Muchos científicos llevan tiempo especulando que las primeras células de la Tierra aparecieron en los océanos. Pero investigaciones recientes muestran que las moléculas clave de la vida y sus procesos centrales sólo pueden formarse en aguas relativamente poco profundas. Porque múltiples estudios han demostrado que las sustancias químicas básicas de la vida requieren luz ultravioleta para formarse, y el ambiente acuático debe estar altamente concentrado y, a veces, incluso completamente seco.
En experimentos de laboratorio, Sutherland y otros científicos crean ADN, proteínas y otros componentes centrales de las células calentando sustancias químicas simples a base de carbono, sometiéndolas a radiación ultravioleta y secándolas intermitentemente. Pero aún no ha sido así. Es posible sintetizar una gama tan amplia de biomoléculas en condiciones que imitan el agua de mar.
La evidencia emergente ha llevado a muchos investigadores a creer que la vida surgió en ambientes terrestres que alternaban períodos húmedos y secos, en lugar de en los océanos. Aunque el agua es esencial para la vida, también destruye los componentes básicos de la vida.
Aunque no existe una definición estándar de vida, la mayoría de los investigadores coinciden en que la vida requiere varios componentes. Uno de los más importantes es la molécula que transporta información: ADN, ARN u otra cosa. Por supuesto, también tendría que haber una manera de replicar estas moléculas, aunque sea un proceso imperfecto y propenso a errores, y tal vez los primeros organismos podrían haber podido utilizar una enzima basada en proteínas para alimentarse y sustentarse; Finalmente, algo mantiene unidas estas partes dispares y las separa del entorno.
En la década de 1920, muchos investigadores creían que la vida se originaba en los océanos, en una mezcla química rica en carbono conocida como sopa primordial. Este punto de vista fue propuesto por el bioquímico soviético Alexander Oparin y el genetista británico Haldane. Todo el mundo imagina la joven Tierra como una gigantesca fábrica de productos químicos, con muchos productos químicos a base de carbono disueltos en los primeros océanos. Opalin creía que las moléculas simples se convertirían en partículas cada vez más complejas, formando eventualmente carbohidratos y proteínas.
En la década de 1950, los científicos comenzaron a realizar investigaciones de laboratorio sobre el origen de la vida. En 1953, un joven investigador llamado Stanley Miller de la Universidad de Chicago realizó un famoso experimento que confirmó la idea de que la vida se originó en el océano.
Miller utilizó un matraz de vidrio lleno de agua para simular el océano, y otro matraz lleno de metano, amoníaco e hidrógeno para simular la atmósfera primitiva. El tubo de ensayo está conectado al matraz y los electrodos simulan un rayo. Unos pocos días de calentamiento y descargas eléctricas son suficientes para producir glicina, el aminoácido más simple y un componente esencial de las proteínas.
Leyenda: Miller sintetizó aminoácidos utilizando un sencillo dispositivo experimental.
Pero a medida que se estudiaron más de cerca las células, muchos científicos descubrieron un problema fundamental con esta idea: los componentes básicos de las moléculas de la vida pueden descomponerse en el agua, dejando las proteínas y los ácidos nucleicos vulnerables en sus uniones. Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos, mientras que los ácidos nucleicos están formados por cadenas de nucleótidos. Si colocas una cadena en agua, la gran cantidad de agua atacará los eslabones y eventualmente los romperá.
En 1986, el fallecido bioquímico Robert Shapiro escribió en su libro Origins: En la química del carbono, el agua es el mayor enemigo de las macromoléculas porque el agua puede descomponer las moléculas. Ésta es la paradoja del agua.
Ahora, la bióloga sintética Kate Adamara cree que las células se ocupan de la descomposición de las moléculas por el agua restringiendo el libre flujo de agua dentro de la célula. Por lo tanto, las imágenes citoplasmáticas populares suelen ser erróneas. Y añadió: "Se nos dice que el citoplasma es sólo una bolsa que contiene todo y que todo nada. Eso no es cierto, todo está increíblemente envuelto en la célula, pero es el gel el que envuelve todo esto. No una bolsa de agua". . ”
Entonces, si un ser vivo debe mantener el control del agua, las implicaciones son obvias. La vida probablemente se formó en la tierra, donde sólo existía agua de forma intermitente.
En 2009, los científicos encontraron evidencia clave de que la vida se originó en la tierra. El científico Sutherland anunció que su equipo había producido con éxito dos de los cuatro nucleótidos que componen el ARN.
Sutherland disuelve fosfato y cuatro compuestos químicos simples de carbono en agua, pero en una forma altamente concentrada que requiere radiación ultravioleta para el paso clave.
A través de este experimento, su equipo utilizó la luz solar y altas concentraciones de sustancias químicas para crear los componentes básicos del ADN que antes se consideraban imposibles. Por lo tanto, Sutherland cree que tal vida no puede ocurrir en las profundidades del océano, y solo puede ocurrir en estanques o arroyos con suficiente luz solar, porque solo allí se pueden concentrar las sustancias simples que componen la vida.
En 2019, el bioquímico Moran Frenkel-Pinter y sus colegas del Centro NSF-NASA para la Evolución Química en Atlanta, Georgia, EE. UU. ampliaron este método. Demostraron que los aminoácidos se unen espontáneamente para formar cadenas similares a proteínas si se secan. Veinte aminoácidos que se encuentran en las proteínas actuales tienen más probabilidades de sufrir este tipo de reacciones que otros aminoácidos. Esto significa que la desecación intermitente podría ayudar a explicar por qué la vida utiliza sólo esos aminoácidos entre cientos de posibilidades.
El secado intermitente también puede ayudar a impulsar un ensamblaje más complejo de estos componentes moleculares. En esta línea, en 1982, los investigadores de la Universidad de California David Deamer y Gail Barchfeld estudiaron cómo los lípidos, otra clase de moléculas de cadena larga, se organizan para formar la membrana que rodea a las células. Comenzaron haciendo vesículas: masas esféricas con un núcleo acuoso rodeado por dos capas de lípidos. Luego, los investigadores secaron las vesículas y los lípidos se reorganizaron en estructuras de varias capas, como una pila de panqueques. Las hebras de ADN que antes flotaban en el agua quedaron atrapadas entre las dos capas. Cuando los investigadores volvieron a añadir agua, las vesículas se reformaron y el ADN entró en ellas. En 2008, Deamer y su equipo mezclaron nucleótidos y lípidos con agua y luego los sometieron a ciclos de secado-húmedo. A medida que los lípidos forman la capa, los nucleótidos se unen formando hebras similares a las del ARN.
Estas reacciones no ocurren en agua y sólo ocurren en condiciones secas.
Otras investigaciones apuntan a otro factor clave en el origen de la vida: la luz.
El biólogo sintético Jack Szostak realizó experimentos utilizando células simples que contienen una pequeña cantidad de sustancias químicas pero que pueden crecer, competir y replicarse. Si estas células primitivas estuvieran expuestas a condiciones similares a las de la tierra, exhibirían un comportamiento más realista, en el que las células primitivas podrían usar energía luminosa para dividirse en una forma replicativa simple.
De manera similar, Claudia Bonfio, que trabaja en el Laboratorio de Biología Molecular del MRC, demostró en 2017 que la radiación UV puede impulsar la síntesis de grupos de hierro y azufre, que son importantes para muchas síntesis de proteínas. Los grupos de hierro y azufre impulsan la síntesis de la molécula de almacenamiento de energía ATP, que ayuda a alimentar las células vivas. Pero si grupos de moléculas de hierro y azufre se exponen al agua, se rompen.
Estos estudios han llevado a los científicos a proponer que la vida comenzó en superficies terrestres con suficiente luz y agua limitada. Sin embargo, persiste la controversia sobre el consumo de agua y su papel en el origen de la vida.
El ambiente seco brinda oportunidades para la formación de moléculas como proteínas y ARN. Pero simplemente producir ARN y otras moléculas no es vida; la vida debe formar un sistema dinámico autosostenible.
Frenkel-Pinter cree que la destrucción del agua puede impulsar esta tendencia. Así como los animales depredadores evolucionan más rápido que los depredadores, las primeras moléculas biológicas pueden haber evolucionado para hacer frente a los ataques químicos del agua e incluso explotar su naturaleza destructiva.
En un estudio realizado en Hell's Gate Hot Springs, cerca de Rotorua, Nueva Zelanda, muestras de piscinas hidrotermales se sometieron a ciclos de secado y rehumectación, lo que promovió reacciones químicas que produjeron moléculas similares a las del ARN.
Los resultados de la investigación del equipo de Frenkel-Pinter muestran que el secado puede conducir a una unión espontánea de aminoácidos. Sin embargo, el equipo también descubrió que su proteína original puede interactuar con el ARN y ambos se vuelven más estables en el agua. En efecto, el agua actúa como una selección natural, y sólo se permite que existan aquellas moléculas que pueden sobrevivir en el agua, mientras que otras son destruidas. Durante cada ciclo de humectación, el agua destruye las moléculas más débiles, o aquellas que no pueden protegerse uniéndose a otras. Mientras se acumulan moléculas más grandes y complejas.
Por lo tanto, propuso que no debería haber tanta agua en el medio ambiente como para que las biomoléculas se destruyan demasiado rápido, pero tampoco debería ser tan poca como para que no haya cambios en las biomoléculas;
Entonces, ¿dónde pudo haber ocurrido el origen de la vida?
Los océanos abiertos no son factibles porque no hay forma de concentrar los químicos.
Desde la década de 1980, el geólogo Michael Russell ha defendido que la vida comenzó en respiraderos volcánicos en el fondo del mar, donde agua cálida y alcalina se filtraba desde formaciones geológicas en la corteza terrestre. La interacción entre el agua caliente y la roca proporcionaría la energía química que impulsaría primero ciclos metabólicos simples para producir y utilizar sustancias químicas como el ARN.
Russell criticó las opiniones de Sutherland. No importaba que Sutherland estuviera haciendo una química maravillosa. Esto se debe a que los organismos modernos utilizan procesos químicos completamente diferentes para producir sustancias como el ARN. Russell creía que lo primero eran los procesos, no la materia en sí.
"La vida selecciona moléculas muy específicas. Pero no se pueden seleccionar de una plantilla conocida. Hay que crearlas desde cero, y eso es la vida una vez que se forman el ARN, las proteínas, etc.". , la evolución tomaría el control y permitiría a los organismos primitivos encontrar nuevas formas de producir estas moléculas y sustentarse.
Al mismo tiempo, muchos investigadores objetaron la afirmación de Russell de que la vida comenzó en el fondo del mar, creyendo que carecía de base experimental.
Por el contrario, los experimentos químicos que simulan las condiciones de la superficie se han convertido en la base de los ácidos nucleicos, proteínas y lípidos, ninguno de los cuales se basa en la hipótesis de los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas. Como resultado, está creciendo la idea de que la vida comenzó en pequeñas masas de agua en la tierra.
El científico Sutherland afirmó que la vida se originó en los cráteres de impacto de meteoritos. Los cráteres son entornos intrínsecamente complejos, donde los minerales de la superficie pueden actuar como catalizadores y los productos químicos a base de carbono pueden alternativamente disolverse en agua y secarse al sol. Sutherland dijo: "El origen de la vida requiere fosfatos y hierro. Los meteoritos de hierro y níquel pueden transferir fácilmente muchas de estas cosas, y el impacto tiene una ventaja: el impacto del meteorito impactará la atmósfera y producirá cianuro". p> Deamer ha abogado durante mucho tiempo por una propuesta diferente: aguas termales volcánicas. Sus primeros experimentos demostraron que los lípidos formarían protocélulas en agua caliente y que los ciclos de humedad y sequedad en el borde de un estanque impulsarían la formación y replicación de ácidos nucleicos. Deem llevó a cabo varios experimentos en aguas termales volcánicas modernas, demostrando que se pueden formar vesículas en el agua termal e incluso encapsular ácidos nucleicos, pero no se forman en el agua de mar. También se descubrió que cuando se secaban las vesículas, los nucleótidos podían unirse para formar hebras similares a las del ARN.
Resumen: El origen de la vida es todavía un misterio sin resolver, pero lo que sí es seguro es que el agua y la luz del sol son los elementos básicos para el origen de la vida, y cada vez más experimentos científicos demuestran que la vida puede originarse a partir de ¡Entorno de buceo terrestre, no en el océano prístino!
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