquímicos, sin embargo, la mayoría de las rocas, que podrían evidenciar esto hoy, en el correr de la historia de la Tierra , han sido subducidos por la tectónica de las placas, y desaparecieron. Las rocas más antiguas encontradas hasta ahora tienen una edad de 3,9 mil millones de años, de manera, que no existen referencias sobre la composición química de los primeros 700 millones de años de la Tierra. Pero
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Con el enfriamiento de la costra terrestre, en los primeros cientos de millones de años, comenzó a condensarse el vapor de agua, a partir del límite de los 100 ºC . Así se formaron nubes, que produjeron precipitaciones, cuya agua comenzó a acumularse las cuencas de los océanos.
Un fósil teñido de una cianobacteria de unos 3,5 mil millones de años
Impactos de meteoritos; altas temperaturas; radiaciones UV; que sin impedimentos, pudieron a alcanzar la tierra; como frecuentes descargas eléctricas por rayos, proporcionaban la energía necesaria para la evolución química de la Tierra prístina. Estudios sobre isótopos de Carbono, en sedimentos de 3,9 mil millones de años de sedimentos de Groenlandia, indican que ya en esa época hubo vida, y que había finalizado la evolución química. Los restos petrificados de seres vivientes, fueron encontrados por el geólogo William Schopf en Australia, en rocas de 3,5 mil millones de años de antigüedad
Su alto estado de evolución indican, que los comienzos de la vida ya habían finalizado para esa época.
3. La teoría de Oparin-Haldane
La idea sobre el origen químico de la vida descrita, se basa esencialmente en las ideas y trabajos de dos científicos de los años 20.
A. I. Oparin
En 1924 el bioquímico ruso Aleksandr I. Oparin, publicó el libro “Orígenes de la vida”, donde planteó la teoría de la evolución química. Él suponía, que combinaciones simples, como aminoácidos, ácidos nucleicos y azúcares se formaron en la atmósfera original.
Oparin afirmó, que al enfriase la Tierra , por la descomposición de carburos y nitruros, se pudieron haber formado hidrocarburos y amoníaco y con la reacción de estas dos substancias se formaron Cianuro y aminoácidos. Reacciones químicas posteriores, pudieron haber formado compuestos cada vez más complejos, de los cuales finalmente se originó vida el océano primitivo, al caldo original. Aquí, el proceso de la evolución química no fue mayormente aclarado, sin embargo Oparin descubrió que las reacciones químicas debieron haberse realizado en ausencia de seres vivientes, ya que estos hubieran destruido de inmediato los nuevos compuestos.
J. B. S. Haldane
En forma independiente, el científico ingles John B. S. Haldane, publicó una idea similar. Al igual que Oparin, supuso que después que la Tierra primitiva se había enfriado lo suficiente para formar una sólida costra, no existió Oxigeno en la atmósfera primitiva. Este se acumuló en la atmósfera recién por la fotosíntesis.
Él explicaba, que la atmósfera original estaba compuesta principalmente por dióxido de carbono y Amoníaco. Por la acción de la luz UV, se pudieron realizarse reacciones químicas, donde se formaron combinaciones orgánicas, que se enriquecieron como un “diluido caldo caliente”, en el océano primitivo. Reacciones químicas posteriores, habrían originado los primeros organismos primitivos, que fueron abastecidos con alimentos por las combinaciones orgánicas del caldo original. Aún cuando Oparin y Haldane presentaban sólo conjeturas, sus ideas, sin embargo, fueron hitos en el entendimiento sobre la formación de la vida. Ellos fueron los primeros científicos, que se ocuparon teóricamente con la química prebiótica. Especialmente Oparin publicó otros libros y escritos, en los cuales describe detalladamente los pasos de las reacciones, que llevan a la formación de complejas moléculas.
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4. El experimento Miller-Urey
4.1 Las ideas e hipótesis del experimento de simulación
H. C. Urey
El químico norteamericano, descubridor del deuterio y premio Nóbel, Harold Urey, en 1951 en una clase magistral en la universidad KENT HALL en Chicago, donde también estaba presente, el estudiante de química Stanley Miller. Urey conferenciaba sobre la formación de los planetas y el desarrollo de las condiciones químicas en la Tierra primitiva, que permitieron la formación de vida.
Él recapituló sus suposiciones sobre la atmósfera primordial, las cuales, según las más recientes opiniones del ámbito de la geoquímica y química cósmica, las consideraba para ser resumidos. Urey explicó, que la atmósfera primordial, se componía de los energéticos gases Hidrógeno, Metano, y Amoníaco, que pudieron reaccionar, mediante las energías existentes, a combinaciones orgánicas. Además propuso, probar experimentalmente, si bajo condiciones de la tierra de aquel entonces, se podrían formar combinaciones orgánicas. Hasta ahora nadie lo había realizado, a pesar de que Oparin ya había mencionado esto hace 25 años. Stanley Miller estaba decidido realizar este experimento. En el año 1952 se presentó donde Urey y le pidió, poder realizar su tesis para el doctorado, bajo la supervisión de Urey. Éste estaba de acuerdo pero con la condición de una limitación en el tiempo, ya que le parecía demasiado inseguro para una tesis de doctorado. Pero finalmente Miller comenzó con el diseño de un experimento en el laboratorio de Harold Urey, que debería simular las condiciones de la temprana tierra, basándose en las suposiciones de Urey.
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Elektroden = Electrodos
Ventil = Válvula
Hahn (zum entnehmen von Proben) = Llave (para la extracción de muestras)
Kühlung = Refrigeración
U-Rohr = Tubo de forma de U
Miller armó este aparataje cerrado. Dos retortas fueron unidos entre si, mediante dos tubos de vidrio. La retorta de 0,5 litros contenía agua y era posible calentarlo. La retorta de 5 litros contenía dos electrodos entre los cuales se originaba una chispa contante, y se llenó con una mezcla de gases compuestos por H2, CH4, NH3. El tubo de unión con la retorta más pequeña, estaba rodeado de un enfriador por agua, de manera que los vapores que se formaban podían regresar a la retorta llenada con agua. El tubo en forma de U evitaba una recirculación en sentido contrario. El segundo tubo tenía una válvula por donde Miller podía extraer el aire, para que el equipo estuviera bajo vacío y llenarlo con los gases.
Este equipo simuló el sistema atmosférico-oceánico de la tierra primitiva. La retorta llenada con agua formaba el océano y mediante el calentamiento se producía vapor de agua, imitando la evaporación del agua del mar. El vapor subía hacia la retorta grande, que representaba la atmósfera primordial. Las descargas eléctricas imitaban los rayos, de las frecuentes tormentas eléctricas de la tierra original. Bajo la influencia de esta energía, los gases podían reaccionar entre ellos. Los productos pasaban por el condensador y fueron arrastrados hacia el “océano” (la pequeña retorta con el agua). En la Tierra primitiva precipitaciones eran responsables por el arrastre de los productos de la reacción. Las combinaciones no volátiles se acumulaban en la pequeña retorta y en el tubo de forma de U, mientras que los productos volátiles volvían hacia las descargas eléctricas.
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4.3 El ensayo y las observaciones
El aparato original
Después que un especialista soplador de vidrio, confeccionó exprofesamente el aparataje, Miller pudo comenzar con la realización del experimento. Primeramente le agregó 200 ml de agua en la retorta pequeña. Luego hube que extraer todo el aire y con el Oxígeno. Esto se hizo por dos razones. Por un lado, la atmósfera original no contenía oxígeno, según las suposiciones de Urey y de Miller, y por otro lado, existía el peligro de una explosión, en presencia de Oxigeno junto con Hidrógeno o Metano, en el momento de las descargas eléctricas. Después de extrae el aire, Miller inyectó en el equipo los gases Hidrógeno, Metano y Amoníaco, en la proporción (H2) : (CH4) : (NH3) = 1 : 2 : 2. Luego se puso a hervir el agua y se iniciaron las descargas eléctricas. El experimento se hizo correr durante una semana, de forma continuada. Ya después de un día el agua se tiñó de un suave rosado. Al final de la semana, la solución, en la retorta pequeña tenía un color rijo a marrón. En la parte interior de la retorta grande se formó una capa aceitosa marrón amarillenta.
Con la gentil autorización de de su autora: Sabine Himmelein, Febrero 2003
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