El Origen de la vida

Nadie sabe con exactitud cuándo o cómo comenzó la existencia del nivel de organización que es la célula viva, pero en algún momento de la historia de nuestro planeta surgieron estos sistemas biológicos capaces de producir descendientes y evolucionar. Hay diversas teorías que plantean este origen, como las que veremos a continuación.

En 1908 Arrhenius propuso lo que él llamó la teoría de la panspermia o panespermia. De acuerdo con esta teoría, la vida habría surgido en la tierra y se habría desarrollado a partir de una bacteria que llegó del espacio exterior, que a su vez se habría desprendido de un planeta en el que hubiese vida.

Arrhenius no solucionó el problema del origen de la vida, ya que no explica ni proporciona evidencias sobre cómo se podría haber originado ésta en un planeta hipotético del cual se habría desprendido una bacteria, debido a que las condiciones del medio interestelar son poco favorables para cualquier forma de vida.

Teoría quimiosintética del origen de la vida o teoría de la síntesis abiótica.

El bioquímico ruso Alexander Ivanovich Oparin y el biólogo inglés John Burdon Haldane, llevaron a cabo trabajos independientes, que en su conjunto dio origen a la teoría quimiosintética del origen de la vida o teoría de la síntesis abiótica.

Oparin
En 1921, sugirió que los primeros compuestos orgánicos se habían formado abióticamente. La atmósfera de la Tierra recién formada estaba compuesta por hidrógeno y compuestos con hidrógeno, como el metano y el amoniaco, que le daban un fuerte carácter reductor, es decir, un ambiente en el cual existe un exceso de hidrógeno libre. Estos compuestos reaccionaron con la energía de la radiación solar, de la actividad eléctrica de la atmósfera y de fuentes de calor como los volcanes, dando como resultado la formación de compuestos orgánicos sencillos y compuestos orgánicos de alto peso molecular, que disueltos en los océanos primitivos ácidos, culminaría con la formación de sistemas moleculares abiertos, precursores de las células.
Haldane
Publicó un artículo titulado El origen de la vida, en el que proponía una alternativa extraordinariamente parecida a la hipótesis de Oparin (sin haberla conocido).

Las primeras evidencias experimentales para la teoría Oparin-Haldane

En estas investigaciones de síntesis abiótica se usaron diferentes fuentes de energía, tales como calor, luz ultravioleta, radiación ionizante, mostrando que casi cualquier fuente de energía convertía las moléculas que se cree que estaban presentes sobre la superficie de la Tierra primitiva en una gran variedad de compuestos orgánicos simples (monómeros), como aminoácidos, purinas y pirimidinas.

Stanley L. Miller-Urey
Las primeras evidencias fueron aportadas en 1953. Miller simuló en el laboratorio las condiciones que se suponía existían en la Tierra primitiva.
Cyril Ponnamperuma
En la década de 1960, bajo los mismos principios generales, este científico simuló la atmósfera primitiva y la hidrósfera, colocando un matraz en el agua se vaporizaba y acumulaba todos los productos de reacción de una atmósfera reductora que en contacto con el agua formaban distintas moléculas orgánicas, tales como monosacáridos.
Otros Investigadores
Se hicieron modificaciones en las condiciones experimentales de la mezcla de gases colocada en el vaso de reacción, utilizando, además de metano, amoniaco e hidrógeno, otras sustancias precursoras, como ácido sulhídrico (H₂ S)- que seguramente en la Tierra primitiva provenía de los gases volcánicos- ácido cianhídrico (HCN), formaldehído (H₂ CO) y monóxido de carbono (CO).

¿Y cómo se forman las moléculas más complejas?

El siguiente paso trascendental es probable que haya sido la formación de moléculas más complejas, como los polisacáridos y lípidos.

John Desmond Bernal propuso, en 1951, que las reacciones de condensación para la síntesis de polímeros, pudieron haber ocurrido a orillas de los mares y en las acumulaciones de agua que existían en lagunas someras y pequeños charcos. Entonces la materia orgánica se depositaba en las superficies minerales de las arcillas, donde fácilmente podían ocurrir las reacciones de polimerización de moléculas, tal y como lo sugiriera A. Graham Cairn-Smith en 1985.

La síntesis abiótica habría ocurrido en algunos cientos de millones de años y se pudieron acumular grandes cantidades de moléculas orgánicas, debido a que no se descomponían rápidamente, ya que no había oxígeno libre.

Planteamientos acerca de la formación de sistemas precelulares y modelos de laboratorio de estos sistemas

Los primeros sistemas polimoleculares deben haber sido sencillos en cuanto a su composición química, pero tendrían necesariamente una propiedad fundamental, ser sistemas abiertos, por lo que podrían seguir absorbiendo material orgánico del medio, acumularlo en su interior, crecer y fragmentarse en otros sistemas similares. Con ello se habrían formado también sistemas polimoleculares más complejos que habrían desarrollado un metabolismo sencillo, dando lugar a los primeros sistemas precelulares, los cuales debieron tener las siguientes características:

Son sistemas constituidos por muchas moléculas (polimoleculares)
Son sistemas abiertos
Absorben moléculas orgánicas del medio
Acumulan moléculas en su interior
Aumentan de tamaño
Se fragmentan en sistemas similares
Intercambian materia y energía con el ambiente
En su interior se pueden llevar a cabo reacciones de síntesis de moléculas

Sistemas Precelulares Coacervados
Oparin experimentó utilizando un modelo de sistemas constituidos por macromoléculas diversas que formó bajo ciertas condiciones en un medio acuoso, a los que llamó, coacervados. Lograron demostrar que en diversos tipos de coacervados, formados a partir de sustancias como proteínas y carbohidratos, ocurrían una serie de procesos físicos y de reacciones químicas de relativa complejidad.
Microesferas proteinoides
Sidney W. Fox simulaba las condiciones existentes durante los primeros miles de millones de años de la Tierra, obteniendo estructuras proteicas limitadas por una membrana que parece ser de dos capas, a las que llamaron microesferas proteinoides. Mostraban una organización granular en su interior, y se ha observado que las partículas giran en su interior, circulando por todo el volúmen de la microesfera.
Sulfobios y colpoides
Alfonso L. Herrera. A sus estudios en 1930 se les conoce como teoría sulfociánica. Los sulfobios son un modelo inorgánico en el que se forman microestructuras organizadas con apariencia de células, a partir de tiocianato de amonio y formaldehído. No logró la fragmentación de los sulfobios. Los colpoides son un modelo de origen orgánico formado por aceite de oliva, gasolina y una solución concentrada de hidróxido de sodio. Son un ejemplo de un nivel de organización de la materia a partir de grados más sencillos.

Formulaciones sobre la evolución de los sistemas precelulares para dar origen a las primeras células prebiontes.

A partir de los sistemas polimoleculares sencillos, se formaron los primeros sistemas precelulares que dieron lugar a la aparición de prebiontes en muchas partes de la Tierra.

Desde una perspectiva bioquímica, los eubiontes, al igual que los sistemas celulares vivos actuales, debieron presentar tres características que los distinguieran de los sistemas químicos.

La existencia de una membrana que separa a las células del ambiente circundante y les permite mantener una composición química propia.
La presencia de enzimas, que son proteínas complejas esenciales para catalizar las reacciones químicas de las que depende la vida y constituyen el metabolismo de las células.
La capacidad de copiar o autoreplicar su información para controlar los procesos celulares, contenida en el DNA.

Es improbable que el ADN, el ARN (ácido ribonucleico) y las proteínas hayan surgido en el mismo lugar y en el mismo momento.

El ADN contiene un manual de instrucciones que puede ser copiado, además dirige la síntesis de ARN, la cual transmite o transcribe su información, pero no posee capacidad catalítica. A continuación las mutaciones adicionales pudieron haber dado lugar a la formación de proteínas enzimáticas con la capacidad de catalizar reacciones para que ciertas ribozimas se copiaran a sí mismas en moléculas de ADN.

Con ello, la función de almacenar información para la construcción de proteínas habría sido transferida del ARN al ADN, que es una molécula de doble cadena con mayor estabilidad y menos susceptible a la degradación química. Además, el enroscamiento helicoidal de la molécula de ADN es una mejor manera de empacar más información. Finalmente, el ARN poco a poco se separaría para llevar a cabo su función actual como intermediario entre el ADN y las proteínas enzimáticas. Este importante tercer paso de la evolución prebiológica permitió la formación de los eubiontes, o primeros seres vivos.

De esta forma, después de miles de años de evolución prebiológica, los ácidos nucleicos y las proteínas se habría desarrollado una compleja y cooperativa serie de interacciones, controles y equilibrios. Así, estos compuestos, en un proceso de auto organización, se habrían complementado y beneficiado uno al otro.

Resumen

En su teoría sobre el origen de la vida, Oparin sugirió que con el tiempo, los sistemas precelulares más organizados internamente, y por tanto los más complejos, llevarían a la constitución de lo que él denominó los prebiontes, o sistemas precelulares que durante millones de años fueron adquiriendo gradualmente las características moleculares que les permitirían convertirse en los antecesores directos de las primeras células vivas. Además, propuso que esta evolución pre biológica llevaría finalmente a la aparición de los eubiontes o primeros sistemas celulares vivos, con un manual de instrucciones, contenidas en el ADN, además de la capacidad para duplicar su información y transmitirla de generación en generación.

Células vivas
En la atmósfera o en las aguas de la Tierra primitiva seguramente estaban disponibles en alguna forma los elementos que constituyen la mayor parte de las células vivas (hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno), pero en la atmósfera primitiva había muy poco o nada de oxígeno libre.
En cuanto a las fuentes de energía disponibles, podrían haber sido la luz ultravioleta del Sol, el calor de los volcanes y las descargas eléctricas atmosféricas.
En dichas condiciones se sintetizarían moléculas orgánicas, primero simples (monómeros) y después complejas (polímeros), en un proceso de evolución química. Estas moléculas orgánicas se irían acumulando en la hidrosfera de la Tierra primitiva formando la sopa primigenia.
Polímeros
Se considera que las reacciones de condensación que permitieron la formación de polímeros pudieron haber ocurrido entre capa de arcilla formada a orillas de los mares y en las acumulaciones de agua que existían en lagunas someras y pequeños charcos.
Agregados de moléculas
Paralelamente a la síntesis de polímeros en aguas poco profundas de la tierra primitiva, es muy probable que el siguiente paso de la evolución química haya sido el hecho de que los monómeros de las biomoléculas y sus respectivos polímeros se ensamblaran en agregados de moléculas.
Sistemas polimoleculares
Estos agregados de muchas moléculas constituirían pequeños sistemas separados del medio, o sistemas polimoleculares (formados por gotitas microscópicas de agua en las que se encontraban disueltas diversas sustancias orgánicas).
Sistemas abiertos
Los primeros sistemas polimoleculares tendrían necesariamente una propiedad fundamental, ser sistemas abiertos, por lo que podrían absorber material orgánico del medio, acumularlo, crecer y fragmentarse en otros sistemas similares.
Moléculas más complejas
Aunque originalmente estuviesen formados por compuestos relativamente sencillos. Al intercambiar materia y energía con el ambiente, en el interior de estas estructuras posiblemente podrían llevarse a cabo ciertas reacciones de síntesis de moléculas más complejas.
Sistemas precelulares
Con ello se habrían formado también sistemas polimoleculares más complejos que habrían desarrollado un metabolismo sencillo, punto de partida para el de las células vivas, y al ser precursores de vida, constituirían un nuevo nivel de organización de la materia, que son los sistemas precelulares.