Abiogénesis: teorías, procesos y debates sobre el origen de la vida

La vida más antigua reclamada en la Tierra

Las primeras formas de vida reivindicadas son los microorganismos fosilizados (o microfósiles). Se encontraron en rocas ricas en hierro y sílice que en su día fueron respiraderos hidrotermales en el cinturón de piedra verde de Nuvvuagittuq, en Quebec (Canadá).

Estas rocas tienen una antigüedad de hasta 4.280 millones de años. Las formas tubulares que contienen se muestran en un informe. Si se trata del registro más antiguo de la vida en la Tierra, sugiere "una aparición casi instantánea de la vida" tras la formación de los océanos hace 4.400 millones de años. Según Stephen Blair Hedges, "si la vida surgió con relativa rapidez en la Tierra... entonces podría ser común en el universo".

Más temprano

Un estudio científico de 2002 demostró que las formaciones geológicas de estromatolitos de 3.450 millones de años de antigüedad contienen cianobacterias fosilizadas. En ese momento se acordó ampliamente que los estromatolitos eran las formas de vida más antiguas conocidas en la Tierra que habían dejado constancia de su existencia. Por tanto, si la vida se originó en la Tierra, esto ocurrió en algún momento entre hace 4.400 millones de años, cuando el vapor de agua se licuó por primera vez, y hace 3.500 millones de años. Este es el trasfondo del último descubrimiento comentado anteriormente.

Las primeras pruebas de vida proceden del cinturón supercrustal de Isua, en el oeste de Groenlandia, y de formaciones similares en las cercanas islas Akilia. Esto se debe a que allí se encuentra un alto nivel del isótopo más ligero del carbono. Los seres vivos toman isótopos más ligeros porque esto requiere menos energía. El carbono que entra en las formaciones rocosas tiene una concentración de δ¹³ C elemental de aproximadamente -5,5. de¹² C, la biomasa tiene un δ¹³ C de entre -20 y -30. Estas huellas isotópicas se conservan en las rocas. Con estas pruebas, Mojzis sugirió que la vida ya existía en el planeta hace 3.850 millones de años.

Algunos científicos piensan que la vida podría haber sido llevada de un planeta a otro mediante el transporte de esporas. Esta idea, ahora conocida como panspermia, fue planteada por primera vez por Arrhenius.

Generación espontánea

Hasta principios del siglo XIX mucha gente creía en la generación regular y espontánea de la vida a partir de la materia no viva. Esto se denominó generación espontánea y fue refutado por Louis Pasteur. Demostró que sin esporas no crecían bacterias ni virus en material estéril.

Darwin

En una carta dirigida a Joseph Dalton Hooker el 11 de febrero de 1871, Charles Darwin propuso un proceso natural para el origen de la vida.

Sugirió que la chispa original de la vida pudo haber comenzado en un "pequeño y cálido estanque, con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luces, calor, electricidad, etc. Entonces se formó químicamente un compuesto de proteínas listo para sufrir cambios aún más complejos". Continuó explicando que "en la actualidad esa materia sería devorada o absorbida instantáneamente, lo que no habría ocurrido antes de que se formaran los seres vivos".

Haldane y Oparin

No se produjo ningún avance real hasta 1924, cuando Alexander Oparin razonó que el oxígeno atmosférico impedía la síntesis de las moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas son los bloques de construcción necesarios para la evolución de la vida. En su obra El origen de la vida, Oparin argumentó que se podía crear una "sopa primordial" de moléculas orgánicas en una atmósfera sin oxígeno por la acción de la luz solar. Éstas se combinarían de forma cada vez más compleja hasta formar gotitas. Estas gotitas "crecerían" por fusión con otras gotitas, y se "reproducirían" por fisión en gotitas hijas, y así tendrían un metabolismo primitivo en el que sobrevivirían los factores que promueven la "integridad celular", los que no se extinguen. Muchas teorías modernas sobre el origen de la vida siguen tomando como punto de partida las ideas de Oparin.

Por la misma época, J.B.S. Haldane también sugirió que los océanos prebióticos de la Tierra, que eran muy diferentes a los actuales, habrían formado una "sopa caliente diluida". En esta sopa podrían haberse formado compuestos orgánicos, los componentes básicos de la vida. Esta idea se denominó biopoiesis, el proceso de evolución de la materia viva a partir de moléculas autorreplicantes pero no vivas.

Casi no hay registros geológicos de antes de hace 3.800 millones de años. El entorno que existía en la era hadeana era hostil a la vida, pero no se sabe hasta qué punto. Hubo una época, entre hace 3.800 y 4.100 millones de años, que se conoce como el Bombardeo Pesado Tardío. Se llama así porque se cree que entonces se formaron muchos cráteres lunares. La situación en otros planetas, como la Tierra, Venus, Mercurio y Marte, debió de ser similar. Estos impactos probablemente esterilizarían la Tierra (matarían toda la vida), si es que existía en esa época.

Varias personas han sugerido que las sustancias químicas de la célula dan pistas sobre cómo debían ser los primeros mares. En 1926, Macallum observó que la composición inorgánica del citosol de la célula difiere drásticamente de la del agua de mar moderna: "la célula... tiene dotaciones transmitidas desde un pasado casi tan remoto como el origen de la vida en la tierra". Por ejemplo: "Todas las células contienen mucho más potasio, fosfato y metales de transición que los modernos ... océanos, lagos o ríos". "En la atmósfera primordial anóxica, dominada por el CO₂ , la química de las cuencas interiores en los campos geotérmicos sería [como la química dentro de] las células modernas".

Temperatura

Si la vida evolucionó en las profundidades del océano, cerca de un respiradero hidrotermal, podría haberse originado hace entre 4.000 y 4.200 millones de años. Si, por el contrario, la vida se originó en la superficie del planeta, una opinión común es que sólo pudo hacerlo entre 3.500 y 4.000 millones de años.

Lazcano y Miller (1994) sugieren que el ritmo de la evolución molecular fue dictado por la velocidad de recirculación del agua a través de los respiraderos submarinos del centro del océano. La recirculación completa tarda 10 millones de años, por lo que cualquier compuesto orgánico producido para entonces se vería alterado o destruido por temperaturas superiores a los 300 °C. Estiman que el desarrollo de un genoma de 100 kilobases de un heterótrofo primitivo de ADN/proteína en una cianobacteria filamentosa de 7000 genes habría requerido sólo 7 millones de años.

Historia de la atmósfera terrestre

Originalmente, la atmósfera de la Tierra casi no tenía oxígeno libre. Fue cambiando gradualmente hasta llegar a lo que es hoy, a lo largo de mucho tiempo (véase el Gran Evento de Oxigenación). El proceso comenzó con las cianobacterias. Fueron los primeros organismos en fabricar oxígeno libre mediante la fotosíntesis. La mayoría de los organismos actuales necesitan oxígeno para su metabolismo; sólo unos pocos pueden utilizar otras fuentes para la respiración.

Así que es de esperar que los primeros protoorganismos fueran quimioautótrofos y no utilizaran la respiración aeróbica. Eran anaerobios.

No existe un "modelo estándar" sobre cómo empezó la vida. La mayoría de los modelos aceptados se basan en la biología molecular y la biología celular:

1. Al darse las condiciones adecuadas, se crean algunas pequeñas moléculas básicas. Se denominan monómeros de la vida. Los aminoácidos son un tipo de estas moléculas. Esto lo demostró el experimento Miller-Urey de Stanley L. Miller y Harold C. Urey en 1953, y ahora sabemos que estos bloques de construcción básicos son comunes en todo el espacio. La Tierra primitiva los habría tenido todos.
2. Los fosfolípidos, que pueden formar bicapas lipídicas, un componente principal de la membrana celular.
3. Nucleótidos que podrían unirse en moléculas de ARN al azar. Esto podría haber dado lugar a ribozimas autorreplicantes (hipótesis del mundo del ARN).
4. La competencia por los sustratos seleccionaría las miniproteínas en las enzimas. El ribosoma es fundamental para la síntesis de proteínas en las células actuales, pero no tenemos idea de cómo evolucionó.
5. Al principio, los ácidos ribonucleicos habrían sido catalizadores, pero más tarde, los ácidos nucleicos se especializan para el uso genómico.

El origen de las biomoléculas básicas, aunque no está resuelto, es menos controvertido que el significado y el orden de los pasos 2 y 3. Las sustancias químicas básicas a partir de las cuales se cree que se formó la vida son:

• Metano (CH₄ ),
• Amoníaco (NH₃ ),
• Agua (H₂ O),
• Sulfuro de hidrógeno (H₂ S),
• Dióxido de carbono (CO₂ ) o monóxido de carbono (CO), y
• Fosfato (PO₄^3- ).
• Cianuro de hidrógeno (HCN)

El oxígeno molecular (O₂ ) y el ozono (O₃ ) eran escasos o estaban ausentes.

Tres etapas

• Etapa 1: El origen de los monómeros biológicos
• Etapa 2: El origen de los polímeros biológicos
• Etapa 3: La evolución de las moléculas a las células

Bernal sugirió que la evolución puede haber comenzado pronto, en algún momento entre la etapa 1 y la 2.

Hay tres fuentes de moléculas orgánicas en la Tierra primitiva:

1. la síntesis orgánica mediante fuentes de energía (como la luz ultravioleta o las descargas eléctricas).
2. entrega por objetos extraterrestres como los meteoritos carbonosos (condritas);
3. la síntesis orgánica impulsada por los choques de impacto.

Las estimaciones de estas fuentes sugieren que el bombardeo pesado de hace 3.500 millones de años permitió disponer de cantidades de orgánicos comparables a las producidas por otras fuentes de energía.

El experimento de Miller y la sopa primordial

En 1953, un estudiante de posgrado, Stanley Miller, y su profesor, Harold Urey, realizaron un experimento que mostraba cómo las moléculas orgánicas podían haberse formado en la Tierra primitiva a partir de precursores inorgánicos.

El ahora famoso experimento de Miller-Urey utilizó una mezcla muy reducida de gases -metano, amoníaco e hidrógeno- para formar monómeros orgánicos básicos, como los aminoácidos. Ahora sabemos que durante más de la primera mitad de la historia de la Tierra su atmósfera casi no tenía oxígeno.

Los experimentos de Fox

En las décadas de 1950 y 1960, Sidney W. Fox estudió la formación espontánea de estructuras peptídicas en condiciones que podrían haber existido en los primeros tiempos de la historia de la Tierra. Demostró que los aminoácidos podían formar por sí mismos pequeños péptidos. Estos aminoácidos y pequeños péptidos podían animarse a formar membranas esféricas cerradas, llamadas microesferas.

Algunos científicos han sugerido condiciones especiales que podrían facilitar la síntesis celular.

El mundo de la arcilla

Un modelo de arcilla para el origen de la vida fue sugerido por A. Graham Cairns-Smith. La teoría de la arcilla sugiere que las moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente sobre una plataforma no orgánica preexistente, a saber, los cristales de silicato en solución.

Modelo de biosfera profunda

En la década de 1970, Thomas Gold propuso la teoría de que la vida se desarrolló por primera vez no en la superficie de la Tierra, sino a varios kilómetros por debajo de ella. El descubrimiento a finales de los años 90 de nanobios (estructuras filamentosas más pequeñas que las bacterias, pero que pueden contener ADN en las rocas profundas) podría apoyar la teoría de Gold.

Ahora está razonablemente bien establecido que la vida microbiana es abundante a poca profundidad en la Tierra (hasta cinco kilómetros por debajo de la superficie) en forma de arqueas extremófilas, en lugar de las más conocidas eubacterias (que viven en condiciones más accesibles).

Gold afirmaba que un goteo de alimento procedente de una fuente profunda e inalcanzable es necesario para la supervivencia, ya que la vida que surge en un charco de materia orgánica es probable que consuma todo su alimento y se extinga. La teoría de Gold era que el flujo de alimento se debe a la salida de metano primordial del manto terrestre.

Autoorganización y replicación

La autoorganización y la autorreplicación son el sello de los sistemas vivos. Las moléculas no vivas muestran a veces esas características en condiciones adecuadas. Por ejemplo, Martin y Russel demostraron que las membranas celulares que separan el contenido del entorno y la autoorganización de las reacciones redox autónomas son los atributos más conservados de los seres vivos. Argumentan que una materia inorgánica así sería el último ancestro común de la vida con mayor probabilidad.

Hipótesis del mundo del ARN

En esta hipótesis, se dice que el ARN funciona a la vez como enzima y como contenedor de genes. Posteriormente, el ADN asumió su papel genético.

La hipótesis del mundo del ARN propone que la vida basada en el ácido ribonucleico (ARN) es anterior al mundo actual de la vida basada en el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ARN y las proteínas. El ARN es capaz tanto de almacenar información genética, como el ADN, como de catalizar reacciones químicas, como una enzima. Es posible que haya sustentado la vida precelular y que haya sido un paso importante hacia la vida celular.

Hay algunas pruebas que apoyan esta idea:

1. Hay algunos ARN que funcionan como enzimas.
2. Algunos virus utilizan el ARN para la herencia.
3. Muchas de las partes más fundamentales de la célula (las que evolucionan más lentamente) requieren ARN.

Metabolismo y proteínas

Esta idea sugiere que las proteínas funcionaron primero como enzimas, produciendo el metabolismo. Después, el ADN y el ARN empezaron a funcionar como contenedores de genes.

Esta idea también tiene algunas evidencias que la apoyan.

1. La proteína como enzima es esencial para la vida actual.
2. Algunos aminoácidos se forman a partir de sustancias químicas más básicas en el experimento de Miller-Urey. Algunos niegan esta idea porque las proteínas no pueden copiarse a sí mismas.

Lípidos

En este esquema, las membranas formadas por bicapas de lípidos aparecen en un primer momento. Una vez que las sustancias químicas orgánicas están encerradas, es posible entonces una bioquímica más compleja.

Esta es la idea sugerida por Arrhenius, y desarrollada por Fred Hoyle, de que la vida se desarrolló en otro lugar del universo y llegó a la Tierra en forma de esporas. No se trata de una teoría de cómo empezó la vida, sino de una teoría de cómo podría haberse propagado. Puede haberse propagado, por ejemplo, mediante meteoritos.

Algunos proponen que el Marte primitivo era un lugar mejor para iniciar la vida que la Tierra primitiva. Las moléculas que se combinaron para formar el material genético son más complejas que la "sopa primordial" de sustancias químicas orgánicas (basadas en el carbono) que existía en la Tierra hace cuatro mil millones de años. Si el ARN fue el primer material genético, los minerales que contienen boro y molibdeno podrían contribuir a su formación. Estos minerales eran mucho más comunes en Marte que en la Tierra.

En el cristianismo, algunas personas rechazan la idea de la evolución. Creen que la Tierra sólo tiene unos pocos miles de años. Esto se conoce como creacionismo de la Tierra joven. Sin embargo, la Biblia no indica explícitamente la edad de la Tierra, sólo que "En el principio, Dios creó los cielos y la tierra" (Génesis 1:1)

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