El Origen de la Vida en la Tierra

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El Origen de la Vida en la Tierra

Inorgánico frente a orgánico

En general, se supone que la vida terrestre surgió en el agua líquida en presencia de moléculas orgánicas que contienen átomos de carbono e hidrógeno asociados a átomos de oxígeno, nitrógeno y azufre, como la vida actual.

Puntualización

Sin embargo, algunos científicos promueven un escenario alternativo basado en sustratos inorgánicos. Schneider (1977), por ejemplo, sugirió que las complejas redes de dislocación que se encuentran en algunos cristales podrían seguir los criterios de las unidades vivas y dar lugar a una fisiología cristalina. Según Cairns-Smith (1982), no hay ninguna razón de peso para relacionar una primera vida con un último ancestro común hecho de moléculas orgánicas. Propuso que los primeros sistemas vivos, y la evolución química que los precedió, podrían haberse basado en alguna química de la arcilla, diferente de la vida que conocemos. Aunque cada paso de la hipotética secuencia de acontecimientos fue desarrollado en detalle, el escenario no ha sido apoyado por hechos experimentales. Weiss (1981) publicó datos que parecían apoyar experimentalmente el escenario de Cairns-Smith. Lamentablemente, los resultados no pudieron ser replicados. Dado que no se pudieron obtener respuestas satisfactorias, la réplica mediada por la arcilla no puede darse por sentada.

Autótrofos frente a heterótrofos

La suposición de que la vida surgió en el agua y se basó en moléculas orgánicas no es sólo un punto de vista antropocéntrico, ya que el agua y la química del carbono tienen propiedades muy específicas. Se consideran dos tipos de especies vivas primitivas en función de su uso de moléculas orgánicas: los autótrofos se supone que son capaces de producir sus propios orgánicos a partir del CO2, mientras que los heterótrofos utilizaban orgánicos ya fabricados. Los partidarios de la hipótesis del metabolismo primigenio abogan por la formación espontánea de moléculas simples a partir de dióxido de carbono y agua para generar rápidamente la vida.Entre las Líneas En la segunda hipótesis, la de la sopa primitiva, se acumularon moléculas orgánicas bastante complejas en un pequeño estanque caliente antes de dar lugar a la vida (tal como quedó reflejado en varios libros de los años 20 del siglo XX).

Es de esperar que los procesos autótrofos (del griego autós, yo, y trophe, alimento) produzcan sus ingredientes a partir de sustancias muy simples presentes en su entorno. El dióxido de carbono era abundante en la atmósfera primitiva. La fuente de energía necesaria para reducir el dióxido de carbono podría haber sido proporcionada por la formación oxidativa de pirita a partir de sulfuro de hierro y sulfuro de hidrógeno. La pirita tiene cargas superficiales positivas y une los productos de la reducción del dióxido de carbono, dando lugar a un sistema de reacción bidimensional, un “metabolismo de superficie”.

Los trabajos de laboratorio han proporcionado cierto apoyo a esta prometedora hipótesis. La reducción del dióxido de carbono en presencia de FeS y H2S proporcionó principalmente metil- y etil-tiol junto con cantidades más pequeñas de otros tioles que contienen hasta cinco átomos de carbono. El CO2 también se convirtió en CS2 y COS. Se observó que la reducción directa del CO2 a ácido acético, acetaldehído, etanol y cantidades más pequeñas de compuestos de carbono que contienen hasta seis átomos de carbono tenía lugar a 350°C y alta presión en presencia de magnetita (Fe3O4) y pequeñas cantidades de agua. Junto con el escenario propuesto por Michael Russel, una configuración de laboratorio que simula las condiciones que prevalecen en los respiraderos hidrotermales alcalinos generó bajos rendimientos de orgánicos simples. Hasta ahora, los defensores del enfoque del metabolismo primero no han sido capaces de producir moléculas prebióticas precursoras lo suficientemente grandes como para crear vida primitiva simple en un tubo de ensayo.

La “sopa primitiva”

El enfoque de la sopa primitiva, también llamado de la replicación primero, requiere que las moléculas orgánicas complejas se acumulen en un pequeño estanque caliente, como propuso Darwin. Las fuentes de dichas moléculas serían tres: la atmósfera, los sistemas hidrotermales submarinos y el envío al espacio. Las fuentes de carbono más sencillas para construir moléculas orgánicas prebióticas son gaseosas (es decir, dióxido y monóxido de carbono para las formas oxidadas, y metano para las reducidas). El bioquímico ruso Oparin (1924) sugirió que las pequeñas moléculas orgánicas reducidas necesarias para la vida primitiva se formaron en una atmósfera primitiva dominada por el metano.

Miller (1953) puso a prueba la idea exponiendo una mezcla de metano, amoníaco, hidrógeno y agua a descargas de chispas y a descargas eléctricas silenciosas.Entre las Líneas En su experimento inicial, obtuvo tres aminoácidos (glicina, alanina y β-alanina) mediante la formación intermedia de cianuro de hidrógeno y aldehídos. La síntesis de aminoácidos en el laboratorio de Miller se produce de forma eficiente cuando se utiliza una mezcla de gas reductor que contiene cantidades significativas de hidrógeno.

▷ En este Día de 26 Abril (1937): Bombardeo de Guernica

Durante la guerra civil española, la Legión Cóndor de la fuerza aérea alemana, que apoyaba a los “nacionalistas” sublevados, bombardeó la ciudad vasca de Guernica, un acontecimiento conmemorado en el cuadro “Guernica” de Pablo Picasso, en varias películas y en numerosos libros y estudios. Véase más acerca de los efectos y consecuencias de esa guerra. Y hace 38 años se produjo el accidente nuclear de Chernóbil. En la madrugada del 26 de abril de 1986 se produjo una devastadora catástrofe medioambiental cuando una explosión y un incendio en la central nuclear de Chernóbil (Ucrania) liberaron grandes cantidades de material radiactivo a la atmósfera. Los efectos se notaron incluso en Alemania.

Sin embargo, la opinión dominante es que la atmósfera primitiva estaba formada principalmente por CO2, N2 y H2O, junto con pequeñas cantidades de CO y H2.Entre las Líneas En una mezcla de este tipo sólo se forman pequeños rendimientos de aminoácidos, aunque estudios más recientes muestran que los bajos rendimientos previamente reportados podrían ser el resultado de la oxidación de los compuestos orgánicos durante el reprocesamiento hidrolítico por el nitrito y el nitrato producidos en las reacciones. El rendimiento de los aminoácidos aumenta considerablemente cuando se añaden inhibidores de la oxidación, como el hierro ferroso, antes de la hidrólisis, lo que sugiere que la síntesis a partir de atmósferas primitivas neutras puede ser más importante de lo que se pensaba.

Otros Elementos

Además, se obtuvieron 22 aminoácidos y cinco aminas al reanalizar las muestras archivadas de los experimentos de Miller.

Este análisis posterior sugiere que, aunque la atmósfera general no fuera reductora, la síntesis prebiótica localizada podría haber sido efectiva en las plumas volcánicas. Miller también encendió una mezcla de gases de CH4, NH3 y H2O mientras añadía intermitentemente el plausible reactivo condensador prebiótico cianamida. Tras su muerte, las muestras archivadas se analizaron en busca de aminoácidos, dipéptidos y diketopiperazinas. Se encontraron una docena de aminoácidos, 10 dipéptidos con glicina y tres diketopiperazinas con glicina. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia potencial de los reactivos condensadores en la generación de diversidad dentro del inventario químico prebiótico.

El intenso bombardeo probablemente provocó cierto reprocesamiento químico de la atmósfera primitiva de la Tierra mediante la química de choque por impacto. Por ejemplo, se produjo cianuro de hidrógeno en el laboratorio por el impacto de un proyectil de policarbonato y grafito a través de una atmósfera rica en N2. Una fracción significativa (>0,1 mol %) del carbono vaporizado se convirtió en HCN y condensados de cianuro, incluso cuando el gas ambiental contenía hasta unos cientos de mbar de CO2.

De los bloques de construcción a la vida

Por analogía con los sistemas vivos contemporáneos, es tentador considerar que la vida primitiva surgió como un sistema similar a la célula. Un sistema de este tipo requiere, como mínimo, moléculas limítrofes capaces de aislar un sistema del entorno acuoso (membrana), moléculas catalíticas que realicen el trabajo químico básico de la célula (como las enzimas) y moléculas de información capaces de almacenar y transferir la información necesaria para la reproducción (como los polímeros de ácido nucleico).Entre las Líneas En los laboratorios se han desplegado grandes esfuerzos para producir estos tres requisitos previos, aunque por separado.Entre las Líneas En particular, el equipo de Sutherland produjo simultáneamente los precursores de los aminoácidos de los ácidos nucleicos y de los lípidos a partir únicamente de cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y luz ultravioleta.

Se sabe que los ácidos grasos forman vesículas cuando sus cadenas de hidrocarburos contienen más de 10 átomos de carbono. Estos ácidos grasos formadores de vesículas han sido identificados en el meteorito de Murchison.

Puntualización

Sin embargo, las membranas obtenidas con estos anfífilos simples (moléculas con porciones solubles y no solubles en agua) no son estables en una amplia gama de condiciones ambientales. Algunos investigadores sugirieron que las membranas primitivas estaban compuestas por cadenas densamente ramificadas derivadas del isopreno en lugar de hidrocarburos anfifílicos de gran longitud. Se ha revisado cómo diferentes bloques de construcción disponibles prebióticamente podrían haberse convertido en precursores de los lípidos que contienen fósforo y que forman vesículas (ver más abajo).

Las enzimas proteicas, compuestas por 20 aminoácidos principales, catalizan la mayoría de las reacciones químicas de una célula viva. Lo más probable es que los aminoácidos estuvieran disponibles en la Tierra primitiva como mezclas complejas. Se han identificado reacciones químicas capaces de condensar selectivamente los aminoácidos proteicos, a expensas de los no proteicos en el agua.

Detalles

Las estructuras helicoidales y laminares pueden modelarse con la ayuda de sólo dos aminoácidos diferentes, uno hidrofóbico y otro hidrofílico. Los polipéptidos con residuos alternativamente hidrofóbicos e hidrofílicos adoptan estructuras en capas solubles en agua (β-sheets) debido a la agrupación de cadenas laterales hidrofóbicas. Debido a la formación de una lámina β, las secuencias alternas adquieren una buena resistencia a la degradación química. La agregación de secuencias alternas en láminas β sólo es posible con polipéptidos totalmente L o totalmente D. También se ha demostrado que los péptidos cortos presentan propiedades catalíticas.

Varios científicos, a finales de los años 90, informaron de la formación de péptidos en un reactor de flujo organizado que imitaba las condiciones de un sistema hidrotermal. El equipo fue capaz de polimerizar monómeros de glicina de hasta seis unidades en presencia de iones de Cu. Esta configuración también fue capaz de demostrar la polimerización a temperaturas de 200-250°C, en contra de la creencia popular de que las moléculas orgánicas son inestables bajo altas temperaturas. Mas tarde, otros imitaron este sistema hidrotermal y desarrollaron un método automatizado para exponer monómeros de glicina a ciclos prolongados de deshidratación-hidratación y, curiosamente, se observaron longitudes de cadena de 20 aminoácidos.

Observación

Además de la homo-oligomerización, el equipo pudo observar la hetero-oligomerización a longitudes de cadena que implicaban ocho aminoácidos diferentes.

En los sistemas vivos contemporáneos, la memoria hereditaria se almacena en los ácidos nucleicos, largas cadenas construidas a partir de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por una base (purina o pirimidina), un azúcar (ribosa para el ARN, desoxirribosa para el ADN) y un grupo fosfato. La síntesis de los nucleótidos es compleja, debido principalmente al escaso rendimiento de los azúcares obtenidos a partir del formaldehído en la reacción de la formosa y a la inestabilidad de los azúcares. La vida media del azúcar ribosa es tan corta -73 minutos a 100°C- que es difícil imaginar que haya podido permanecer lo suficientemente estable como para acumularse a lo largo de escalas de tiempo geológicas.

Puntualización

Sin embargo, varios avances en la síntesis prebiótica de la ribosa han mejorado las perspectivas. Por ejemplo, se ha demostrado que los minerales de borato estabilizan la ribosa.

La condensación de derivados amidados de la pirimidina (formamidopirimidinas) con azúcares proporciona los nucleósidos naturales N-9 (ribosa unida a una base nucleica) en buenos rendimientos (60%). Las formamidopirimidinas están disponibles a partir del ácido fórmico y de las amino pirimidinas, que a su vez están disponibles a partir de moléculas prebióticas que también fueron detectadas durante la misión del cometa Rosetta. Esta vía de formación de nucleósidos puede fusionarse con las reacciones de formación de azúcares, proporcionando un escenario plausible de cómo pueden haberse formado los nucleósidos de purina en condiciones prebióticas.

Se ha demostrado que dos heterociclos prebióticos plausibles, la melamina y el ácido barbitúrico, forman enlaces de tipo azúcar con la ribosa y la ribosa-5-fosfato en agua para producir nucleósidos y nucleótidos en buenos rendimientos. Incluso sin purificación, estos nucleótidos se emparejan en solución acuosa para crear conjuntos supramoleculares lineales que contienen miles de nucleótidos ordenados. Los ensamblajes supramoleculares favorecen la forma biológicamente relevante de estos ribonucleótidos, revelando mecanismos abióticos por los que la estructura y la configuración de los nucleótidos podrían haber sido favorecidas originalmente.

Otro paso adelante fue la observación de que el fosfato de glicolaldehído que reacciona con el fosfato de gliceraldehído da ribosa-2,4-difosfato como principal producto de reacción (Müller et al., 1990). Esta síntesis se mejoró al realizar la reacción con el fosfato de glicolaldehído y el fosfato de gliceraldehído en una superficie mineral de hidróxido de doble valencia mixta, donde la ribosa 2,4-difosfato fue el principal fosfato de pentosa formado con un rendimiento global de alrededor del 12%. Las soluciones calentadas que contienen tanto 5-hidroximetiluracilo como 5-hidroximetilcitosina dan lugar a oligómeros mixtos de uracilo y citosina.Entre las Líneas En lugar de intentar ensamblar las tres subunidades de un ribonucleótido, el bloque de construcción del ARN, John Sutherland y sus colegas crearon un ribonucleótido a partir de sustancias químicas simples en condiciones que podrían haber existido en la Tierra primitiv.

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La plausibilidad de tales síntesis prebióticas de varias etapas ha sido evaluada por Alan Schwartz (2013). La ribosa no se ha detectado en los meteoritos; sin embargo, la irradiación con fotones UV de análogos de hielo interestelar hechos de agua, metanol y amoníaco a 78 K en una cámara de alto vacío generó cantidades sustanciales de ribosa y una diversidad de moléculas de azúcar estructuralmente relacionadas, como la arabinosa, la xilosa y la lixosa.

La unión del fósforo a los nucleósidos con agentes fosforilantes probablemente presentes en una Tierra primitiva es otra cuestión compleja. Los estudios realizados con el mineral schreibersita, (Fe,Ni)3P, llevados a cabo de forma independiente por varios investigadores, proporcionan una posible solución a este problema.

Por otro lado, en un entorno geológico que contiene borato, magnesio, sulfato, calcio y fosfato, los iones Mg2+ y el borato secuestran el fosfato del calcio para formar el mineral lüneburgita. Los ribonucleósidos estabilizados por el borato movilizan el borato y el fosfato de la lüneburgita, y luego son fosforilados específicamente por el mineral.

Los vidrios basálticos ricos en fósforo también se han propuesto como una posible fuente de fosfatos condensados en la Tierra primitiva. Una solución eutéctica de urea/amonio/agua conduce a un aumento de la fosforilación en comparación con la urea sola para fuentes de fosfato de solubilidad variable.

Otros Elementos

Además, en condiciones de evaporación y en presencia de MgSO4, el eutéctico moviliza el fosfato secuestrado en la hidroxiapatita insoluble en agua, dando lugar a un marcado aumento de la fosforilación. Los resultados sugieren que las concentraciones prebióticas de urea en un entorno evaporítico geológicamente plausible podrían resolver el problema de la fosforilación orgánica en una Tierra prebiótica.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características y el futuro de esta cuestión):

La hipótesis del mundo del ARN

En 1986, Zaug y Cech (1986) descubrieron que algunos ARN, las ribozimas, tienen propiedades catalíticas. Por ejemplo, aumentan la velocidad de hidrólisis de los oligorribonucleótidos. También actúan como plantillas de polimerización, ya que se pueden obtener cadenas de hasta 30 monómeros de longitud partiendo de un pentanucleótido. Desde este descubrimiento primario, el espectro catalítico de estas ribozimas se ha ampliado considerablemente mediante experimentos de evolución molecular dirigida en probeta. Desde que se demostró que el ARN es capaz de actuar simultáneamente como molécula de información y como molécula catalítica, se ha considerado que el ARN es el primer sistema vivo de la Tierra primitiva. Un “mundo de ARN” basado en las ribozimas ha sido modelado con cierto detalle y revisado. El camino hacia el mundo del ARN ha sido allanado por el impresionante trabajo de Jim Ferris, que polimerizó monómeros similares al ARN en arcillas.

Bernal (1949) sugirió por primera vez un papel clave de los minerales de arcilla en el origen de la vida. Las características ventajosas de las arcillas son:

• su disposición ordenada,
• su gran capacidad de adsorción,
• su blindaje frente a los rayos UV de la luz solar,
• su capacidad para concentrar sustancias químicas orgánicas y
• su capacidad para servir como plantillas de polimerización.

Sin embargo, hay que recordar que la síntesis del propio ARN, en condiciones prebióticas, sigue siendo un reto difícil.

El mundo del ARN aparece como un episodio probable en la evolución de la vida antes de la aparición de la vida celular, pero sigue abierta la cuestión de si la vida empezó con moléculas de ARN o con análogos de ARN más simples o sucedáneos que evolucionaron hasta el ARN. Hay que recordar, sin embargo, que la síntesis completa del ARN en “condiciones prebióticas” sigue siendo un reto sin resolver. Parece, pues, poco probable que la vida haya comenzado con moléculas de ARN, porque estas moléculas no son lo suficientemente simples y su síntesis no es lo suficientemente sencilla.

Un origen vesicular de la vida

Harold Morowitz (1992) postuló que el primer paso hacia el origen de la vida fue la condensación espontánea de moléculas anfifílicas para formar vesículas, y se han descrito ejemplos de crecimiento autocatalítico de micelas.

Puntualización

Sin embargo, estos sistemas autocatalíticos por sí solos no almacenan información hereditaria y, por tanto, no pueden evolucionar por selección natural. Varios investigadores descubrieron que la presencia de minerales arcillosos de origen natural, como la montmorillonita, puede ayudar en el ensamblaje de las vesículas y llevar el ARN ligado al interior de las mismas, proporcionando así información al sistema vesicular. Más ambicioso aún, el “proyecto de la célula mínima” se ha propuesto sintetizar un modelo de célula que tenga el mínimo número de componentes para ser definida como viva. Se utilizan liposomas como membranas celulares y se intenta introducir un genoma mínimo.

El papel de las vesículas en los orígenes de la vida es incuestionable y se está explorando ampliamente. Se ha descubierto que las vesículas de arcilla de montmorillonita ofrecen compartimentos robustos, inorgánicos y semipermeables. Presentan una permeabilidad selectiva en cuanto al tamaño y favorecen la compartimentación espontánea de moléculas autoensambladas en entornos acuosos. Más recientemente, se ha demostrado que las gotas mantenidas fuera del equilibrio termodinámico por un suministro externo de energía crecen por la adición de material de la gota generado por reacciones químicas. Sorprendentemente, el crecimiento de las gotas impulsado por la química puede conducir a inestabilidades de forma que desencadenan la división de las gotas en dos hijas más pequeñas, mostrando así ciclos de crecimiento y división que se asemejan a la proliferación de las células vivas.

Entropía, autoorganización y autocatálisis

A menudo se argumenta que la progresión lenta e irreversible de la complejidad hacia la vida va en contra de la segunda ley de la termodinámica, que dictamina que la entropía (es decir, el desorden) aumenta con el tiempo y que el orden y la organización siempre disminuyen. Teniendo en cuenta que la ley se aplica específicamente a los sistemas aislados, mientras que los sistemas vivos son necesariamente sistemas abiertos, la literatura, en los años 70, demostró que muchos sistemas se organizan espontáneamente si se les fuerza a salir del equilibrio termodinámico. Por ejemplo, las moléculas anfifílicas, con una cola hidrocarbonada hidrofóbica y una cabeza polar hidrofílica, se autoasocian espontáneamente en el agua para formar vesículas en forma de gotas. Como ya se ha mencionado, los polipéptidos estrictamente alternantes, con residuos hidrofílicos e hidrofóbicos cargados, se autoorganizan en bicapas asimétricas de lámina β con un interior hidrofóbico y un exterior hidrofílico.

Más recientemente, se ha intentado conciliar la teoría darwiniana y la segunda ley de la termodinámica mediante el concepto de estabilidad cinética dinámica y persistencia. Siempre que se mantengan lejos del equilibrio, los sistemas que son capaces de hacer más de sí mismos pueden evolucionar hacia una mayor estabilidad cinética, que es otra forma de persistencia.

Los químicos han tenido la tentación de considerar que los sistemas de replicación primitivos debían utilizar moléculas de retención de información más simples que los ácidos nucleicos biológicos o sus análogos y buscaron sistemas químicos simples y autosostenibles capaces de autorreplicarse, mutar y seleccionar. Se ha demostrado que moléculas sencillas no relacionadas con los nucleótidos pueden proporcionar realmente modelos autocatalíticos de replicación exponencial. La autocatálisis se observa cuando el producto de la reacción cataliza su propia formación.Entre las Líneas En los años 90 se investigó con plantillas de transferencia de información en sistemas complejos.Entre las Líneas En la mayoría de los casos, la tasa de crecimiento autocatalítico no varió en un sentido lineal, en contraste con la mayoría de las reacciones autocatalíticas conocidas hasta ahora. Se ha demostrado que dos fragmentos preformados de un péptido se ligan autocatalíticamente mediante el péptido completo que actúa como plantilla.

Puntualización

Sin embargo, las moléculas replicadas sólo contienen dos “letras” y poseen, por tanto, un nivel de información muy bajo.

La intrigante unidireccionalidad de la vida

Pasteur fue el primero en postular que la actividad óptica era la línea de demarcación entre los reinos animado e inanimado y expresó el concepto de que la vida está dominada por acciones disimétricas cuya existencia es cósmica (Pasteur, 1860). El átomo de carbono, que tiene una distribución tetraédrica de sus enlaces, se vuelve asimétrico cuando se une a cuatro sustituyentes diferentes. Una molécula que tiene al menos un carbono de este tipo es entonces quiral y, a priori, puede existir en dos formas que son imágenes especulares la una de la otra y se denominan enantiómeros. La mayoría de los componentes de la vida actual -aminoácidos, azúcares y lípidos- contienen al menos un carbono asimétrico. La vida es unipolar, por lo que sólo un enantiómero de cada biomolécula quiral está presente en los sistemas vivos, es decir, las proteínas utilizan sólo L-aminoácidos y el ADN y el ARN D-azúcares. Las proteínas también pueden adoptar geometrías asimétricas y rígidas, hélices y láminas, que desempeñan un papel clave en la actividad catalítica. Se cree que la unipolaridad (homociralidad) no es sólo una consecuencia de la vida, sino también un prerrequisito para la vida, porque las estructuras como las descritas anteriormente no se forman con mezclas de monómeros de ambas manos.

El uso de biomonómeros de una mano también afina la información de la secuencia de los biopolímeros. Para un polímero formado por n unidades, el número de combinaciones de secuencias se dividirá por 2n cuando el sistema utilice sólo monómeros homocirales. Teniendo en cuenta el hecho de que las cadenas enzimáticas suelen estar formadas por cientos de monómeros, es evidente la enorme ganancia de simplicidad que ofrece el uso de monómeros restringidos a una sola mano. Cualquier reacción química realizada en un entorno simétrico que forme moléculas quirales produce una mezcla racémica (es decir, una mezcla de cantidades iguales de enantiómeros diestros y zurdos). Las biomoléculas racémicas probablemente se formaron inicialmente en la Tierra primitiva; sin embargo, es poco probable que la primera vida contuviera tanto las formas diestras como las izquierdas de las mismas moléculas biológicas. Los modelos teóricos muestran que los sistemas autocatalíticos alimentados con moléculas tanto diestras como zurdas deben convertirse en unipolares para poder sobrevivir.

El problema para entender la generación de la homociralidad es doble: el origen de un enantiómero predominante y su posterior amplificación hasta la aparición de la vida. La amplificación de algunos excesos enantioméricos ha sido bien documentada en el laboratorio utilizando cristales, procesos de cristalización o biopolímeros. Se ha demostrado muy bien, desde finales de los años 90, que unos pocos porcentajes de un iniciador quiral pueden amplificar drásticamente la unicidad molecular a través de la autocatálisis. Los modelos teóricos para la existencia del exceso de enantiómeros ligeramente predominante en la Tierra pueden dividirse en dos tipos: los que abogan por un mecanismo de azar y los que implican un mecanismo determinado resultante de un entorno asimétrico en la Tierra o incluso en el universo.

Los defensores del mecanismo de azar sostienen que la noción de una mezcla racémica perfectamente equilibrada es relativa, y que las fluctuaciones aleatorias pueden favorecer a un enantiómero en detrimento del otro. Por ejemplo, para una población de 10 millones de moléculas, que es aproximadamente la cantidad de constituyentes quirales de la célula viva más pequeña, la probabilidad de encontrar un exceso de 0,02% o más en un enantiómero es de aproximadamente el 50%.

En un modelo cinético bastante simple propuesto por Frank (1953), un reactor de flujo abierto, que funciona en condiciones alejadas del equilibrio, se alimenta con compuestos potencialmente asimétricos y forma dos enantiómeros de forma reversible y autocatalítica. Si los dos enantiómeros pueden reaccionar para formar una combinación irreversible que salga del reactor -por precipitación, por ejemplo- y si se alcanzan ciertas condiciones de flujos y concentraciones, la producción racémica puede volverse metaestable y el sistema puede cambiar permanentemente hacia la producción de uno u otro enantiómero, dependiendo de un pequeño exceso en un enantiómero. El modelo de Frank ha inspirado un modelo descrito como marco teórico, basado en la reactividad impulsada por una mano de los bloques de construcción monoméricos quirales preexistentes, mantenidos fuera del equilibrio por un ingreso continuo de energía, mediante una reacción de activación. Permite la autoconversión de todas las subunidades monoméricas en una única configuración quiral.

Se ha utilizado un modelo que incluye la inhibición cruzada de enantiómeros y el sesgo quiral para estudiar las ecuaciones de difusión que controlan el desarrollo espacio-temporal de los dominios izquierdos y derechos en el contexto de las redes de reacción de polimerización autocatalítica (Gleiser, 2007). Se ha propuesto un modelo de homociralidad totalmente autónomo que contiene los efectos tanto de la polimerización como de la disociación.

La cristalización representa el mecanismo más eficaz para la ruptura de la simetría molecular por azar, como es el caso de la cristalización del clorato de sodio. Cuando se agitó la solución, casi todos los cristales de NaClO4 (99,7%) de una muestra dada tenían la misma quiralidad, ya sea L o D. También se ha obtenido el enriquecimiento enantio de una variedad de aminoácidos por sublimación de muestras casi racémicas.

Varios autores también han afirmado que exhiben efectos asimétricos, aunque las arcillas comunes, como la caolinita y la montmorillonita, no tienen quiralidad intrínseca y, por lo tanto, no se espera que desarrollen interacciones estereoselectivas con moléculas prebióticas quirales. Han despertado un gran interés pero han generado, al mismo tiempo, muchas controversias sobre los falsos positivos.

En cuanto a los mecanismos determinados, la no conservación de la paridad ha suscitado muchas esperanzas y ha causado muchas decepciones. Esta asimetría fundamental de la materia se ha examinado desde varios aspectos, como los fotones polarizados circularmente emitidos por la ralentización de electrones polarizados longitudinalmente (Bremsstrahlung), la inducción de reacciones de degradación o la cristalización estereoselectiva de mezclas racémicas. Ningún experimento ha apoyado de forma convincente estas consideraciones teóricas sobre el origen de un enantiómero dominante en la Tierra. O bien se ha demostrado que los resultados son artefactos o que son tan débiles que son dudosos. Existe una diferencia energética muy pequeña de violación de la paridad a favor de los L-aminoácidos en sus conformaciones preferidas en el agua y a favor de los D-azúcares.

La diferencia de energía es de aproximadamente 3×10-19 eV, lo que corresponde a una parte en 10+17 para el exceso de moléculas L en una mezcla racémica en equilibrio termodinámico a temperatura ambiente.

Puntualización

Sin embargo, una diferencia energética tan pequeña no es suficiente para formar un enantiómero de forma preferente.

La posibilidad de inducir un efecto quiral sometiendo una reacción química adecuada a un campo magnético, ya concebida por Pasteur, ha recibido un apoyo experimental por parte de Rikken y Raupach (2000).

Detalles

Los autores utilizaron un complejo quiral de cromo, que es inestable en solución y se disocia y reasocia espontáneamente. La disociación se acelera por la absorción (véase su concepto jurídico) de luz.Entre las Líneas En presencia de un rayo láser no polarizado que viaja en paralelo a un campo magnético estático, se produce y mantiene un pequeño exceso de un enantiómero. Al invertir la dirección del campo magnético, se obtiene el enantiómero espejo. La fotoquímica magnetociral aparece, por tanto, como una posible fuente de homociralidad biológica.

Fuente extraterrestre de homociralidad

Cronin y Pizzarello (en sus trabajos de 1997 y el año 2000) encontraron pequeños excesos de enantiómeros L en seis ácidos α-metil-α-amino alcanoicos de las condritas carbonáceas Murchison (2,8-9,2%) y Murray (1,0-6,0%). Se han medido excesos enantioméricos de hasta el 15% para la isovalina y el ácido 2-metil-2-aminobutírico. Estos aminoácidos son desconocidos o raros en la biosfera terrestre y, por tanto, no pueden atribuirse a la contaminación terrestre.

Otros Elementos

Además, la indigeneidad de los enantiómeros D- y L-isovalina está respaldada por datos isotópicos de carbono e hidrógeno. Las condritas de tipo Renazzo (CR) encontradas en la Antártida revelaron excesos enantioméricos nativos de hasta el 60%.

El exceso de aminoácidos de una mano encontrado en el meteorito Murchison puede ser el resultado del procesamiento de los mantos orgánicos de los granos interestelares por la radiación sincrotrón circularmente polarizada de una estrella de neutrones remanente de una supernova.

Se ha observado una fuerte polarización circular en el infrarrojo, resultante de la dispersión del polvo en nebulosas de reflexión en la región de formación estelar de Orión OMC-1. La polarización circular en longitudes de onda más cortas podría haber sido importante para inducir la asimetría quiral en las moléculas orgánicas interestelares, que podrían haber llegado posteriormente a la Tierra primitiva.

La irradiación con luz ultravioleta polarizada circularmente (UV CPL) permite obtener excesos enantioméricos (ee). El aumento de los valores de ee que se puede conseguir durante la fotólisis de un racemato es una función de la magnitud del factor de anisotropía g (es decir, la diferencia entre los coeficientes de adsorción de los dos enantiómeros para una CPL de frecuencia determinada (g=Δe/e)) y de la extensión de la reacción. Se trata de un parámetro físico estricto que regirá el posible grado de ee obtenido antes de que los enantiómeros se destruyan ambos. Se da la circunstancia de que este factor tiene un valor muy bajo para los aminoácidos (0,02), y que la ee máxima estimada posible, incluso con una fotodestrucción del 99,99%, es del 9,2% (como se mostró en los años 70). Se irradiaron películas de estado sólido de D,L-leucina racémica con una intensa radiación de sincrotrón polarizada circularmente (CPSR). Después de una fotodescomposición del 70%, se encontró que la mayor ganancia en el valor del exceso enantiomérico era de +2,6 en la D-leucina cuando se irradiaba con r-CPSR a 182 nm. La irradiación con l-CPSR dio como resultado un valor de exceso enantiomérico de +0,88% en la L-leucina.

La irradiación de mezclas de hielo de H2O/CH3OH/NH3 mediante luz polarizada circularmente proporcionó 16 aminoácidos distintos. Se midieron excesos enantioméricos L en cinco de ellos, con valores de exceso enantiomérico que oscilaban entre el -0,2% y el -2,54%. Los resultados apoyan un escenario astrofísico en el que el sistema solar se formó en una región en la que los granos helados fueron irradiados durante la fase protoplanetaria por una fuente externa de luz polarizada circularmente, induciendo una fotoquímica estereoespecífica.

Hacia una química prebiótica estocástica

Al demostrar en 1953 que era posible formar aminoácidos -los componentes básicos de las proteínas- a partir de metano, una molécula orgánica simple que contiene un solo átomo de carbono, Stanley Miller generó la ambiciosa esperanza de que los químicos fueran capaces de crear vida en un tubo de ensayo. A pesar de los enormes esfuerzos de los químicos que abordan el problema, hay que reconocer que el sueño aún no se ha cumplido. Esto nos obliga a revisar verdaderamente nuestros planteamientos sobre el origen químico de la vida. Una nueva estrategia podría consistir en imitar más de cerca la sopa primordial y dejar que la química al azar funcione. Al hacerlo, los químicos dejarán de controlar cada paso del proceso, pero quizá sea el precio a pagar para hacer realidad el sueño de crear una vida sencilla en el laboratorio. Un enfoque pionero debería ceñirse a entornos geológicamente relevantes y pertinentes para la Tierra primitiva. Este aspecto de los experimentos en la literatura está demasiado a menudo mal limitado o, de hecho, totalmente ignorado. Se ha propuesto una metodología racional que incluye sistemas químicos y su reactividad estocástica en superficies geológicas heterogéneas, basada en la relación entre la química prebiótica y las condiciones geológicas de la Tierra hadeana (Dass et al., 2016). La interacción de la química prebiótica estocástica con rocas de composición heterogénea, como los hidrogeles basados en sílice sobre basaltos heterogéneos del Hadeico, aporta un mayor nivel de complejidad además de la heterogeneidad inherente a los sistemas químicos.

Datos verificados por: Dewey

Recursos

Véase También

Astronomía, Biología, Ciencia Planetaria, Espacio Exterior, Origen del Mundo, Origen de la Vida,

Bibliografía

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