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20.3: Formación de moléculas orgánicas en una atmósfera terrenal reductora

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    Un requisito previo para la experimentación química prebiótica es una fuente de moléculas orgánicas. Así como la vida requiere energía (¡para hacer cualquier cosa y todo!) , convertir moléculas inorgánicas en moléculas orgánicas requiere un aporte de energía libre. Como hemos visto, la mayoría de los seres vivos hoy en día obtienen energía gratis al oxidar nutrientes o directamente del sol por fotosíntesis. Recordemos que de hecho toda la energía química que sostiene la vida hoy en día en última instancia proviene del sol. Pero, antes de que hubiera células, ¿cómo se formaban las moléculas orgánicas a partir de los precursores inorgánicos? Oparin y Haldane plantearon la hipótesis de una atmósfera reductora en la tierra prebiótica, rica en moléculas inorgánicas con poder reductor (como H 2, NH 3, CH 4 y H 2 S) así como CO 2 para servir como fuente de carbono. Las condiciones físicas predichas en esta tierra prebiótica fueron:

    • mucha agua (océanos).
    • caliente (no libre O 2).
    • lotes ionizantes (e.g., X,\(\gamma \)) radiación desde el espacio, (sin capa protectora de ozono).
    • frecuentes tormentas ionizantes (eléctricas) generadas en una atmósfera inestable.
    • actividad volcánica y de ventilación térmica.

    A. Orígenes de las moléculas orgánicas y una sopa primordial

    Oparin sugirió que abundantes fuentes de energía libre alimentaron la síntesis reductiva de las primeras moléculas orgánicas para crear lo que él llamó una “sopa primitiva”. Sin duda, llamó a este brebaje primitivo una “sopa” porque habría sido rico en energía libre de químicos (nutrientes). La propuesta de Oparin/Haldane recibió un fuerte apoyo de los experimentos de Stanley Miller y Harold Urey (Urey ya había ganado el Premio Nobel de Química de 1934 por descubrir deuterio). Miller y Urey probaron la predicción de que, bajo las condiciones de tierra prebiótica de Haldane y Oparin, las moléculas inorgánicas podrían producir las moléculas orgánicas en lo que llegó a conocerse como la sopa primordial. Su famoso experimento, en el que proporcionaron energía a una mezcla de moléculas inorgánicas con poder reductor, se ilustra a continuación.

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    Los primeros datos publicados por Miller indicaron la presencia de varias moléculas orgánicas en su matraz oceánico, incluyendo algunos ácidos orgánicos metabólicos familiares (lactato, acetato, varios aminoácidos...) así como varios aldehídos y nitrilos altamente reactivos. Estos últimos pueden interactuar en reacciones químicas espontáneas para formar compuestos orgánicos. Los análisis posteriores revelaron purinas, carbohidratos y ácidos grasos en el matraz. Más tarde, 50 años después de los experimentos de Miller (y algunos años después de su muerte), se descubrieron algunos tubos de recolección de muestras sin analizar de esos primeros experimentos.

    Cuando se analizó el contenido de estos tubos con técnicas de detección más nuevas y más sensibles, se demostró que contenían moléculas orgánicas adicionales no reportadas originalmente, incluidos 23 aminoácidos (para leer más, haga clic en ¡Sorpresa golosinas en la sopa! ).

    Claramente, las condiciones termodinámicas y químicas propuestas por Oparin y Haldane podrían apoyar la síntesis reductiva de moléculas orgánicas. En algún momento, las químicas evolutivas de Oparin y Haldane tendrían que haber sido internalizadas dentro de agregados semipermeables (o límites) destinados a convertirse en células. Ejemplos de tales estructuras se discuten a continuación. Una sopa primordial rica en nutrientes probablemente habría favorecido la génesis de células heterótrofas que podrían usar nutrientes ambientales para energía y crecimiento, implicando una evolución temprana de vías fermentativas similares a la glucólisis. Pero, estas primeras células consumirían rápidamente los nutrientes de la sopa, ¡acabando rápidamente con la nueva vitalidad de la tierra!

    Entonces, se debe proponer una evolución temprana de poblaciones de células menos pequeñas que puedan capturar energía libre de moléculas inorgánicas (quimioautótrofos) o incluso la luz solar (fotoautótrofos). A medida que los nutrientes orgánicos ricos en energía en la 'sopa' disminuyeron, se seleccionarían autótrofos (notablemente fotoautótrofos que podrían dividir el agua usando energía solar). Los fotoautótrofos fijarían CO 2, reduciéndolo con iones H - del agua. La fotoautotrofia (fotosíntesis) repondría así los carbohidratos y otros nutrientes en los océanos y agregaría O 2 a la atmósfera.

    El oxígeno habría sido tóxico para la mayoría de las células, pero algunas ya tenían la capacidad de sobrevivir al oxígeno. Presumiblemente estos se propagan, evolucionando hacia células que podrían respirar, es decir, usar oxígeno para quemar nutrientes ambientales. El metabolismo respiratorio debió haber seguido con fuerza los talones a la propagación de la fotosíntesis.

    La fotosíntesis comenzó hace entre 3.5 y 2.5 mil millones de años (el Eon Archaean). Finalmente, las células y organismos fotosintéticos y aeróbicos lograron un equilibrio natural para convertirse en la especie dominante en nuestro mundo rico en oxígeno.

    B. El escenario del charco de mareas para un origen de polímeros y químicas replicantes

    En este escenario, los monómeros orgánicos prebióticos se concentrarían en charcos de marea en el calor de un día primordial, seguido de polimerización por síntesis por deshidratación. La formación de enlaces poliméricos es una reacción 'cuesta arriba' que requiere energía libre. Las temperaturas muy altas (el calor del horneado) pueden unir monómeros por síntesis de deshidratación en el laboratorio, y pueden haberlo hecho en sedimentos de charcos de marea para formar polímeros aleatorios. Este escenario asume además la dispersión de estos polímeros desde las charcas de marea con el flujo y reflujo de las mareas altas. El escenario del charco de mareas se ilustra a continuación.

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    La concentración de supuestos monómeros orgánicos en el fondo de los charcos de marea puede haber ofrecido oportunidades para catalizar la polimerización, incluso en ausencia de calor muy alto. Muchos metales (níquel, platino, plata, incluso hidrógeno) son catalizadores inorgánicos, capaces de acelerar muchas reacciones químicas. Era probable que los metales más pesados existieran en la corteza terrestre así como en los sedimentos de los océanos primordiales, como lo hacen hoy. Dichos agregados minerales en suelos y arcillas han demostrado poseer propiedades catalíticas. Además, los metales (por ejemplo, magnesio, manganeso...) son ahora una parte integral de muchas enzimas, consistentes con un origen de catalizadores biológicos en catalizadores minerales agregados más simples en sedimentos oceánicos.

    Antes de la vida, las microsuperficies de sedimentos enriquecidos con minerales, si no se alteraban, podrían haber sido capaces de catalizar las mismas reacciones o al menos similares repetidamente, conduciendo a conjuntos de polímeros relacionados. Considerar las posibilidades de los monómeros y polímeros de ARN, con base en el supuesto de que la vida comenzó en un mundo de ARN. A continuación se ilustran las posibilidades.

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    El resultado predicho aquí es la formación no solo de polímeros de ARN (quizás solo cortos al principio), sino de moléculas de ARN bicatenario unidas a H que podrían replicarse efectivamente en cada ciclo de concentración, polimerización y dispersión. El calor y la energía libre liberada por estas mismas reacciones podrían haber apoyado la polimerización, mientras que la catálisis habría mejorado la fidelidad de la replicación del ARN.

    Por supuesto, en el escenario de charco de mareas, el calor alto repetido u otro ataque físico o químico también podría degradar los polímeros recién formados. Pero, ¿y si algunas cadenas dobles de ARN fueran más resistentes a la destrucción? Tales dúplexes de ARN tempranos se acumularían a expensas de los más débiles, más susceptibles. ¡Solo las moléculas replicadas más aptas serían seleccionadas y persistirían en el ambiente! La acumulación ambiental de polímeros estructuralmente relacionados, replicables y estables refleja una homeostasis química prebiótica (¡una de esas propiedades de la vida!)

    349 Orígenes de la vida en una atmósfera reductora

    En general, este escenario cuelga muy bien, y lo ha hecho desde hace muchas décadas. Sin embargo, ahora hay preguntas desafiantes sobre la premisa de un ambiente reductor prebiótico. La evidencia más reciente apunta a una atmósfera terrestre que no se estaba reduciendo en absoluto, poniendo en duda la idea de que las primeras células del planeta eran heterótrofos. Propuestas recientes postulan fuentes alternativas de energía libre prebiótica y moléculas orgánicas que se ven muy diferentes a las asumidas por Oparin, Haldane, Urey y Miller.


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