La panaspermia
François Raulin
A fines del siglo XIX e inicios del XX, los sabios empiezan a mirar el cielo para comprender nuestro propio planeta y los misterios de la vida. Es en esa época cuando se afirma el origen extraterrestre de los meteoritos , ya que durante mucho tiempo se había dudado de ello. De allí a pensar que las piedras caídas del cielo pueden encerrar sistemas vivos microscópicos hay sólo un paso, felizmente franqueado por la mayoría de los científicos de entonces. Se estudian los meteoritos bajo microscopio, intentando buscar eventuales gérmenes extraterrestres. El mismo Pasteur se vuelca en estas investigaciones. Pero serán en vano.
La idea es, sin embargo, atractiva, tanto más cuanto que se acaba de descubrir la naturaleza corpuscular de la luz y la existencia de la presión luminosa. Gracias a esta propiedad, la luz de las estrellas es capaz de propulsar micropartículas -incluso esporas- en el espacio y permitir así el desplazamiento interplanetario o incluso interestelar de microorganismos. Esta idea será ampliamente desarrollada por científicos de renombre, con el químico sueco, premio Nobel, Svante Arrhenius (1859-1927) a la cabeza. Para él la vida se transporta en el espacio bajo la forma de esporas, organismos vivos microscópicos capaces de dar nacimiento a nuevos microorganismos, después de la diseminación. Estas esporas viajarían por el espacio interestelar, empujadas por la presión luminosa de las estrellas.
Esta teoría de la "panspermia", publicada en 1906, supone que la Tierra habría sido sembrada de microorganismos extraterrestres, ancestros del ser vivo terrestre. Pero no proporciona ninguna precisión sobre los orígenes de este sistema vivo, con lo que no hace sino postergar esta pregunta fundamental. Los sabios de principios del siglo XX suponen de hecho que esta vida es eterna; para ellos el problema de su origen se confunde, pues, con el del origen del Universo.
La evolución química
En 1924, el bioquímico soviético Aleksandr Oparin (1894-1980) publica una pequeña obra titulada Proischogdenie zhizni (El origen de la vida). Presenta en ella una nueva teoría que permite explicar el origen de la vida. La idea de Oparin es de hecho muy simple: extender al campo de la química el concepto de evolución. La vida seria la culminación de una larga evolución química que habría precedido a la evolución biológica. Para Oparin, el medio primitivo terrestre debía ser muy diferente del actual. En particular la atmósfera, desprovista de oxigeno, encerraba una porción importante de metano y de otras moléculas orgánicas simples La evolución de estos compuestos en la atmósfera o en la superficie del planeta, en los océanos primitivos, habría permitido la formación de compuestos de interés biológico: monómeros (aminoácidos en particular) o polímeros (tales como macromoléculas semejantes a las proteínas).
Estos sistemas químicos complejos habrían formado simultáneamente estructuras coloidales, verdaderas células primitivas, que separaban a las macromoléculas biológicas del medio exterior. Estos sistemas orgánicos (es decir, carbonados, pero no vivos aún, ya que no poseían todas las propiedades necesarias) y complejos habrían continuado evolucionando, progresivamente, perfeccionando su organización interna. En forma simultánea, habrían extraído del medio su alimento orgánico, sometiéndose a las leyes de la evolución y de la selección química natural.
Algunos años más tarde, sin tener conocimiento del libro de Oparin, el biólogo inglés John Burton Haldane (1892-1964) publica un artículo en el que presenta ideas análogas. Sugiere que la formación de compuestos orgánicos en la Tierra primitiva debió ocurrir antes de la aparición de los primeros seres vivos y que esos materiales pudieron precisamente, por mecanismos evolutivos, conducir a la vida. La pequeña obra de Oparin tuvo una difusión muy limitada debido a que su edición se realizó sólo en ruso.
FI sabio soviético retomó sus ideas, desarrollándolas, en una segunda obra que apareció en la Unión Soviética en 1936. Al haber sido traducida al inglés en 1938 tuvo una difusión mucho más amplia.
Para Oparin, los primeros sistemas vivos se habrían formado espontáneamente en el medio ambiente terrestre primitivo, gracias a una sucesión de procesos químicos y físico-químicos, procesos llamados prebióticos, de complejidad creciente. Todo se habría iniciado en la atmósfera primordial del planeta Tierra, a partir de los ingredientes inorgánicos allí presentes y habría continuado en los océanos, con la aparición de los primeros sistemas capaces de duplicarse de manera autónoma. Estos microorganismos primitivos habrían utilizado para desarrollarse la materia orgánica formada de manera prebiótica. Así, para Oparin, la primera célula o protocélula habría sido heterótrofa.
Cualquier teoría es ampliamente cuestionable y considerablemente frágil en la medida en que no esté reafirmada por la observación y la experimentación. La observación, al menos en la Tierra, de una evolución química natural que comprenda al conjunto de los procesos que conducen de la materia no orgánica a un sistema autorreproductivo es altamente improbable. El medio ambiente de nuestro planeta ha cambiado de manera considerable desde que apareció la vida, y precisamente en razón misma de esta aparición. En las condiciones actuales, se excluye totalmente el hecho de que la materia carbonada se organice espontáneamente por mecanismos prebiótícos: la presencia de sistemas vivos y de oxígeno, ávidos de materias orgánicas, lo impide.
Por el contrario, podemos intentar reproducir en laboratorio, en condiciones perfectamente estériles y sin oxígeno, algunas de las etapas de la evolución química. Esta modelización experimental requiere, sin embargo, técnicas elaboradas con las que sólo se cuenta a partir de los años 50.
No es una coincidencia el hecho de que la primera experiencia fructífera en el ámbito de la química prebiótica date precisamente de ese período. Stanley Miller, por entonces joven estudiante que preparaba su tesis en el laboratorio del premio Nobel de Química Harold Urey (1893-1981), en la Universidad de Chicago, tuvo la idea de simular experimentalmente las primeras etapas de la teoría de Oparin. Somete a una descarga eléctrica una mezcla gaseosa de hidrógeno, de metano, de amoníaco y de vapor de agua, en presencia de agua en estado líquido, durante una semana aproximadamente. Esta mezcla gaseosa era entonces un modelo plausible de lo que podía ser la atmósfera terrestre primitiva. En lo que se refiere a la duración de la irradiación, no refleja en absoluto una idea creacionista del autor: el lapso de seis a siete días era el tiempo necesario para transformar la mayor parte del metano en materiales orgánicos complejos.
Al finalizar la irradiación, Miller detecta numerosos compuestos orgánicos. Comprueba particularmente la presencia de aminoácidos en la solución. Demuestra así que la evolución de un sistema químico muy simple, sometido a un flujo de energía, puede llevar a la formación de compuestos de interés biológico, incluso a la de los componentes básicos de lo viviente. Stanley Miller inaugura un nuevo campo científico: la química prebiótica experimental.
Luego se efectuaron cientos de experiencias análogas a la de Miller, con ayuda de mezclas gaseosas y de fuentes de energía variadas. Se pudieron confirmar de esta forma los primeros resultados y demostrar la formación, en estas condiciones "prebióticas", de la casi totalidad de los aminoácidos de proteínas (diecisiete sobre veinte), y bases púricas y pirimídicas. Se pudo también determinar la influencia de la composición de la fase gaseosa inicial en estas síntesis. La mejor atmósfera prebiótica es una mezcla de metano, de nitrógeno y de vapor de agua, pobre en hidrógeno. La peor es una atmósfera oxidada en la que el carbono existe bajo la forma de dióxido de carbono.
Estos estudios muestran que la evolución de la atmósfera, cuando su composición es favorable, conduce a productos gaseosos simples monómeros orgánicos como el ácido cianhídrico, HCN, el formaldehído HCRO o el cianoacetileno HC3N y a productos sólidos de estructura compleja, formados a partir de estos monómeros. Son las reacciones de estos dos tipos de productos que, en presencia de agua, conducen a los compuestos de interés biológico.
Ha nacido la química prebiótica
A pesar de la relativa simplicidad de los monómeros, se disponía de pocos datos experimentales acerca de su comportamiento en solución acuosa. Era, por tanto, indispensable desarrollar estudios específicos sobre esta química. Es lo que empezaron a hacer numerosos laboratorios en todo el mundo, a partir de finales de los años 50. Los estudios de química orgánica en solución acuosa continúan hasta la actualidad. Los mejores resultados obtenidos demuestran, en lineas generales, que efectivamente se puede obtener la mayoría de los componentes básicos de lo vivo a partir de un número relativamente limitado de
compuestos orgánicos simples y reactivos o de sus polímeros.
La química del ácido cianhídrico (HCN) en el agua conduce fácilmente a los aminoácidos y a las bases nitrogenadas (púricas y pirimídicas); la del cianoacetileno (HC3N) provee una fuente complementaria de las bases pirimídicas, finalmente la química del formaldehído (HCHO) es una fuente de azúcares biológicos. Esta es, sin embargo, muy limitada: la síntesis prebiótica de los azúcares que intervienen en la estructura de los nucleótidos (ribosa y desoxirríbosa) forma parte de los problemas más importantes de la investigación experimental sobre los orígenes de la vida.
El pasaje de los monómeros a los polímeros de interés biológico, al menos en el caso de los ácidos nucleicos, es también extremadamente delicado. Los procesos de réplica, de reproducción de una cadena de ácido nucleico (en una solución que contiene los monómeros necesarios), en la ausencia de enzima, han sido modelizados experimentalmente de manera destacada por el equipo de Leslie Orgel, en el Salk Institute, en California. Pero ese modelo necesita utilizar un polinucleótido cadena de ácido nucleico preformado. Ahora bien, la síntesis de fragmentos de nucleótidos del medio primitivo terrestre no se ha realizado aún en condiciones plausibles. Y la de sus monómeros, los nucleótidos, que necesita unir químicamente las tres moléculas diferentes que los constituyen azúcar, fosfato y base nitrogenada- no ha logrado ser efectivamente demostrada. La pregunta acerca de la aparición de los ácidos nucleicos es, pues, una de las preguntas más importantes.
Por el contrario, la síntesis prebiótica de trozos de proteínas (polipéptidos ) o de sus análogos es fácil de obtener a partir de aminoácidos o de sus derivados. En los años 60 en Estados Unidos, Sidney Fox obtiene, a través del calentamiento de aminoácidos en fase sólida, estructuras análogas a las proteínas, aunque mucho menos ordenadas ya que produjo la racemización (transformación de un compuesto inicialmente bajo una sola configuración D o L en una mezcla equimolecular de las dos antípodas ópticas) de los aminoácidos iniciales. Los llama "proteinoides". Más recientemente André Brack, en Francia, logró obtener polipéptidos por reacción, en el agua, de derivados de los aminoácidos, conservando en los polímeros la quiralidad de los monómeros de partida.
Es también fácil fabricar en laboratorio microestructuras que posean una membrana perfectamente definida. Modelos de células, pero no vivas, ya que al no poseer el material genético que permite su duplicación, son capaces de aislar del mundo exterior las moléculas orgánicas que participan en la evolución química. Los coacervatos de Oparin (aunque obtenidos con materiales biológicos) o, sobre todo, las microesferas de Fox, formadas a partir de sus proteinoides, son ejemplos concluyentes de la formación prebiótica de esas microestructuras.
No hemos logrado aún fabricar una célula viva en laboratorio partiendo de materiales inorgánicos. Incluso estamos muy lejos de ello: las dificultades son múltiples, principalmente en el campo de los nucleótidos y de sus polimeros. De todas maneras, el conjunto de los resultados experimentales que se han logrado es muy alentador. Sabemos en efecto fabricar, en condiciones prebióticas plausibles, la mayoría de los monómeros biológicos y varios de sus polímeros. Hemos determinado las limitaciones principales (en particular, en términos de composición atmosférica, de presión y de temperatura) planteadas por estas síntesis en el medio planetario en el seno del cual son susceptibles de desarrollarse. Estos modelos reducidos que los químicos de lo prebiótico intentan reconstituir en su laboratorio desde hace casi cincuenta años ponen en evidencia la importancia de dos ingredientes fundamentales en las diferentes etapas de la evolución química: la materia carbonada y el agua en estado líquido.
François Raulin
A fines del siglo XIX e inicios del XX, los sabios empiezan a mirar el cielo para comprender nuestro propio planeta y los misterios de la vida. Es en esa época cuando se afirma el origen extraterrestre de los meteoritos , ya que durante mucho tiempo se había dudado de ello. De allí a pensar que las piedras caídas del cielo pueden encerrar sistemas vivos microscópicos hay sólo un paso, felizmente franqueado por la mayoría de los científicos de entonces. Se estudian los meteoritos bajo microscopio, intentando buscar eventuales gérmenes extraterrestres. El mismo Pasteur se vuelca en estas investigaciones. Pero serán en vano.
La idea es, sin embargo, atractiva, tanto más cuanto que se acaba de descubrir la naturaleza corpuscular de la luz y la existencia de la presión luminosa. Gracias a esta propiedad, la luz de las estrellas es capaz de propulsar micropartículas -incluso esporas- en el espacio y permitir así el desplazamiento interplanetario o incluso interestelar de microorganismos. Esta idea será ampliamente desarrollada por científicos de renombre, con el químico sueco, premio Nobel, Svante Arrhenius (1859-1927) a la cabeza. Para él la vida se transporta en el espacio bajo la forma de esporas, organismos vivos microscópicos capaces de dar nacimiento a nuevos microorganismos, después de la diseminación. Estas esporas viajarían por el espacio interestelar, empujadas por la presión luminosa de las estrellas.
Esta teoría de la "panspermia", publicada en 1906, supone que la Tierra habría sido sembrada de microorganismos extraterrestres, ancestros del ser vivo terrestre. Pero no proporciona ninguna precisión sobre los orígenes de este sistema vivo, con lo que no hace sino postergar esta pregunta fundamental. Los sabios de principios del siglo XX suponen de hecho que esta vida es eterna; para ellos el problema de su origen se confunde, pues, con el del origen del Universo.
La evolución química
En 1924, el bioquímico soviético Aleksandr Oparin (1894-1980) publica una pequeña obra titulada Proischogdenie zhizni (El origen de la vida). Presenta en ella una nueva teoría que permite explicar el origen de la vida. La idea de Oparin es de hecho muy simple: extender al campo de la química el concepto de evolución. La vida seria la culminación de una larga evolución química que habría precedido a la evolución biológica. Para Oparin, el medio primitivo terrestre debía ser muy diferente del actual. En particular la atmósfera, desprovista de oxigeno, encerraba una porción importante de metano y de otras moléculas orgánicas simples La evolución de estos compuestos en la atmósfera o en la superficie del planeta, en los océanos primitivos, habría permitido la formación de compuestos de interés biológico: monómeros (aminoácidos en particular) o polímeros (tales como macromoléculas semejantes a las proteínas).
Estos sistemas químicos complejos habrían formado simultáneamente estructuras coloidales, verdaderas células primitivas, que separaban a las macromoléculas biológicas del medio exterior. Estos sistemas orgánicos (es decir, carbonados, pero no vivos aún, ya que no poseían todas las propiedades necesarias) y complejos habrían continuado evolucionando, progresivamente, perfeccionando su organización interna. En forma simultánea, habrían extraído del medio su alimento orgánico, sometiéndose a las leyes de la evolución y de la selección química natural.
Algunos años más tarde, sin tener conocimiento del libro de Oparin, el biólogo inglés John Burton Haldane (1892-1964) publica un artículo en el que presenta ideas análogas. Sugiere que la formación de compuestos orgánicos en la Tierra primitiva debió ocurrir antes de la aparición de los primeros seres vivos y que esos materiales pudieron precisamente, por mecanismos evolutivos, conducir a la vida. La pequeña obra de Oparin tuvo una difusión muy limitada debido a que su edición se realizó sólo en ruso.
FI sabio soviético retomó sus ideas, desarrollándolas, en una segunda obra que apareció en la Unión Soviética en 1936. Al haber sido traducida al inglés en 1938 tuvo una difusión mucho más amplia.
Para Oparin, los primeros sistemas vivos se habrían formado espontáneamente en el medio ambiente terrestre primitivo, gracias a una sucesión de procesos químicos y físico-químicos, procesos llamados prebióticos, de complejidad creciente. Todo se habría iniciado en la atmósfera primordial del planeta Tierra, a partir de los ingredientes inorgánicos allí presentes y habría continuado en los océanos, con la aparición de los primeros sistemas capaces de duplicarse de manera autónoma. Estos microorganismos primitivos habrían utilizado para desarrollarse la materia orgánica formada de manera prebiótica. Así, para Oparin, la primera célula o protocélula habría sido heterótrofa.
Cualquier teoría es ampliamente cuestionable y considerablemente frágil en la medida en que no esté reafirmada por la observación y la experimentación. La observación, al menos en la Tierra, de una evolución química natural que comprenda al conjunto de los procesos que conducen de la materia no orgánica a un sistema autorreproductivo es altamente improbable. El medio ambiente de nuestro planeta ha cambiado de manera considerable desde que apareció la vida, y precisamente en razón misma de esta aparición. En las condiciones actuales, se excluye totalmente el hecho de que la materia carbonada se organice espontáneamente por mecanismos prebiótícos: la presencia de sistemas vivos y de oxígeno, ávidos de materias orgánicas, lo impide.
Por el contrario, podemos intentar reproducir en laboratorio, en condiciones perfectamente estériles y sin oxígeno, algunas de las etapas de la evolución química. Esta modelización experimental requiere, sin embargo, técnicas elaboradas con las que sólo se cuenta a partir de los años 50.
No es una coincidencia el hecho de que la primera experiencia fructífera en el ámbito de la química prebiótica date precisamente de ese período. Stanley Miller, por entonces joven estudiante que preparaba su tesis en el laboratorio del premio Nobel de Química Harold Urey (1893-1981), en la Universidad de Chicago, tuvo la idea de simular experimentalmente las primeras etapas de la teoría de Oparin. Somete a una descarga eléctrica una mezcla gaseosa de hidrógeno, de metano, de amoníaco y de vapor de agua, en presencia de agua en estado líquido, durante una semana aproximadamente. Esta mezcla gaseosa era entonces un modelo plausible de lo que podía ser la atmósfera terrestre primitiva. En lo que se refiere a la duración de la irradiación, no refleja en absoluto una idea creacionista del autor: el lapso de seis a siete días era el tiempo necesario para transformar la mayor parte del metano en materiales orgánicos complejos.
Al finalizar la irradiación, Miller detecta numerosos compuestos orgánicos. Comprueba particularmente la presencia de aminoácidos en la solución. Demuestra así que la evolución de un sistema químico muy simple, sometido a un flujo de energía, puede llevar a la formación de compuestos de interés biológico, incluso a la de los componentes básicos de lo viviente. Stanley Miller inaugura un nuevo campo científico: la química prebiótica experimental.
Luego se efectuaron cientos de experiencias análogas a la de Miller, con ayuda de mezclas gaseosas y de fuentes de energía variadas. Se pudieron confirmar de esta forma los primeros resultados y demostrar la formación, en estas condiciones "prebióticas", de la casi totalidad de los aminoácidos de proteínas (diecisiete sobre veinte), y bases púricas y pirimídicas. Se pudo también determinar la influencia de la composición de la fase gaseosa inicial en estas síntesis. La mejor atmósfera prebiótica es una mezcla de metano, de nitrógeno y de vapor de agua, pobre en hidrógeno. La peor es una atmósfera oxidada en la que el carbono existe bajo la forma de dióxido de carbono.
Estos estudios muestran que la evolución de la atmósfera, cuando su composición es favorable, conduce a productos gaseosos simples monómeros orgánicos como el ácido cianhídrico, HCN, el formaldehído HCRO o el cianoacetileno HC3N y a productos sólidos de estructura compleja, formados a partir de estos monómeros. Son las reacciones de estos dos tipos de productos que, en presencia de agua, conducen a los compuestos de interés biológico.
Ha nacido la química prebiótica
A pesar de la relativa simplicidad de los monómeros, se disponía de pocos datos experimentales acerca de su comportamiento en solución acuosa. Era, por tanto, indispensable desarrollar estudios específicos sobre esta química. Es lo que empezaron a hacer numerosos laboratorios en todo el mundo, a partir de finales de los años 50. Los estudios de química orgánica en solución acuosa continúan hasta la actualidad. Los mejores resultados obtenidos demuestran, en lineas generales, que efectivamente se puede obtener la mayoría de los componentes básicos de lo vivo a partir de un número relativamente limitado de
compuestos orgánicos simples y reactivos o de sus polímeros.
La química del ácido cianhídrico (HCN) en el agua conduce fácilmente a los aminoácidos y a las bases nitrogenadas (púricas y pirimídicas); la del cianoacetileno (HC3N) provee una fuente complementaria de las bases pirimídicas, finalmente la química del formaldehído (HCHO) es una fuente de azúcares biológicos. Esta es, sin embargo, muy limitada: la síntesis prebiótica de los azúcares que intervienen en la estructura de los nucleótidos (ribosa y desoxirríbosa) forma parte de los problemas más importantes de la investigación experimental sobre los orígenes de la vida.
El pasaje de los monómeros a los polímeros de interés biológico, al menos en el caso de los ácidos nucleicos, es también extremadamente delicado. Los procesos de réplica, de reproducción de una cadena de ácido nucleico (en una solución que contiene los monómeros necesarios), en la ausencia de enzima, han sido modelizados experimentalmente de manera destacada por el equipo de Leslie Orgel, en el Salk Institute, en California. Pero ese modelo necesita utilizar un polinucleótido cadena de ácido nucleico preformado. Ahora bien, la síntesis de fragmentos de nucleótidos del medio primitivo terrestre no se ha realizado aún en condiciones plausibles. Y la de sus monómeros, los nucleótidos, que necesita unir químicamente las tres moléculas diferentes que los constituyen azúcar, fosfato y base nitrogenada- no ha logrado ser efectivamente demostrada. La pregunta acerca de la aparición de los ácidos nucleicos es, pues, una de las preguntas más importantes.
Por el contrario, la síntesis prebiótica de trozos de proteínas (polipéptidos ) o de sus análogos es fácil de obtener a partir de aminoácidos o de sus derivados. En los años 60 en Estados Unidos, Sidney Fox obtiene, a través del calentamiento de aminoácidos en fase sólida, estructuras análogas a las proteínas, aunque mucho menos ordenadas ya que produjo la racemización (transformación de un compuesto inicialmente bajo una sola configuración D o L en una mezcla equimolecular de las dos antípodas ópticas) de los aminoácidos iniciales. Los llama "proteinoides". Más recientemente André Brack, en Francia, logró obtener polipéptidos por reacción, en el agua, de derivados de los aminoácidos, conservando en los polímeros la quiralidad de los monómeros de partida.
Es también fácil fabricar en laboratorio microestructuras que posean una membrana perfectamente definida. Modelos de células, pero no vivas, ya que al no poseer el material genético que permite su duplicación, son capaces de aislar del mundo exterior las moléculas orgánicas que participan en la evolución química. Los coacervatos de Oparin (aunque obtenidos con materiales biológicos) o, sobre todo, las microesferas de Fox, formadas a partir de sus proteinoides, son ejemplos concluyentes de la formación prebiótica de esas microestructuras.
No hemos logrado aún fabricar una célula viva en laboratorio partiendo de materiales inorgánicos. Incluso estamos muy lejos de ello: las dificultades son múltiples, principalmente en el campo de los nucleótidos y de sus polimeros. De todas maneras, el conjunto de los resultados experimentales que se han logrado es muy alentador. Sabemos en efecto fabricar, en condiciones prebióticas plausibles, la mayoría de los monómeros biológicos y varios de sus polímeros. Hemos determinado las limitaciones principales (en particular, en términos de composición atmosférica, de presión y de temperatura) planteadas por estas síntesis en el medio planetario en el seno del cual son susceptibles de desarrollarse. Estos modelos reducidos que los químicos de lo prebiótico intentan reconstituir en su laboratorio desde hace casi cincuenta años ponen en evidencia la importancia de dos ingredientes fundamentales en las diferentes etapas de la evolución química: la materia carbonada y el agua en estado líquido.