EL ORIGEN DE LA VIDA

En las ciencias de la naturaleza la cuestión del origen de la vida consiste en un estudio especializado de la naturaleza en el cual se establece la teoría de que la vida evolucionó de la materia inerte en algún momento entre 3.900 y 3.500 millones de años atras.

Este tema también incluye teorías e ideas al respecto de la hipótesis de un posible origen extraplanetario o extraterrestre de la vida, que se piensa que posiblemente sucedió durante los últimos 13.700 millones de años de evolución del universo conocido tras el big bang.

Los estudios sobre el origen de la vida constituyen un campo limitado de investigación a pesar de su profundo impacto en la biología y la comprensión humana del mundo natural. Los progresos en este area son generalmente lentos y esporádicos, aunque aún atraen la atención de muchos dada la importancia de la cuestión que se investiga. Unos cuantos hechos nos proporcionan un punto de vista sobre las condiciones en las cuales pudo emerger la vida, pero el mecanismo por el cual la materia inerte se transformó en viva aún escapa a la comprensión. Para consultar como ha evolucionado la vida en la tierra, ver gráfica de la escala temporal de la vida.

Modelos actuales
No hay un verdadero modelo "estándar" del origen de la vida. Pero los modelos actualmente más aceptados se construyen de uno u otro modo sobre cierto número de descubrimientos a cerca del origen de los componentes celulares y moleculares de la vida, que a continuación enumeramos en el orden más o menos aproximado en el que se postula su emergencia:
Las posibles condiciones prebióticas terminaron con la creación de ciertas moléculas pequéñas básicas (monómeros)de la vida, como los aminoácidos. Esto fue demostrado en el experimento Urey-Miller llevado a cabo por Stanley L.Miller y Harold C. Urey en 1953.
Los fosfolípidos (de una longitud adecuada) pueden formar espontáneamente bicapas lipídicas, uno de los dos componentes básicos de la membrana celular.
La polimerización de los nucleótidos en moléculas de ARN al azar pudo haber dado lugar a ribozimas autoreplicantes (hipótesis del mundo de ARN).
Las presiones de selección para una eficiencia catalítica y una diversidad mayor terminaron en ribozimas que catalizaban la transferencia de péptidos (y por ende la formación de pequeñas proteínas), ya que los oligopéptidos se acomplejaban con el ARN para formar mejores catalizadores. De ese modo surgió el primer ribosoma y la síntesis de proteínas se hizo más prevalente.
Las proteínas superan a las ribozimas en su capacidad catalítica y por tanto se convierten en el biopolímero dominante. Los ácidos nucleicos quedan restringidos a un uso predominantemente
genómico.
El origen de las biomoléculas básicas, aunque aún no ha sido establecido, es menos controvertido que el significado y orden de los pasos 2 y 3. Los reactivos químicos inorgánicos básicos a partir de los cuales se formó la vida son el metano (CH4), amoniaco (NH3), agua (H2O) sulfuro de hidrógeno (H2S), dióxido de carbono (CO2) y anión fosfato (PO43-). A fecha de 2006, aún nadie ha sintetizado una "protocélula utilizando los componentes básicos que tenga las propiedades necesarias para la vida (el llamado enfoque "de abajo a arriba") . Sin esta prueba de principio, las explicaciones tiendían a quedarse cortas. No obstante, algunos investigadores están trabajando en este campo, en especial Jack Szostak de la universidad de Harvard.

Otros autores han argumentado que un enfoque "de arriba a abajo" sería más asequible. Uno de estos intentos fue realizado por Craig Venter y colaboradores en el Institute for Genomic Research utilizaba ingeniería genética con células procariotas existente con una cantidad de genes progresivamente menor intentando discernir en que punto se alcanzaban los requisitos mínimos para la vida. El biólogo John Desmon Bernal acuñó el término Biopoiesis para este proceso, y sugirió que había un número de "estadíos" claramente definidos que se podían reconocer a la hora de explicar el origen de la vida.

Estadío 1: El origen de los monómeros biológicos

Estadío 2: El origen de los polímeros biológicos

Estadío 3:La evolución desde lo molecular a la célula.

Bernal sugirió que la evolución darwiniana pudo haber comenzado temprano, en algún momento entre el estadío 1 y 2.

Origen de las moléculas orgánicas
El experimento de Miller-Urey intentó recrear las condiciones químicas de la tierra primitiva en el laboratorio y sintetizó algunos de los "ladrillos" de la vida.

Los experimentos de Miller
Los experimentos, que comenzaron en 1953, fueron llevados a cabo por Stanley Miller, bajo condiciones simuladas que recordaban aquellas que se pensaba que habían existido poco después de que la tierra comenzara su acrección a partir de la nebulosa solar primordia. Los experimentos se llamaron "experimentos de Miller". El experimento original de 1953 fue realizado por Miller cuando era estudiante de licenciatura y su profesor Harold Urey. El experimento usaba una mezcla altamente reducida de gases (metano, amoniaco e hidrógeno). No obstante la composición de la atmósfera prebiótica de la Tierra aún resulta materia de debate. otros gases menos reductores proporcionan una producción y variedad menores. En un momento se pensó que cantidades apreciables de oxígeno molecular estaban presentes en la atmósfera prebiótica, que habrían impedido esencialmente la formación de moléculas orgánicas. No obstante, el consenso científico actual es que este no era el caso. El experimento mostraba que algunos de los monómeros orgánicos básicos (como los aminoácidos) que forman los ladrillos de los polímeros de la vida moderna se pueden formar espontáneamente. Las moléculas orgánicas simples están lejos de lo que es una vida autorreplicante completamente funcional. Pero en un ambiente sin vida preexistente estas moléculas se podrían haber acumulado y proporcionado un ambiente rico para la evolución química ("teoría de la sopa"). Por otra parte, la formación espontánea de polímeros complejos a partir de los monómeros generados [[abióticamente bajo esas condiciones no es un proceso tan sencillo. Además de los monómeros orgánicos básicos necesarios,también se formaron en altas concentraciones durante los experimentos compuestos que podrían haber impedido la formación de la vida. Se ha postulado otras fuentes de moléculas complejas, incluyendo fuentes de origen extraterrestres estelares o interestelares. Por ejemplo, a partir de análisis espectrales, se sabe que las moléculas orgánicas están presentes en meteoritos y cometas. En el 2004, un equipo detectó trazas de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH's) en una nebulosa, la molécula más compleja hasta la fecha encontrada en el espacio. El uso de PAH's también ha sido propuesto como un precursor del mundo de ARN en la hipótesis del mundo de PAH's (PAH world). Se puede argumentar que el cambio más crucial que aún sigue sin recibir respuesta por esta teoría es cómo estos "ladrillos" orgánicos relativamente simples polimerizan y forman estructuras más complejas, interactuando de modo consistente para formar una protocélula. Por ejemplo, en un ambiente acuoso la hidrólisis de oligómeros/polímeros en sus constituyentes monoméricos está energéticamente favorecida sobre la condensación de monómeros individuales en polímeros. Además, el experimento de Miller produce muchas substancias que acabarían dando reacciones cruzadas con los aminoácidos o terminar la cadena peptídica.

Hipótesis de Eigen
A principios de los años 70 se organizó una gran ofensiva al problema del origen de la vida por un equipo de científicos reunidos en torno a Manfred Eigen del instituto Max Planck. Intentaron examinar los estados transitorios entre el caos molecular de una sopa prebiótica y los estados transitorios de un hiperciclo de replicación, entre el caos molecular en una sopa prebiótica y sistemas macromoleculares autorreproductores simples. En un hiperciclo, el sistema de almacenamiento de información (posiblemente ARN) produce una enzima, que cataliza la formación de otro sistema de información en secuencia hasta que el producto del último ayuda a la formación del primer sistema de información. Con un tratamiento matemático, los hiperciclos pueden crear cuasiespecies, que a traves de selección natural entraron en una forma de evolución Darwinista. Un impulso a la teoría del hiperciclo fue el descubrimiento de que el ARN, en ciertas circunstancias se transforma en ribozimas, una forma de enzima de ARN.

Hipótesis de Wächstershäuser
Otra posible respuesta a este misterio de la polimerización fue propuesta por Günter Wächstershäuser en 1980, en su teoría del hierro-sulfuro. En esta teoría, postuló la evolución de las rutas (bio)químicas como el fundamento de la evolución de la vida. Incluso presentó un sistema consistente para rastrear las huellas de la actual bioquímica desde las reacciones ancestrales que proporcionaban rutas alternativas para la síntesis de "ladrillos orgánicos" a partir de componentes gaseosos simples. Al contrario que los experimentos clásicos de Miller, que dependían de fuentes externas de energía (como relámpagos simulados o irradiación UV), los "sistemas de Wächstershäuser" vienen con una fuente de energía incorporada, los sulfuros de hierro y otros minerales (p.ej la pirita). La energía liberada a partir de las reacciones redox de esos sulfuros metálicos, no solo estaba disponible para la síntesis de moléculas orgánicas, sino también para la formación de oligómeros y polímeros. Se lanza por ello la hipótesis de que tales sistemas podrían ser capaces de evolucionar hasta formar conjuntos autocatalíticos de entidades autorreplicantes metabólicamente activas que serían los precursores de las actuales formas de vida. El experimento tal y como fue llevado a cabo rindió una producción relativamente pequeña de dipéptidos (del 0.4% al 12.5 %) y una producción similar de tripéptidos (0,003%) y los autores advirieron que: "bajo estas mismas condiciones los dipéptidos se hidrolizaban rápidamente." Otra crítica del resultado es que el experimento no incluía ninguna organomolécula que pudiera con mayor probabilidad dar reacciones cruzadas o terminar la cadena (Huber y Wächsterhäuser, 1998). La última modificación de la hipótesis del hierro-sulfuro fue propuesta por William Martin y Michael Russell en 2002. De acuerdo con su escenario, las primeras formas celulares de vida pudieron haber evolucionado dentro de las llamadas "chimeneas negras" en las profundidades donde se encuentran las zonas de extensión del fondo oceánico. Estas estructuras consisten en cavernas a mircoescala que están revestidas por delgadas paredes membranosas de sulfuros metálicos. Por tanto, estas estructuras resolverían varios puntos críticos de los sistemas "puramente" de Wächstershäuser de una sola vez:
Las microcavernas proporcionan medios para concentrar las moléculas recién sintetizadas, por tanto aumentando la posibilidad de formar oligómeros.
Los abruptos gradientes de temperatura que se encuentran dentro de una chimenea negra permiten establecer "zonas óptimas" de reacciones parciales en diferentes regiones de la misma ( p. ej. la síntesis de monómeros en las zonas más calientes, y la oligomerización zonas más frías)
El flujo de agua hidrotermal a través de la estructura proporciona una fuente constante de "ladrillos" y energía (sulfuros metálicos recién precipitados)
El modelo permite una sucesión de diferentes pasos de evolución celular (química prebiótica, síntesis de monómeros y oligómeros, síntesis de péptidos y proteínas, mundo de ARN, ensamblaje de ribonucleoproteínas y mundo de ADN) en una única estructura, facilitando el intercambio entre todos los estadíos de desarrollo.
La síntesis de lípidos como medio de "aislar" las células del medio ambiente no es necesaria hasta que básicamente estén todas las funciones celulares desarrolladas.
Este modelo sitúa al "último antepasado comun universal" (LUCA, del inglés Last Universal Common Ancestor) dentro de una chimenea negra, en lugar de asumir la existencia de una forma de vida libre de LUCA. El último paso evolutivo sería la síntesis de una membrana lipídica que finalmente permitiera al organismo abandonar el sistema en el interior de la microcaverna de las chimeneas negras y comenzar su vida independiente. Este postulado de una adquisición tardía de los lípidos es consistente con la presencia de tipos completamente diferentes de lípidos de membrana en arqueobacterias y eubacterias (más los eucariotas) con una fisiología altamente similar en todas las formas de vida en otros aspectos. Otro asunto sin resolver en la evolución química es el origen de la homoquiralidad, p.ej. todos los monómeros tienen la misma "mano dominante" ( los aminoácidos son zurdos y los ácidos nucleicos y azúcares son diestros) La homoquiralidad es esencial para la formación de ribozimas funcionales (y probablemente también de proteínas). El origen de la homoquiralidad podría explicarse simplemente por una asimetría inicial por casualidad seguida de una descendencia común. Los trabajos llevados a cabo en 2003 por científicos de Purdue identificaron el aminoácido serina como la probable raíz que provoca la homoquiralidad de las moléculas. La serina produce enlaces particularmente fuertes con los aminoácidos de la misma quiralidad, lo cual resulta en un grupo de ocho moleculas que podrían todas ella ser diestras o zurdas. Esta propiedad se contrapone a la de otros aminoácidos que son capaces de formar enlaces débiles con los aminoácidos de quiralidad opuesta. Aunque el misterio de porque acabó siendo dominante la serina zurda aún está sin resolver, los resultados sugieren una respuesta a la cuestión de la transmisión quiral: el cómo las moléculas orgánicas de una quiralidad mantienen la dominancia una vez que la asimetría se establece.

De las moléculas orgánicas a las protocélulas
La cuestión de "¿Cómo unas simples moléculas orgánicas forman una protocélula?" lleva mucho tiempo sin respuesta, pero existen muchas hipótesis. Algunas de estas postulan una temprana aparición de los ácidos nucleicos ("genes-first") mientras que otras postulan que primero aparecieron las reacciones bioquímicas y las rutas metabólicas ("metabolism-first"). Recientemente estan apareciendo tendencias con modelos híbridos que combinan aspectos de ambos.

Teoría de la burbuja
Las olas que rompen en las costas crean una delicada espuma compuesta por burbujas. los vientos que barren el océano tienen tendencia a llevar cosas a la costa, de forma similar a la madera que se junta a la deriva en una playa. es posible que las moléculas orgánicas se puderan concentrar en los bordes costeros de un modo parecido. Las aguas costeras más someras también tienden a ser más cálidas, concentrando más tarde las moléculas orgánicas por evaporación. Mientra las burbujas formadas mayormente por agua estallan rápidamente, sucede que las burbujas de grasas son mucho más estables, dándole más tiempo a cada burbuja en particular para llevar a cabo estos cruciales experimentos. Los fosfolípidos son un buen ejemplo de un compuesto graso que se cree que fue prevalente en los mares prebióticos. Debido a que los fosfolípidos contienen una cabeza hidrofóbica en un extremo y una cola hidrofílica en el otro, tienen tendencia a formar espontáneamente bicapas lipídicas en agua. Una burbuja de monocapa lipídica sono puede contener grasa y una burbuja de bicapa liídica solo puede contener agua y fue un probable precursor de las modernas membranas celulares. Si una proteína acaba incrementando la integridad de su burbuja nodriza, entonces la burbuja tiene una gran ventaja y acaba situándose en la cúspide de la selección natural esperando en la lista. La primitiva reproducción se podría visualizar cuando las burbujas estallaban, liberando el resultado del experimento en su medio circundante. Una vez que se libera una cantidad suficiente del "material correcto", el desarrollo de los primeros procariotas, eucariotas y organismos multicelulares se podía lograr. Esta teoría está ampliada del libro "La célula: Evolución del primer organismo" de Joseph Panno Ph.D. De modo similar, las burbujas formadas completamente por moléculas similares a proteínas, llamadas microesferas, se formarían espontáneamente bajo las condiciones adecuadas. Pero no hay precursores probables de las modernas membranas celulares, puesto que las membranas celulares están compuestas primariamente de componentes lipídicos más que de componentes aminoacídicos.