Abiogénesis -Abiogenesis

Las etapas en el origen de la vida van desde las más conocidas, como la Tierra habitable y la síntesis abiótica de moléculas simples, hasta las más desconocidas, como la derivación del último ancestro común universal (LUCA) con sus complejas funcionalidades moleculares.

En biología , la abiogénesis (del a-'no' + griego bios 'vida' + génesis 'origen') o el origen de la vida es el proceso natural por el cual la vida ha surgido a partir de materia no viva, como compuestos orgánicos simples . La hipótesis científica predominante es que la transición de entidades no vivientes a vivientes no fue un evento único, sino un proceso evolutivo de complejidad creciente que involucró la formación de un planeta habitable , la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas , la autorreplicación molecular, la autorreplicación . -ensamblaje , autocatálisis y aparición demembranas celulares . Se han hecho muchas propuestas para las diferentes etapas del proceso.

El estudio de la abiogénesis tiene como objetivo determinar cómo las reacciones químicas anteriores a la vida dieron lugar a la vida en condiciones sorprendentemente diferentes a las de la Tierra actual. Utiliza principalmente herramientas de la biología y la química , con enfoques más recientes que intentan una síntesis de muchas ciencias. La vida funciona a través de la química especializada del carbono y el agua, y se basa en gran medida en cuatro familias clave de sustancias químicas: lípidos para las membranas celulares, carbohidratos como los azúcares, aminoácidos para el metabolismo de las proteínas y ácidos nucleicos ADN y ARN para los mecanismos de la herencia. Cualquier teoría exitosa de la abiogénesis debe explicar los orígenes y las interacciones de estas clases de moléculas. Muchos enfoques de la abiogénesis investigan cómo surgieron las moléculas autorreplicantes , o sus componentes. Los investigadores generalmente piensan que la vida actual desciende de un mundo de ARN , aunque otras moléculas autorreplicantes pueden haber precedido al ARN.

El experimento clásico de Miller-Urey de 1952 demostró que la mayoría de los aminoácidos , los constituyentes químicos de las proteínas , se pueden sintetizar a partir de compuestos inorgánicos en condiciones destinadas a replicar las de la Tierra primitiva . Las fuentes externas de energía pueden haber desencadenado estas reacciones, incluidos los rayos , la radiación , las entradas atmosféricas de micrometeoritos y la implosión de burbujas en el mar y las olas del océano. Otros enfoques (hipótesis de "primero el metabolismo") se centran en comprender cómo la catálisis en los sistemas químicos de la Tierra primitiva podría haber proporcionado las moléculas precursoras necesarias para la autorreplicación.

Un enfoque de genómica ha buscado caracterizar el último ancestro común universal (LUCA) de los organismos modernos al identificar los genes compartidos por Archaea y Bacteria , miembros de las dos ramas principales de la vida (donde los eucariotas pertenecen a la rama arqueana en el dominio de dos). sistema ). 355 genes parecen ser comunes a toda la vida; su naturaleza implica que el LUCA era anaeróbico con la vía Wood-Ljungdahl , derivando energía por quimiosmosis y manteniendo su material hereditario con ADN , el código genético y los ribosomas . Aunque LUCA vivió hace más de 4 mil millones de años (Gya), los investigadores no creen que fuera la primera forma de vida. Las células anteriores podrían haber tenido una membrana con fugas y haber sido alimentadas por un gradiente de protones que ocurre naturalmente cerca de un respiradero hidrotermal de humo blanco en las profundidades del mar .

La Tierra sigue siendo el único lugar en el universo que alberga vida, y la evidencia fósil de la Tierra informa la mayoría de los estudios de abiogénesis. La Tierra se formó hace 4,54 Gya; la evidencia indiscutible más antigua de vida en la Tierra data de al menos 3,5 Gya. Los microorganismos fósiles parecen haber vivido dentro de los precipitados de los respiraderos hidrotermales que datan de 3,77 a 4,28 Gya de Quebec , poco después de la formación del océano 4,4 Gya durante el Hadeano .

Visión general

La estrategia de astrobiología de la NASA de 2015 tenía como objetivo resolver el rompecabezas del origen de la vida (cómo un sistema vivo en pleno funcionamiento podría surgir de componentes no vivos) a través de la investigación sobre el origen prebiótico de las sustancias químicas de la vida , tanto en el espacio como en los planetas . como el funcionamiento de biomoléculas tempranas para catalizar reacciones y apoyar la herencia .

La vida consiste en la reproducción con variaciones (heredables). La NASA define la vida como "un sistema químico autosuficiente capaz de una evolución darwiniana". Tal sistema es complejo; el último ancestro común universal (LUCA), presumiblemente un organismo unicelular que vivió hace unos 4 mil millones de años, ya tenía cientos de genes codificados en el código genético del ADN que es universal hoy. Eso a su vez implica un conjunto de maquinaria celular que incluye ARN mensajero, ARN de transferencia y ribosomas para traducir el código en proteínas . Esas proteínas incluían enzimas para operar su respiración anaeróbica a través de la vía metabólica Wood-Ljungdahl y una ADN polimerasa para replicar su material genético.

El desafío para los investigadores de la abiogénesis (origen de la vida) es explicar cómo un sistema tan complejo y estrechamente interrelacionado pudo desarrollarse por pasos evolutivos, ya que a primera vista todas sus partes son necesarias para que pueda funcionar. Por ejemplo, una célula, ya sea LUCA o en un organismo moderno, copia su ADN con la enzima ADN polimerasa, que a su vez se produce traduciendo el gen de la ADN polimerasa en el ADN. Ni la enzima ni el ADN pueden producirse sin el otro. El proceso evolutivo podría haber implicado la autorreplicación molecular , el autoensamblaje de las membranas celulares y la autocatálisis .

Los precursores del desarrollo de una célula viva como la LUCA son bastante claros, aunque se discuten sus detalles: se forma un mundo habitable con un suministro de minerales y agua líquida. La síntesis de prebióticos crea una gama de compuestos orgánicos simples, que se ensamblan en polímeros como proteínas y ARN. El proceso posterior a LUCA también se entiende fácilmente: la evolución darwiniana provocó el desarrollo de una amplia gama de especies con formas y capacidades bioquímicas variadas. Sin embargo, la derivación de seres vivos como el LUCA a partir de componentes simples está lejos de comprenderse.

Aunque la Tierra sigue siendo el único lugar donde se conoce la vida, la ciencia de la astrobiología busca evidencia de vida en otros planetas. La estrategia de la NASA de 2015 sobre el origen de la vida tenía como objetivo resolver el rompecabezas identificando interacciones, estructuras y funciones intermedias, fuentes de energía y factores ambientales que contribuyeron a la diversidad, selección y replicación de sistemas macromoleculares evolutivos, y mapeando el paisaje químico de potenciales polímeros informativos primordiales . El advenimiento de polímeros que podrían replicarse, almacenar información genética y exhibir propiedades sujetas a selección fue, sugirió, muy probablemente un paso crítico en el surgimiento de la evolución química prebiótica. Esos polímeros derivaban, a su vez, de compuestos orgánicos simples como bases nitrogenadas , aminoácidos y azúcares que podrían haberse formado por reacciones en el medio ambiente. Una teoría exitosa sobre el origen de la vida debe explicar cómo surgieron todas estas sustancias químicas.

Historia conceptual hasta la década de 1960

El experimento de Miller-Urey fue una síntesis de pequeñas moléculas orgánicas en una mezcla de gases simples en un gradiente térmico creado al calentar (derecha) y enfriar (izquierda) la mezcla al mismo tiempo, con descargas eléctricas.

Generación espontánea

Una visión antigua del origen de la vida, desde Aristóteles hasta el siglo XIX, es la generación espontánea . Esta teoría sostenía que los animales "inferiores" fueron generados por sustancias orgánicas en descomposición y que la vida surgió por casualidad. Esto fue cuestionado a partir del siglo XVII, en obras como Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne . En 1665, Robert Hooke publicó los primeros dibujos de un microorganismo . En 1676, Antonie van Leeuwenhoek dibujó y describió microorganismos, probablemente protozoos y bacterias . Van Leeuwenhoek no estaba de acuerdo con la generación espontánea y, en la década de 1680, se convenció a sí mismo, utilizando experimentos que iban desde la incubación de carne sellada y abierta y el estudio detallado de la reproducción de insectos, que la teoría era incorrecta. En 1668 , Francesco Redi demostró que no aparecían gusanos en la carne cuando se evitaba que las moscas pusieran huevos. A mediados del siglo XIX, la generación espontánea se consideraba refutada.

TH Huxley introdujo la noción de biogénesis en 1870 para representar la idea de que 'la materia viva siempre surge por la acción de materia viva preexistente' y la de abiogénesis para representar lo contrario. Con el tiempo, la idea de abiogénesis ha pasado de la generación espontánea al origen de la vida.

panspermia

Otra idea antigua que se remonta a Anaxágoras en el siglo V aC es la panspermia , la idea de que la vida existe en todo el universo , distribuida por meteoroides , asteroides , cometas y planetoides . No intenta explicar cómo se originó la vida en sí misma, sino que cambia el origen de la vida en la Tierra a otro cuerpo celestial. La ventaja es que no se requiere que la vida se haya formado en cada planeta en el que ocurre, sino en un conjunto más limitado de ubicaciones (potencialmente incluso en una sola ubicación), y luego se extendió por la galaxia a otros sistemas estelares a través del impacto de cometas o meteoritos. .

"Un pequeño estanque tibio": sopa primordial

La idea de que la vida se originó a partir de materia no viva en etapas lentas apareció en el libro Principios de biología de Herbert Spencer de 1864-1867 y en el artículo de 1879 de William Turner Thiselton-Dyer "Sobre la generación y evolución espontáneas". El 1 de febrero de 1871 , Charles Darwin escribió sobre estas publicaciones a Joseph Hooker y expuso su propia especulación, sugiriendo que la chispa original de la vida pudo haber comenzado en un "pequeño estanque cálido, con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor , electricidad, etc., presentes, que un compuesto de proteína se formó químicamente listo para sufrir cambios aún más complejos ". Darwin continuó explicando que "en la actualidad, dicha materia sería devorada o absorbida instantáneamente, lo que no habría sido el caso antes de que se formaran las criaturas vivientes".

Alexander Oparin en 1924 y JBS Haldane en 1929 propusieron que las primeras moléculas que constituyen las primeras células se autoorganizaron lentamente a partir de una sopa primordial . Haldane sugirió que los océanos prebióticos de la Tierra consistían en una "sopa caliente diluida" en la que se podrían haber formado compuestos orgánicos. JD Bernal demostró que tales mecanismos podrían formar la mayoría de las moléculas necesarias para la vida a partir de precursores inorgánicos. En 1967, sugirió tres "etapas": el origen de los monómeros biológicos ; el origen de los polímeros biológicos; y la evolución de moléculas a células.

Experimento de Miller-Urey

En 1952, Stanley Miller y Harold Urey llevaron a cabo un experimento químico para demostrar cómo las moléculas orgánicas podrían haberse formado espontáneamente a partir de precursores inorgánicos en condiciones prebióticas como las planteadas por la hipótesis de Oparin-Haldane. Utilizó una mezcla de gases altamente reductora (sin oxígeno) ( metano , amoníaco e hidrógeno , así como vapor de agua ) para formar monómeros orgánicos simples como los aminoácidos. Bernal dijo del experimento de Miller-Urey que "no es suficiente explicar la formación de tales moléculas, lo que es necesario es una explicación físico-química de los orígenes de estas moléculas que sugiera la presencia de fuentes y sumideros adecuados para la energía libre". ." Sin embargo, el consenso científico actual describe la atmósfera primitiva como débilmente reductora o neutra, disminuyendo la cantidad y variedad de aminoácidos que podrían producirse. Sin embargo, la adición de minerales de hierro y carbonato , presentes en los primeros océanos, produce una diversa gama de aminoácidos. El trabajo posterior se ha centrado en otros dos posibles entornos reductores: el espacio exterior y los respiraderos hidrotermales de aguas profundas.

Produciendo una Tierra habitable

Universo primitivo con primeras estrellas

Poco después del Big Bang , que ocurrió hace aproximadamente 14 Gya, los únicos elementos químicos presentes en el universo eran hidrógeno, helio y litio, los tres átomos más ligeros de la tabla periódica. Estos elementos se unieron gradualmente para formar estrellas. Estas primeras estrellas eran masivas y de corta duración, produciendo todos los elementos más pesados ​​a través de la nucleosíntesis estelar . El carbono , actualmente el cuarto elemento químico más abundante en el universo (después del hidrógeno , el helio y el oxígeno ), se formó principalmente en las estrellas enanas blancas , en particular las que tienen más del doble de la masa del sol. Cuando estas estrellas llegaron al final de sus ciclos de vida , expulsaron estos elementos más pesados, entre ellos el carbono y el oxígeno, por todo el universo. Estos elementos más pesados ​​permitieron la formación de nuevos objetos, incluidos planetas rocosos y otros cuerpos. Según la hipótesis nebular , la formación y evolución del Sistema Solar comenzó hace 4,6 Gya con el colapso gravitatorio de una pequeña parte de una nube molecular gigante . La mayor parte de la masa colapsada se acumuló en el centro, formando el Sol , mientras que el resto se aplastó en un disco protoplanetario a partir del cual se formaron los planetas , lunas , asteroides y otros pequeños cuerpos del Sistema Solar .

Emergencia de la Tierra

La Tierra se formó hace 4,54 Gya. La Tierra Hadeana (desde su formación hasta 4 Gya) fue al principio inhóspita para cualquier organismo vivo. Durante su formación, la Tierra perdió una parte significativa de su masa inicial y, en consecuencia, careció de la gravedad para contener hidrógeno molecular y la mayor parte de los gases inertes originales. La atmósfera consistía principalmente en vapor de agua, nitrógeno y dióxido de carbono , con cantidades más pequeñas de monóxido de carbono , hidrógeno y compuestos de azufre . Se cree que la solución de dióxido de carbono en agua hizo que los mares fueran ligeramente ácidos , con un pH de alrededor de 5,5. La atmósfera hadeana se ha caracterizado como un "laboratorio químico al aire libre gigantesco y productivo", similar a los gases volcánicos de hoy en día que aún sustentan cierta química abiótica.

Los océanos pueden haber aparecido tan pronto como 200 millones de años después de la formación de la Tierra, en un entorno reductor cercano a la ebullición (100 C), cuando el pH de 5,8 aumentó rápidamente hacia la neutralidad. Este escenario ha encontrado apoyo en la datación de cristales de circón de 4.404 Gya de cuarcita metamorfoseada del Monte Narryer en Australia Occidental. A pesar del probable aumento del vulcanismo, la Tierra pudo haber sido un mundo acuático entre 4,4 y 4,3 Gya, con poca o ninguna corteza continental, una atmósfera turbulenta y una hidrosfera sujeta a la intensa luz ultravioleta de un Sol en etapa T Tauri , de la radiación cósmica . y de los continuos impactos de asteroides y cometas .

La hipótesis del Bombardeo Pesado Tardío postula que el entorno del Hadeano entre 4,28 y 3,8 Gya era muy peligroso para la vida. Siguiendo el modelo de Niza , los cambios en las órbitas de los planetas gigantes pueden haber bombardeado la Tierra con asteroides y cometas que perforaron la Luna y los planetas interiores . Las colisiones frecuentes habrían hecho inviable la fotosíntesis . Los períodos entre eventos tan devastadores dan ventanas de tiempo para el posible origen de la vida en ambientes primitivos. Si el entorno hidrotermal marino profundo fuera el sitio del origen de la vida, entonces la abiogénesis podría haber ocurrido tan pronto como 4.0-4.2 Gya. Si el sitio estuviera en la superficie de la Tierra, la abiogénesis podría haber ocurrido solo entre 3,7 y 4,0 Gya. Sin embargo, nuevos estudios y muestras lunares han llevado a los científicos, incluido un arquitecto del modelo de Niza, a restar importancia a la importancia del Bombardeo Intenso Tardío.

Si la vida evolucionó en el océano a profundidades de más de diez metros, habría estado protegida tanto de los impactos tardíos como de los entonces altos niveles de radiación ultravioleta del sol. La corteza oceánica calentada geotérmicamente podría haber producido muchos más compuestos orgánicos a través de los respiraderos hidrotermales profundos de lo que indicaron los experimentos de Miller-Urey . La energía disponible se maximiza entre 100 y 150 °C, las temperaturas a las que viven las bacterias hipertermófilas y las arqueas termoacidofílicas . Estos organismos modernos pueden estar entre los parientes sobrevivientes más cercanos de LUCA.

Las primeras evidencias de vida

La vida existió en la Tierra hace más de 3,5 Gya, durante el Eoarchean cuando se había solidificado suficiente corteza después del Hadean fundido. La evidencia física más antigua de vida encontrada hasta ahora consiste en microfósiles en el cinturón de piedra verde Nuvvuagittuq del norte de Quebec, en rocas de formación de hierro en bandas de al menos 3,77 y posiblemente 4,28 Gya. Los microorganismos vivieron dentro de los precipitados de los respiraderos hidrotermales, poco después de la formación de los océanos 4,4 Gya durante el Hadeano. Los microbios se parecían a las modernas bacterias de los respiraderos hidrotermales, lo que respalda la opinión de que la abiogénesis comenzó en ese entorno.

Se ha encontrado grafito biogénico en rocas metasedimentarias de 3,7 Gya del suroeste de Groenlandia y en fósiles microbianos de arenisca de Australia Occidental de 3,49 Gya . La evidencia de vida temprana en rocas de la isla de Akilia , cerca del cinturón supracrustal de Isua en el suroeste de Groenlandia, que data de 3,7 Gya, ha mostrado isótopos de carbono biogénicos . En otras partes del cinturón supracrustal de Isua, las inclusiones de grafito atrapadas dentro de los cristales de granate están conectadas a los otros elementos de la vida: oxígeno, nitrógeno y posiblemente fósforo en forma de fosfato , proporcionando más evidencia de vida 3.7 Gya. En la región de Pilbara , en el oeste de Australia, se encontró evidencia convincente de vida temprana en arenisca con pirita en una playa fosilizada, con células tubulares redondeadas que oxidaban azufre por fotosíntesis en ausencia de oxígeno. Los circones de Australia Occidental implican que existió vida en la Tierra hace al menos 4,1 Gya.

La región de Pilbara en Australia Occidental contiene la Formación Dresser con rocas de 3,48 Gya, incluidas estructuras en capas llamadas estromatolitos . Sus contrapartes modernas son creadas por microorganismos fotosintéticos, incluidas las cianobacterias . Estos se encuentran dentro de estratos hidrotermales-sedimentarios no deformados; su textura indica un origen biogénico. Partes de la formación Dresser conservan aguas termales en tierra, pero otras regiones parecen haber sido mares poco profundos.

Moléculas productoras: síntesis prebiótica

Todos los elementos químicos, excepto el hidrógeno y el helio, se derivan de la nucleosíntesis estelar . Los ingredientes químicos básicos de la vida , la molécula de carbono-hidrógeno (CH), el ion positivo de carbono-hidrógeno (CH+) y el ion de carbono (C+), fueron producidos por la luz ultravioleta de las estrellas. Las moléculas complejas, incluidas las moléculas orgánicas, se forman naturalmente tanto en el espacio como en los planetas. Las moléculas orgánicas en la Tierra primitiva podrían haber tenido orígenes terrestres, con la síntesis de moléculas orgánicas impulsada por choques de impacto o por otras fuentes de energía, como la luz ultravioleta, el acoplamiento redox o las descargas eléctricas; u orígenes extraterrestres ( pseudo-panspermia ), con moléculas orgánicas formadas en nubes de polvo interestelar que llueven sobre el planeta.

Moléculas orgánicas extraterrestres observadas

Un compuesto orgánico es una sustancia química cuyas moléculas contienen carbono. El carbono es abundante en el Sol, las estrellas, los cometas y en las atmósferas de la mayoría de los planetas. Los compuestos orgánicos son relativamente comunes en el espacio, formados por "fábricas de síntesis molecular compleja" que ocurren en nubes moleculares y envolturas circunestelares , y evolucionan químicamente después de que las reacciones se inician principalmente por radiación ionizante . Se han encontrado bases nitrogenadas de purina y pirimidina , incluidas guanina , adenina , citosina , uracilo y timina , en meteoritos . Estos podrían haber proporcionado los materiales para que se formaran el ADN y el ARN en la Tierra primitiva . El aminoácido glicina se encontró en material expulsado por el cometa Wild 2 ; anteriormente se había detectado en meteoritos. Los cometas están incrustados con material oscuro, que se cree que es una sustancia orgánica parecida al alquitrán formada a partir de compuestos de carbono simples bajo radiación ionizante. Una lluvia de material de los cometas podría haber traído moléculas orgánicas tan complejas a la Tierra. Se estima que durante el Bombardeo Pesado Tardío, los meteoritos pueden haber entregado hasta cinco millones de toneladas de elementos prebióticos orgánicos a la Tierra por año.

Hipótesis del mundo PAH

La Nebulosa Pata de Gato se encuentra dentro de la Vía Láctea , en la constelación de Escorpio .
Las áreas verdes muestran regiones donde la radiación de las estrellas calientes colisionó con moléculas grandes y pequeños granos de polvo llamados " hidrocarburos aromáticos policíclicos " (HAP), lo que provocó su fluorescencia .
( Telescopio espacial Spitzer , 2018)

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) son las moléculas poliatómicas más comunes y abundantes en el universo observable , y son una importante reserva de carbono. Parecen haberse formado poco después del Big Bang y están asociados con nuevas estrellas y exoplanetas . Son un constituyente probable del mar primordial de la Tierra. Se han detectado PAH en nebulosas , en el medio interestelar , en cometas y en meteoritos.

La hipótesis del mundo de los PAH postula a los PAH como precursores del mundo del ARN. Una estrella, HH 46-IR, que se parece al sol en sus inicios, está rodeada por un disco de material que contiene moléculas que incluyen compuestos de cianuro, hidrocarburos y monóxido de carbono. Los PAH en el medio interestelar pueden transformarse mediante hidrogenación , oxigenación e hidroxilación en compuestos orgánicos más complejos que se utilizan en las células vivas.

nucleobases

La mayoría de los compuestos orgánicos introducidos en la Tierra por las partículas de polvo interestelar han ayudado a formar moléculas complejas, gracias a sus peculiares actividades catalíticas superficiales . Los estudios de las proporciones isotópicas 12 C/ 13 C de los compuestos orgánicos en el meteorito de Murchison sugieren que el componente de ARN uracilo y las moléculas relacionadas, incluida la xantina , se formaron de forma extraterrestre. Los estudios de meteoritos de la NASA sugieren que las cuatro bases nitrogenadas del ADN (adenina, guanina y moléculas orgánicas relacionadas) se han formado en el espacio exterior. El polvo cósmico que impregna el universo contiene compuestos orgánicos complejos ("sólidos orgánicos amorfos con una estructura mixta aromática - alifática ") que las estrellas podrían crear rápidamente. Se ha detectado glicolaldehído, una molécula de azúcar y precursor de ARN, en regiones del espacio, incluso alrededor de protoestrellas y meteoritos.

Síntesis de laboratorio

Ya en la década de 1860, los experimentos demostraron que se pueden producir moléculas biológicamente relevantes a partir de la interacción de fuentes de carbono simples con abundantes catalizadores inorgánicos. La formación espontánea de polímeros complejos a partir de monómeros generados abióticamente en las condiciones postuladas por la teoría de la "sopa" no es sencilla. Además de los monómeros orgánicos básicos necesarios, también se formaron en altas concentraciones compuestos que habrían prohibido la formación de polímeros durante los experimentos de Miller-Urey y Joan Oró . La biología utiliza esencialmente 20 aminoácidos para sus enzimas proteicas codificadas, lo que representa un subconjunto muy pequeño de los productos estructuralmente posibles. Dado que la vida tiende a usar lo que está disponible, se necesita una explicación de por qué el conjunto utilizado es tan pequeño.

Azúcares

El ciclo catalítico de Breslow para la dimerización de formaldehído y la formación de azúcares C2-C6

Alexander Butlerov demostró en 1861 que la reacción de formosa crea azúcares, incluidas tetrosas, pentosas y hexosas cuando el formaldehído se calienta en condiciones básicas con iones metálicos divalentes como el calcio. R. Breslow propuso que la reacción fuera autocatalítica en 1959.

nucleobases

Las nucleobases como la guanina y la adenina se pueden sintetizar a partir de fuentes simples de carbono y nitrógeno como el cianuro de hidrógeno (HCN) y el amoníaco. La formamida produce los cuatro ribonucleótidos cuando se calienta con minerales terrestres. La formamida es omnipresente en el Universo, producida por la reacción del agua y el HCN. Puede ser concentrado por la evaporación del agua. El HCN es venenoso solo para los organismos aeróbicos ( eucariotas y bacterias aeróbicas), que aún no existían. Puede desempeñar funciones en otros procesos químicos, como la síntesis del aminoácido glicina .

Los componentes de ADN y ARN, incluidos el uracilo, la citosina y la timina, se pueden sintetizar en condiciones del espacio exterior, utilizando productos químicos iniciales como la pirimidina que se encuentra en los meteoritos. La pirimidina puede haberse formado en estrellas gigantes rojas o en nubes interestelares de polvo y gas. Las cuatro bases de ARN pueden sintetizarse a partir de formamida en eventos de alta densidad de energía, como impactos extraterrestres.

Se han informado otras vías para sintetizar bases a partir de materiales inorgánicos. Las temperaturas de congelación son ventajosas para la síntesis de purinas, debido al efecto de concentración de precursores clave como el cianuro de hidrógeno. Sin embargo, mientras que la adenina y la guanina requieren condiciones de congelación para su síntesis, la citosina y el uracilo pueden requerir temperaturas de ebullición. Siete aminoácidos diferentes y once tipos de nucleobases se formaron en el hielo cuando el amoníaco y el cianuro se dejaron en un congelador durante 25 años. Las S- triazinas (bases nitrogenadas alternativas), las pirimidinas , incluidas la citosina y el uracilo, y la adenina se pueden sintetizar sometiendo una solución de urea a ciclos de congelación y descongelación en una atmósfera reductora, con descargas de chispas como fuente de energía. La explicación dada para la velocidad inusual de estas reacciones a una temperatura tan baja es la congelación eutéctica , que acumula impurezas en bolsas microscópicas de líquido dentro del hielo, lo que hace que las moléculas choquen con más frecuencia.

Producir vesículas adecuadas

Las tres estructuras principales compuestas por fosfolípidos se forman espontáneamente por autoensamblaje en solución: el liposoma (una bicapa cerrada), la micela y la bicapa.

La teoría del mundo de los lípidos postula que el primer objeto autorreplicante era similar a los lípidos . Los fosfolípidos forman bicapas lipídicas en el agua mientras están bajo agitación, la misma estructura que en las membranas celulares. Estas moléculas no estaban presentes en la Tierra primitiva, pero otras moléculas anfifílicas de cadena larga también forman membranas. Estos cuerpos pueden expandirse mediante la inserción de lípidos adicionales y pueden dividirse espontáneamente en dos descendientes de tamaño y composición similares. La idea principal es que la composición molecular de los cuerpos lipídicos es preliminar al almacenamiento de información, y que la evolución condujo a la aparición de polímeros como el ARN que almacena información. Los estudios sobre vesículas de anfífilos que podrían haber existido en el mundo prebiótico se han limitado hasta ahora a sistemas de uno o dos tipos de anfífilos.

Una membrana de bicapa lipídica podría estar compuesta por un gran número de combinaciones de arreglos de anfífilos. El mejor de estos habría favorecido la constitución de un hiperciclo, en realidad una retroalimentación positiva compuesta por dos catalizadores mutuos representados por un sitio de membrana y un compuesto específico atrapado en la vesícula. Dichos pares de sitio/compuesto son transmisibles a las vesículas hijas, lo que conduce a la aparición de distintos linajes de vesículas, lo que habría permitido la selección natural darwiniana.

Una protocélula es una colección esférica , autoorganizada y autoordenada de lípidos propuesta como un trampolín hacia el origen de la vida. La teoría de la termodinámica irreversible clásica trata el autoensamblaje bajo un potencial químico generalizado en el marco de los sistemas disipativos .

Una pregunta central en la evolución es cómo surgieron por primera vez las protocélulas simples y cómo se diferenciaron en su contribución reproductiva a la siguiente generación, impulsando así la evolución de la vida. Una protocélula funcional (a partir de 2014) aún no se ha logrado en un entorno de laboratorio. Las vesículas autoensambladas son componentes esenciales de las células primitivas. La segunda ley de la termodinámica requiere que el universo se mueva en una dirección en la que aumenta la entropía , pero la vida se distingue por su gran grado de organización. Por lo tanto, se necesita un límite para separar los procesos de la vida de la materia no viva. Irene Chen y Jack W. Szostak sugieren que las protocélulas elementales pueden dar lugar a comportamientos celulares que incluyen formas primitivas de reproducción diferencial, competencia y almacenamiento de energía. La competencia por las moléculas de membrana favorecería las membranas estabilizadas, lo que sugiere una ventaja selectiva para la evolución de los ácidos grasos reticulados e incluso de los fosfolípidos actuales. Tal microencapsulación permitiría el metabolismo dentro de la membrana y el intercambio de moléculas pequeñas, al tiempo que retendría biomoléculas grandes en su interior. Se necesita una membrana de este tipo para que una célula cree su propio gradiente electroquímico para almacenar energía mediante el bombeo de iones a través de la membrana.

produciendo biología

Energía y entropía

La vida requiere una pérdida de entropía , o desorden, cuando las moléculas se organizan en materia viva. El surgimiento de la vida y el aumento de la complejidad no contradicen la segunda ley de la termodinámica , que establece que la entropía general nunca disminuye, ya que un organismo vivo crea orden en algunos lugares (p. ej., su cuerpo vivo) a expensas de un aumento de entropía en otros lugares (p. ej., producción de calor y residuos).

Múltiples fuentes de energía estaban disponibles para las reacciones químicas en la Tierra primitiva. El calor de los procesos geotérmicos es una fuente de energía estándar para la química. Otros ejemplos incluyen la luz solar, los relámpagos, las entradas atmosféricas de micrometeoritos y la implosión de burbujas en el mar y las olas del océano. Esto ha sido confirmado por experimentos y simulaciones. Las reacciones desfavorables pueden ser impulsadas por otras muy favorables, como en el caso de la química del hierro y el azufre. Por ejemplo, esto probablemente fue importante para la fijación de carbono . La fijación de carbono por reacción de CO 2 con H 2 S a través de la química del hierro y el azufre es favorable y ocurre a pH neutro y 100 °C. Las superficies de hierro y azufre, que abundan cerca de los respiraderos hidrotermales, pueden impulsar la producción de pequeñas cantidades de aminoácidos y otras biomoléculas.

quimiosmosis

La ATP sintasa utiliza el gradiente quimiosmótico de protones para potenciar la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa .

En 1961, Peter Mitchell propuso la quimiosmosis como el principal sistema de conversión de energía de una célula. El mecanismo, ahora omnipresente en las células vivas, impulsa la conversión de energía en los microorganismos y en las mitocondrias de los eucariotas, lo que lo convierte en un candidato probable para la vida temprana. Las mitocondrias producen trifosfato de adenosina (ATP), la moneda de energía de la célula utilizada para impulsar procesos celulares como la síntesis química. El mecanismo de síntesis de ATP implica una membrana cerrada en la que está incrustada la enzima ATP sintasa . La energía requerida para liberar ATP fuertemente ligado tiene su origen en los protones que se mueven a través de la membrana. En las células modernas, esos movimientos de protones son causados ​​por el bombeo de iones a través de la membrana, manteniendo un gradiente electroquímico. En los primeros organismos, el gradiente podría haber sido proporcionado por la diferencia en la composición química entre el flujo de un respiradero hidrotermal y el agua de mar circundante.

Acoplamiento quimiosmótico en las membranas de una mitocondria

El mundo del ARN

La hipótesis del mundo del ARN describe una Tierra primitiva con ARN catalítico y autorreplicante, pero sin ADN ni proteínas. Muchos investigadores coinciden en que un mundo de ARN debe haber precedido a la vida basada en el ADN que ahora domina. Sin embargo, la vida basada en ARN puede no haber sido la primera en existir. Otro modelo se hace eco del "pequeño estanque cálido" de Darwin con ciclos de humectación y secado.

El ARN es fundamental para el proceso de traducción. Los ARN pequeños pueden catalizar todos los grupos químicos y las transferencias de información necesarias para la vida. El ARN expresa y mantiene la información genética en los organismos modernos; y los componentes químicos del ARN se sintetizan fácilmente en las condiciones que se aproximaron a la Tierra primitiva, que eran muy diferentes de las que prevalecen hoy. La estructura de la ribozima se ha denominado "pistola humeante", con un núcleo central de ARN y sin cadenas laterales de aminoácidos dentro de los 18 Å del sitio activo que cataliza la formación de enlaces peptídicos.

El concepto del mundo del ARN fue propuesto en 1962 por Alexander Rich , y el término fue acuñado por Walter Gilbert en 1986. Hubo dificultades iniciales en la explicación de la síntesis abiótica de los nucleótidos citosina y uracilo . Investigaciones posteriores han mostrado posibles rutas de síntesis; por ejemplo, la formamida produce los cuatro ribonucleótidos y otras moléculas biológicas cuando se calienta en presencia de varios minerales terrestres.

La hipótesis del mundo del ARN propone que la polimerización no dirigida condujo a la aparición de ribozimas y, a su vez, a una replicasa de ARN .

La ARN replicasa puede funcionar como código y catalizador para una mayor replicación del ARN, es decir, puede ser autocatalítica . Jack Szostak ha demostrado que ciertos ARN catalíticos pueden unir secuencias de ARN más pequeñas, creando el potencial para la autorreplicación. Los sistemas de replicación de ARN, que incluyen dos ribozimas que catalizan la síntesis de cada uno, mostraron un tiempo de duplicación del producto de aproximadamente una hora y estaban sujetos a la selección natural darwiniana en las condiciones experimentales. Si tales condiciones estuvieran presentes en la Tierra primitiva, entonces la selección natural favorecería la proliferación de tales conjuntos autocatalíticos , a los que se podrían agregar más funcionalidades. El autoensamblaje de ARN puede ocurrir espontáneamente en respiraderos hidrotermales. Una forma preliminar de tRNA podría haberse ensamblado en tal molécula replicadora.

Los posibles precursores de la síntesis de proteínas incluyen la síntesis de cofactores de péptidos cortos o la duplicación autocatalizadora de ARN. Es probable que el ribosoma ancestral estuviera compuesto en su totalidad por ARN, aunque desde entonces algunas funciones han sido asumidas por proteínas. Las principales preguntas pendientes sobre este tema incluyen identificar la fuerza selectiva para la evolución del ribosoma y determinar cómo surgió el código genético .

Eugene Koonin ha argumentado que "actualmente no existen escenarios convincentes para el origen de la replicación y la traducción, los procesos clave que juntos comprenden el núcleo de los sistemas biológicos y el requisito previo aparente de la evolución biológica. El concepto de RNA World podría ofrecer la mejor oportunidad para la resolución de este enigma, pero hasta ahora no puede explicar adecuadamente la aparición de una replicasa de ARN eficiente o el sistema de traducción".

Filogenia y LUCA

Comenzando con el trabajo de Carl Woese a partir de 1977, los estudios de genómica han colocado el último ancestro común universal (LUCA) de todas las formas de vida modernas entre las bacterias y un clado formado por Archaea y Eukaryota en el árbol filogenético de la vida. Vivió más de 4 Gya. Una minoría de estudios ha colocado LUCA en Bacteria, proponiendo que Archaea y Eukaryota se derivan evolutivamente de Eubacteria; Thomas Cavalier-Smith sugirió que el phylum bacteriano fenotípicamente diverso Chloroflexota contenía el LUCA.

En 2016, se identificó un conjunto de 355 genes probablemente presentes en LUCA. Se secuenciaron un total de 6,1 millones de genes procarióticos de Bacteria y Archaea, identificando 355 grupos de proteínas de entre 286 514 grupos de proteínas que probablemente eran comunes a LUCA. Los resultados sugieren que el LUCA era anaeróbico con una vía de Wood-Ljungdahl , fijador de nitrógeno y carbono, termófilo. Sus cofactores sugieren la dependencia de un entorno rico en hidrógeno , dióxido de carbono, hierro y metales de transición . Su material genético era probablemente el ADN, que requería el código genético de 4 nucleótidos , el ARN mensajero, los ARN de transferencia y los ribosomas para traducir el código en proteínas como las enzimas . LUCA probablemente habitó un entorno de ventilación hidrotermal anaeróbica en un entorno geoquímicamente activo. Evidentemente ya era un organismo complejo, y debe haber tenido precursores; no fue el primer ser vivo.

Leslie Orgel argumentó que la maquinaria de traducción temprana para el código genético sería susceptible a errores catastróficos . Geoffrey Hoffmann, sin embargo, demostró que dicha maquinaria puede tener una función estable frente a la "paradoja de Orgel".

Entornos geológicos adecuados

Respiraderos hidrotermales de aguas profundas

Las formas de vida más antiguas conocidas son microorganismos fosilizados putativos , que se encuentran en los precipitados de las fumarolas hidrotermales blancas. Es posible que hayan vivido tan pronto como 4,28 Gya (hace mil millones de años), relativamente poco después de la formación de los océanos 4,41 Gya, no mucho después de la formación de la Tierra 4,54 Gya.

Los primeros microfósiles pueden haber venido de un mundo caliente de gases como el metano , el amoníaco , el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno , tóxicos para gran parte de la vida actual. El análisis del árbol de la vida coloca a las bacterias y arqueas termófilas e hipertermófilas más cerca de la raíz, lo que sugiere que la vida puede haber evolucionado en un ambiente cálido. La teoría de las fuentes hidrotermales de aguas profundas o alcalinas postula que la vida comenzó en las fuentes hidrotermales submarinas. Martin y Russell han sugerido "que la vida evolucionó en precipitados de monosulfuro de hierro estructurado en un montículo hidrotermal del sitio de filtración en un gradiente redox, de pH y de temperatura entre el fluido hidrotermal rico en sulfuro y las aguas que contienen hierro (II) del fondo del océano Hadeano. La compartimentación tridimensional de origen natural observada dentro de los precipitados de sulfuro de metal fosilizados en el sitio de filtración indica que estos compartimentos inorgánicos fueron los precursores de las paredes celulares y las membranas que se encuentran en los procariotas de vida libre. -sulfuro de metilo a partir de monóxido de carbono y sulfuro de metilo, constituyentes del fluido hidrotermal, indica que se produjeron síntesis prebióticas en las superficies internas de estos compartimentos con paredes de sulfuro metálico".

Estos se forman donde emergen fluidos ricos en hidrógeno desde debajo del fondo del mar, como resultado de la serpentinización de olivino ultramáfico con agua de mar y una interfaz de pH con agua de océano rica en dióxido de carbono. Los respiraderos forman una fuente de energía química sostenida derivada de reacciones redox, en las que los donantes de electrones (hidrógeno molecular) reaccionan con los aceptores de electrones (dióxido de carbono); ver Teoría del mundo de hierro y azufre . Estas son reacciones exotérmicas .

Célula temprana alimentada por un gradiente de protones externo cerca de un respiradero hidrotermal de aguas profundas. Siempre que la membrana (o los canales de iones pasivos dentro de ella) sea permeable a los protones, el mecanismo puede funcionar sin bombas de iones.

Russell demostró que los respiraderos alcalinos creaban un gradiente quimiosmótico de fuerza motriz de protones abiogénico , ideal para la abiogénesis. Sus compartimentos microscópicos "proporcionan un medio natural para concentrar moléculas orgánicas", compuestos de minerales de hierro y azufre como la mackinawita , dotaron a estas células minerales de las propiedades catalíticas previstas por Günter Wächtershäuser . Este movimiento de iones a través de la membrana depende de una combinación de dos factores:

  1. Fuerza de difusión causada por el gradiente de concentración: todas las partículas, incluidos los iones, tienden a difundirse de una concentración más alta a una más baja.
  2. Fuerza electrostática causada por el gradiente de potencial eléctrico : los cationes como los protones H + tienden a difundirse a favor del potencial eléctrico, los aniones en la dirección opuesta.

Estos dos gradientes tomados en conjunto pueden expresarse como un gradiente electroquímico , proporcionando energía para la síntesis abiogénica. La fuerza motriz de protones se puede describir como la medida de la energía potencial almacenada como una combinación de gradientes de protones y voltaje a través de una membrana (diferencias en la concentración de protones y potencial eléctrico).

Las superficies de las partículas minerales dentro de los respiraderos hidrotermales del océano profundo tienen propiedades catalíticas similares a las de las enzimas y pueden crear moléculas orgánicas simples, como metanol (CH 3 OH), ácidos fórmico , acético y pirúvico a partir del CO 2 disuelto en el agua . , si es impulsado por un voltaje aplicado o por reacción con H 2 o H 2 S.

La investigación reportada por Martin en 2016 respalda la tesis de que la vida surgió en los respiraderos hidrotermales, que la química espontánea en la corteza terrestre impulsada por las interacciones roca-agua en desequilibrio termodinámicamente apoyó el origen de la vida y que los linajes fundadores de las arqueas y bacterias eran H 2 - autótrofos dependientes que utilizan CO 2 como aceptor terminal en el metabolismo energético. Martin sugiere, basándose en esta evidencia, que LUCA "puede haber dependido en gran medida de la energía geotérmica del respiradero para sobrevivir".

Piscinas hidrotermales fluctuantes

Mulkidjanian y sus coautores piensan que los ambientes marinos no proporcionaron el equilibrio iónico y la composición que se encuentra universalmente en las células, o los iones requeridos por las proteínas y ribozimas esenciales que se encuentran en prácticamente todos los organismos vivos, especialmente con respecto a la relación K + /Na + . Mn 2+ , Zn 2+ y concentraciones de fosfato. Argumentan que los únicos entornos que imitan las condiciones necesarias en la Tierra son las piscinas hidrotermales terrestres alimentadas por respiraderos de vapor. Los depósitos minerales en estos ambientes bajo una atmósfera anóxica tendrían un pH adecuado (mientras que las piscinas actuales en una atmósfera oxigenada no lo tendrían), contendrían precipitados de minerales de sulfuro que bloquean la radiación ultravioleta dañina, tendrían ciclos de humectación/secado que concentran las soluciones de sustrato en concentraciones susceptibles de exposición espontánea. formación de polímeros de ácidos nucleicos, poliésteres y depsipéptidos, creados tanto por reacciones químicas en el ambiente hidrotermal como por la exposición a la luz ultravioleta durante el transporte desde los respiraderos a las piscinas adyacentes. Los ambientes prebióticos hipotéticos son similares a los ambientes de respiraderos oceánicos profundos, con componentes adicionales que ayudan a explicar las peculiaridades de LUCA. Colín-García y sus colegas señalan que las reacciones exergónicas en los respiraderos hidrotermales podrían proporcionar energía gratuita para promover reacciones químicas y muchos minerales diferentes. Estos inducen gradientes químicos, favoreciendo la interacción entre donantes y aceptores de electrones.

Arcilla

La hipótesis de la arcilla fue propuesta por Graham Cairns-Smith en 1985. Postula que moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente en superficies de replicación no orgánicas preexistentes de cristales de silicato en contacto con una solución acuosa. Se ha demostrado que el mineral arcilloso montmorillonita cataliza la polimerización de ARN en solución acuosa a partir de monómeros de nucleótidos y la formación de membranas a partir de lípidos. En 1998, Hyman Hartman propuso que "los primeros organismos fueron arcillas ricas en hierro autorreplicantes que fijaron el dióxido de carbono en ácido oxálico y otros ácidos dicarboxílicos . Este sistema de replicación de arcillas y su fenotipo metabólico luego evolucionó hacia la región rica en sulfuro de las fuentes termales. adquiriendo la capacidad de fijar nitrógeno . Finalmente , se incorporó fosfato al sistema evolutivo que permitió la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos ".

Mundo hierro-azufre

En la década de 1980, Günter Wächtershäuser y Karl Popper postularon la hipótesis del mundo del hierro y el azufre para la evolución de las vías químicas prebióticas. Traza la bioquímica actual hasta reacciones primordiales que sintetizan componentes básicos orgánicos a partir de gases. Los sistemas Wächtershäuser tienen una fuente de energía incorporada: sulfuros de hierro como la pirita . La energía liberada por la oxidación de estos sulfuros metálicos puede contribuir a la síntesis de moléculas orgánicas. Dichos sistemas pueden haber evolucionado hasta convertirse en conjuntos autocatalíticos que constituyen entidades metabólicamente activas autorreplicantes anteriores a las formas de vida modernas. Los experimentos con sulfuros en un ambiente acuoso a 100 °C produjeron un rendimiento pequeño de dipéptidos (0,4 % a 12,4 %) y un rendimiento menor de tripéptidos (0,10 %). Sin embargo, en las mismas condiciones, los dipéptidos se degradaron rápidamente.

Varios modelos postulan un metabolismo primitivo, lo que permite que la replicación del ARN surja más tarde. La centralidad del ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) para la producción de energía en organismos aeróbicos, y en la extracción de dióxido de carbono e iones de hidrógeno en la biosíntesis de compuestos químicos orgánicos complejos, sugiere que fue una de las primeras partes del metabolismo en evolucionar. En concordancia, los geoquímicos Jack W. Szostak y Kate Adamala demostraron que la replicación de ARN no enzimático en protocélulas primitivas solo es posible en presencia de quelantes de cationes débiles como el ácido cítrico . Esto proporciona más evidencia del papel central del ácido cítrico en el metabolismo primordial. Russell ha propuesto que "el propósito de la vida es hidrogenar el dióxido de carbono" (como parte de un escenario de "primero el metabolismo" en lugar de un escenario de "primero la genética"). El físico Jeremy England ha argumentado a partir de consideraciones termodinámicas generales que la vida era inevitable. Una versión temprana de esta idea fue la propuesta de Oparin de 1924 para vesículas autorreplicantes. En las décadas de 1980 y 1990 surgió la teoría del mundo de hierro y azufre de Wächtershäuser y los modelos de tioéster de Christian de Duve . Argumentos más abstractos y teóricos para el metabolismo sin genes incluyen el modelo matemático de Freeman Dyson y los conjuntos autocatalíticos colectivos de Stuart Kauffman en la década de 1980. El trabajo de Kauffman ha sido criticado por ignorar el papel de la energía en la conducción de reacciones bioquímicas en las células.

El sitio activo de la enzima acetil-CoA sintasa , parte de la ruta de la acetil-CoA , contiene grupos de níquel-hierro-azufre.

Una vía bioquímica de varios pasos como el ciclo de Krebs no se autoorganizaba simplemente en la superficie de un mineral; debe haber sido precedida por caminos más simples. La vía Wood-Ljungdahl es compatible con la autoorganización en una superficie de sulfuro metálico. Su unidad enzimática clave, monóxido de carbono deshidrogenasa / acetil-CoA sintasa , contiene grupos mixtos de níquel-hierro-azufre en sus centros de reacción y cataliza la formación de acetil-CoA . Sin embargo, es poco probable termodinámica y cinéticamente que los compuestos prebióticos tiolados y tioéster se acumulen en las supuestas condiciones prebióticas de los respiraderos hidrotermales. Una posibilidad es que la cisteína y la homocisteína hayan reaccionado con los nitrilos de la reacción de Stecker , formando polipéptidos catalíticos ricos en tiol.

Zinc-mundo

La hipótesis del mundo del zinc (mundo Zn) de Armen Mulkidjanian amplía la hipótesis de la pirita de Wächtershäuser. La teoría del mundo Zn propone que los fluidos hidrotermales ricos en H 2 S interactuando con el agua fría del océano primordial (o el "pequeño estanque cálido" de Darwin) precipitaron partículas de sulfuro de metal. Los sistemas hidrotermales oceánicos tienen una estructura zonal reflejada en antiguos depósitos de mineral de sulfuro masivo volcánico . Alcanzan muchos kilómetros de diámetro y se remontan al Arcaico . Los más abundantes son pirita (FeS 2 ), calcopirita (CuFeS 2 ) y esfalerita (ZnS), con adiciones de galena (PbS) y alabandita (MnS). ZnS y MnS tienen una capacidad única para almacenar energía de radiación, por ejemplo, de la luz ultravioleta. Cuando se originaban las moléculas replicantes, la presión atmosférica primordial era lo suficientemente alta (>100 bar) para precipitar cerca de la superficie de la Tierra, y la radiación ultravioleta era de 10 a 100 veces más intensa que ahora; por lo tanto, las propiedades fotosintéticas mediadas por ZnS proporcionaron las condiciones energéticas adecuadas para la síntesis de moléculas informativas y metabólicas y la selección de nucleobases fotoestables.

La teoría del mundo Zn se ha completado con evidencias de la constitución iónica del interior de las primeras protocélulas. En 1926, el bioquímico canadiense Archibald Macallum notó el parecido de los fluidos corporales como la sangre y la linfa con el agua de mar ; sin embargo, la composición inorgánica de todas las células difiere de la del agua de mar moderna, lo que llevó a Mulkidjanian y sus colegas a reconstruir los "criaderos" de las primeras células combinando el análisis geoquímico con el escrutinio filogenómico de los requisitos de iones inorgánicos de las células modernas. Los autores concluyen que las proteínas y los sistemas funcionales ubicuos, y por inferencia primordiales, muestran afinidad y requerimiento funcional para K + , Zn 2+ , Mn 2+ y [PO
4
]3−
. La reconstrucción geoquímica muestra que esta composición iónica podría no haber existido en el océano, pero es compatible con los sistemas geotérmicos del interior. En la atmósfera primordial dominada por el CO 2 y empobrecida en oxígeno, la química de los condensados ​​de agua cerca de los campos geotérmicos se parecería al medio interno de las células modernas. Por lo tanto, la evolución precelular puede haber tenido lugar en "estanques de Darwin" poco profundos revestidos con minerales de silicato porosos mezclados con sulfuros metálicos y enriquecidos en K + , Zn 2+ y compuestos de fósforo.

Homoquiralidad

Muchas biomoléculas, como el ácido L-glutámico , son asimétricas y ocurren en los sistemas vivos en solo una de las dos formas posibles, en el caso de los aminoácidos, la forma levógira. La química prebiótica produciría ambas formas, creando un rompecabezas para los investigadores de la abiogénesis.

La homoquiralidad es la uniformidad geométrica de los materiales compuestos de unidades quirales (no simétricas de espejo). Los organismos vivos usan moléculas que tienen la misma quiralidad (orientación lateral): casi sin excepciones, los aminoácidos son de mano izquierda mientras que los nucleótidos y los azúcares son de mano derecha. Las moléculas quirales se pueden sintetizar, pero en ausencia de una fuente quiral o un catalizador quiral , se forman en una mezcla 50/50 (racémica) de ambas formas . Los mecanismos conocidos para la producción de mezclas no racémicas a partir de materiales de partida racémicos incluyen: leyes físicas asimétricas, como la interacción electrodébil ; entornos asimétricos, como los causados ​​por la luz polarizada circularmente , los cristales de cuarzo o la rotación de la Tierra, las fluctuaciones estadísticas durante la síntesis racémica y la ruptura espontánea de la simetría . Una vez establecida, se seleccionaría la quiralidad. Un pequeño sesgo ( exceso enantiomérico ) en la población puede amplificarse a uno grande mediante autocatálisis asimétrica , como en la reacción de Soai . En la autocatálisis asimétrica, el catalizador es una molécula quiral, lo que significa que una molécula quiral cataliza su propia producción. Un exceso enantiomérico inicial, como el que puede producir la luz polarizada, permite que el enantiómero más abundante supere al otro. La homoquiralidad puede haber comenzado en el espacio exterior, ya que en el meteorito de Murchison el aminoácido L-alanina es más del doble de frecuente que su forma D, y el ácido L-glutámico es más de tres veces más abundante que su contraparte D. Los aminoácidos de los meteoritos muestran un sesgo hacia la izquierda, mientras que los azúcares muestran un sesgo predominantemente hacia la derecha, como se encuentra en los organismos vivos, lo que sugiere un origen abiogénico de estos compuestos.

Ver también

Referencias

notas explicativas a pie de página

Citas

Fuentes generales y citadas

enlaces externos