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<\/p>\n<\/p>\n
Elizabeth Chac\u00f3n Baca*, Claudia Camargo**, Alicia Negr\u00f3n Mendoza**<\/p>\n
CIENCIA UANL \/ A\u00d1O 20, No. 85, julio-septiembre 2017<\/p>\n
Entre todos los grandes retos cient\u00edficos y filos\u00f3ficos, el origen de la vida sigue representando una de las mayores inc\u00f3gnitas de la humanidad. Si bien es cierto que, por mucho tiempo, este enigma fue exclusivo de la teolog\u00eda, la metaf\u00edsica y la filosof\u00eda. Para el hombre del medievo, una visi\u00f3n ordenada y jer\u00e1rquica del mundo probablemente era la \u00fanica explicaci\u00f3n posible sobre la creaci\u00f3n dentro del orden natural de las cosas. Dentro de esta concepci\u00f3n tan bien reflejada en El para\u00edso perdido de Milton (2008), la ciencia aparece como un tel\u00f3n de fondo que enmarca el estado ca\u00f3tico de los cuatro elementos griegos: agua, aire, tierra y fuego, como precursores del origen del mundo (figura 1). Incluso la cosmovisi\u00f3n moderna lleva la idea impl\u00edcita de que \u201cel orden naci\u00f3 del caos\u2026\u201d, que los sistemas abiertos se ordenan a expensas de un desorden que termodin\u00e1micamente tiende a la disipaci\u00f3n y al aumento entr\u00f3pico. Ciertamente, algunas d\u00e9cadas y siglos de especulaciones, observaciones experimentales y un contexto sociocultural propicio tuvieron que transcurrir antes de que el estudio cient\u00edfico del origen de la vida pudiera tener cabida en las universidades. Entre los experimentos clave para el desarrollo de este campo se encuentra la s\u00edntesis abi\u00f3tica (es decir, sin la intervenci\u00f3n de seres vivos) de la urea, uno de los compuestos org\u00e1nicos m\u00e1s familiares. Dicha s\u00edntesis org\u00e1nica fue realizada en condiciones de laboratorio por Friedrich Wh\u00f6ler (1828) a partir de cloruro am\u00f3nico y cianato de plata (Wh\u00f6ler, 1828), marcando as\u00ed el desarrollo de la qu\u00edmica org\u00e1nica. M\u00e1s de treinta a\u00f1os despu\u00e9s A. B\u00fatlerov demostr\u00f3 la formaci\u00f3n de az\u00facares (B\u00fatlerov, 1861) en agua calc\u00e1rea a partir de formaldeh\u00eddo, hoy conocida como la reacci\u00f3n de la formosa. Pocos a\u00f1os despu\u00e9s, los trabajos de Louis Pasteur sobre la putrefacci\u00f3n (1892) invalidaron la teor\u00eda de la generaci\u00f3n espont\u00e1nea (De Kruif, 2014) y del \u201cprincipio vital\u201d, idea que supon\u00eda que se generaban seres vivos en el aire. Pero no fue sino hasta principios del siglo XX cuando el estudio cient\u00edfico del origen de la vida surgi\u00f3 como un campo serio y formal gracias a la publicaci\u00f3n del Origen de la vida, del bioqu\u00edmico ruso Aleksander Ivanovich Oparin (publicado en ruso como un peque\u00f1o libro en 1924, luego en 1936 y en ingl\u00e9s en 1938; Miller, Schopf y Lazcano, 1997). En este libro Oparin argumentaba que durante el proceso evolutivo de la Tierra debieron formarse sustancias org\u00e1nicas diversas en las aguas de un oc\u00e9ano primitivo (los ladrillos y cementos como \u00e9l los llam\u00f3) por reacciones de condensaci\u00f3n, polimerizaci\u00f3n y reacciones de \u00f3xido-reducci\u00f3n que eventualmente formaron enjambres moleculares; \u00e9stos, a su vez, se organizaron en estructuras coloidales llamadas coacervados, precursores de los primeros seres vivos (Oparin, 1995). Aunque para muchos el enfoque qu\u00edmico conten\u00eda todas las respuestas, la propuesta original de Oparin implicaba sistemas precelulares de gran complejidad enzim\u00e1tica y un alto grado de organizaci\u00f3n celular. Un concepto subyacente en esta teor\u00eda del origen de la vida son las llamadas \u201cpropiedades emergentes\u201d y el aumento de complejidad, entendida como el aumento en la regulaci\u00f3n de los mecanismos de ensamble y organizaci\u00f3n. Las llamadas propiedades emergentes de un sistema son distintas a las propiedades de los componentes individuales y resultan de las interacciones entre sus partes; es decir, aquellos atributos que claramente ponen de evidencia que el todo es mayor que la suma de sus partes. En tanto que los procesos emergentes son los que resultan de la interacci\u00f3n simult\u00e1nea y a veces azarosa de los componentes de un sistema (Talanquer, 2006).<\/p>\n
M\u00e1s all\u00e1 del enfoque bioqu\u00edmico, las ideas de Oparin plantearon por primera vez un escenario geol\u00f3gico\u00a0primitivo como marco de referencia conceptual y una hip\u00f3tesis plausible de ser probada a nivel experimental. Entre las grandes aportaciones de Oparin destaca la extrapolaci\u00f3n de un proceso evolutivo antes de la vida bajo condiciones puramente qu\u00edmicas y fisicoqu\u00edmicas, sentando as\u00ed las bases te\u00f3ricas para abordar el problema con toda la formalidad cient\u00edfica. Tampoco se debe olvidar que en la Inglaterra posvictoriana de 1928, el bi\u00f3logo evolutivo J.B.S. Haldane (1929) acu\u00f1\u00f3 el t\u00e9rmino de biopoyesis para proponer una teor\u00eda similar a la de Oparin; tambi\u00e9n sugiri\u00f3 que en un oc\u00e9ano prebi\u00f3tico muy diferente al de hoy, se habr\u00eda formado una sopa diluida en la cual se pudieron \u201ccocinar\u201d compuestos org\u00e1nicos que constituyen las bases moleculares de la vida, un \u201ccaldo primitivo\u201d conocido como sopa primigenia a partir de precursores inorg\u00e1nicos o prebi\u00f3ticos. Hab\u00eda surgido el concepto de evoluci\u00f3n qu\u00edmica como un tel\u00f3n de fondo sine qua non; es decir, como el proceso fisicoqu\u00edmico previo y necesario al origen de la vida que permiti\u00f3 la generaci\u00f3n de mol\u00e9culas org\u00e1nicas a partir de precursores inorg\u00e1nicos en el oc\u00e9ano primordial de la Tierra primitiva de hace aproximadamente 4000 millones de a\u00f1os (Ma).<\/p>\n
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Figura 1. Portada del ebook: Paradise lost (tomado de https:\/\/www.amazon.com\/Paradise-lost-John-Milton-ebook\/dp\/B0086NF1G6).<\/p><\/div>\n
Paralelamente a esta teor\u00eda, tambi\u00e9n se ha contemplado la teor\u00eda alternativa: que la vida haya surgido fuera de la Tierra, y pudiera haber sido \u201csembrada\u201d por cometas o meteoritos justamente durante este lapso de evoluci\u00f3n qu\u00edmica en la Tierra primitiva. Esta hip\u00f3tesis conocida como panspermia, aunque tiene sus or\u00edgenes desde los tiempos de Anax\u00e1goras (500-428 a.C.), es una idea recurrente que se ha modernizado a lo largo del tiempo. Despu\u00e9s de analizar una muestra del meteorito Alias (1834), Jakob Berzelius sugiri\u00f3 la existencia de compuestos org\u00e1nicos m\u00e1s all\u00e1 de la Tierra (Centre for History of Science at the Royal Swedish\u00a0Academy of Sciences: KVA on Berzelius), el t\u00e9rmino fue permeando en varios c\u00edrculos acad\u00e9micos por diferentes entusiastas (Lemarchand, 1992) como Hermann Richter, Hermann Helmholtz y William Thomson (lord Kelvin) entre otros, aunque fue el famoso premio nobel Svante Arrhenius quien divulgara la idea de las esporas terrestres resistentes a la radiaci\u00f3n y a la temperatura espacial (Arrhenius, 1908). La panspermia representa una alternativa para resolver el problema del origen de la vida en la Tierra, y aunque es v\u00e1lida desde el punto de vista cient\u00edfico, no deja de ser limitada, pues lejos de resolver el origen de la vida, simplemente extrapola o traslada el problema del origen.<\/p>\n
En M\u00e9xico, los estudios pioneros de origen de la vida merecen una atenci\u00f3n especial por los numerosos trabajos del zo\u00f3logo mexicano Alfonso L. Herrera quien, como buen visionario durante los tiempos posrevolucionarios, pudo experimentar con sistemas precelulares a partir de sustancias inorg\u00e1nicas, entre ellas el tiocianato de amonio (Herrera, 1938). Herrera fue el fundador de una nueva ciencia conocida como plasmogenia, ciencia que explicara el origen del protoplasma, pues por aquel entonces se cre\u00eda que era la sustancia vital de todo ser vivo. Su trabajo fue reconocido por el propio Oparin, y fue el primer presidente honorario de la Sociedad Espa\u00f1ola de Biopoyesis. Pese a tanta creatividad cient\u00edfica, no fue sino hasta varias d\u00e9cadas despu\u00e9s que su trabajo se ha revalorado como una aportaci\u00f3n original (figura 2).<\/p>\n
![\"\"](\"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/wp-content\/uploads\/2017\/11\/fig_2_biologia_plasmogenia.png\")
Figura 2. El libro sobre Biolog\u00eda y plasmogenia de Alfonso L. Herrera, acompa\u00f1ado de un dibujo de su pu\u00f1o y letra que ilustra los movimientos de compuestos abi\u00f3ticos denominados por el propio Herrera como \u201cmercurisomas\u201d.<\/p><\/div>\n
Dentro de este marco te\u00f3rico, en 1953 Stanley L. Miller, entonces estudiante de doctorado del profesor Harold C. Urey en la Universidad de Chicago, elabor\u00f3 el elegante y ahora famoso dise\u00f1o experimental que abri\u00f3 las puertas en evoluci\u00f3n qu\u00edmica como una l\u00ednea de investigaci\u00f3n totalmente justificada. Miller pudo\u00a0simular en su laboratorio las condiciones hipot\u00e9ticas presentes en la Tierra primitiva: una atm\u00f3sfera libre de ox\u00edgeno compuesta por vapor de agua, hidr\u00f3geno, metano y amoniaco. El agua caliente simulaba el vulcanismo, produciendo el vapor que circula en un sistema cerrado a partir de los compuestos b\u00e1sicos de una atm\u00f3sfera reductora y aplicando descargas el\u00e9ctricas para simular los rel\u00e1mpagos incidentes en el seno de un oc\u00e9ano primigenio del Arqueano (figura 3).<\/p>\n
![\"\"](\"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/wp-content\/uploads\/2017\/11\/stanley_miller.png\")
Figura 3. El cl\u00e1sico dise\u00f1o experimental del profesor Stanley Miller (imagen tomada de www.wikipedia.com).<\/p><\/div>\n
El an\u00e1lisis de los productos condensados al cabo de una semana de s\u00edntesis revel\u00f3 la presencia de mol\u00e9culas org\u00e1nicas de relevancia biol\u00f3gica como los amino\u00e1cidos, que al unirse constituyen los polip\u00e9ptidos. A partir de entonces, en los laboratorios de todo el mundo, numerosos experimentos de s\u00edntesis abi\u00f3tica han generado mol\u00e9culas org\u00e1nicas a partir de mol\u00e9culas inorg\u00e1nicas simples y bajo una amplia gama de condiciones ambientales supuestas, inferidas y documentadas para la Tierra primitiva con resultados muy importantes. Hoy se considera que a pesar de que el experimento original de Miller no concuerda con las condiciones de la Tierra primitiva, sobre todo por el car\u00e1cter altamente reductor de la atm\u00f3sfera simulada y por la poca probabilidad del metano en la atm\u00f3sfera primitiva (Lazcano y Miller, 1996), fue el paradigma experimental que sent\u00f3 las bases para que se gestara una continua colaboraci\u00f3n internacional que desde hace m\u00e1s de siete d\u00e9cadas ha reunido a especialistas de diversas \u00e1reas del conocimiento abordando este problema desde una perspectiva multidisciplinaria.<\/p>\n
S\u00edntesis abi\u00f3tica en la Tierra Primitiva<\/strong><\/p>\n La Tierra es uno de esos planetas densos, rocosos y relativamente peque\u00f1os con abundantes silicatos y metales que tiene una velocidad de rotaci\u00f3n moderada, a diferencia de los planetas gaseosos, masivos y orbitados por una gran cantidad de sat\u00e9lites. Debido a los choques cometarios ocurridos durante el Hadeano, la Tierra primitiva acumul\u00f3 gran cantidad de compuestos qu\u00edmicos que sirvieron como la materia prima que posibilit\u00f3 el proceso de evoluci\u00f3n qu\u00edmica. Es decir, el proceso mediante el cual hubo reacciones qu\u00edmicas que permitieron la generaci\u00f3n de mol\u00e9culas org\u00e1nicas de relevancia biol\u00f3gica y que eventualmente se convirtieron en los bloques constructores de la vida: amino\u00e1cidos, \u00e1cidos grasos y az\u00facares; incluso se considera que una gran proporci\u00f3n del agua oce\u00e1nica es de origen cometario (Chyba et al., 1990). Los procesos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica se consideran como un pre\u00e1mbulo crucial para el origen de la vida bajo condiciones ambientales totalmente diferentes a las que imperan hoy: una atm\u00f3sfera no oxidante y compuesta por gases con un alto potencial reductor, que con el aporte de alguna fuente de energ\u00eda natural como la radiaci\u00f3n UV, las ondas de choque provocadas por impactos cometarios, o incluso la radiaci\u00f3n ionizante (Draganic\u0301, Draganic\u0301 y Altiparmakov, 1983) proveniente de reactores naturales (Adam, 2007) accesibles en la Tierra primitiva como el uranio (U235), fueron los ingredientes necesarios para esta s\u00edntesis abi\u00f3tica primitiva. Aunque en el mar primitivo probablemente la s\u00edntesis abi\u00f3tica era alta, otros ambientes m\u00e1s ricos en contenido mineral pudieron promover la reactividad, la protecci\u00f3n y la concentraci\u00f3n de pol\u00edmeros m\u00e1s complejos.<\/p>\n Los experimentos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica<\/strong><\/p>\n La aproximaci\u00f3n cient\u00edfica del proceso de evoluci\u00f3n qu\u00edmica ha sido desarrollada bajo tres enfoques (Negr\u00f3n-Mendoza, 1980): (1) el enfoque anal\u00edtico utiliza las observaciones y la identificaci\u00f3n de observaciones en radioastronom\u00eda, geoqu\u00edmica y geolog\u00eda; (2) el enfoque te\u00f3rico provee modelos qu\u00edmicos y matem\u00e1ticos en los que es posible estudiar modelos de complejidad y autoorganizaci\u00f3n y (3) el enfoque sint\u00e9tico, que implica la simulaci\u00f3n experimental en laboratorio para recrear algunas condiciones probables de ambientes primitivos, por medio de la inducci\u00f3n de ciertas reacciones qu\u00edmicas dentro de un marco geol\u00f3gico coherente y conectando al mismo tiempo la astronom\u00eda con el origen de la vida (figura 4).<\/p>\n Figura 4. Dise\u00f1o experimental para producir HCN en condiciones abi\u00f3ticas (Departamento de Qu\u00edmica, ICN, UNAM).<\/p><\/div>\n En alg\u00fan remoto pasado del Universo, en el interior de otras estrellas m\u00e1s antiguas que nuestro Sol, por reacciones termonucleares se generaron muchos de los elementos qu\u00edmicos como el carbono, hidr\u00f3geno, ox\u00edgeno y nitr\u00f3geno (CHON), elementos b\u00e1sicos que representan hasta 99% de la composici\u00f3n qu\u00edmica de los seres vivos. Claramente, la qu\u00edmica que conocemos no es exclusiva ni de nuestro sistema solar ni de nuestra galaxia, sino que estamos ante una qu\u00edmica aut\u00e9nticamente universal. Es decir, las mol\u00e9culas org\u00e1nicas simples y complejas que se pueden generar en experimentos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica, ya fueron detectadas y se siguen detectando (Menten y Wyrowski, 2011) tanto en cometas, meteoritos y en otros cuerpos extraterrestres, como en los sat\u00e9lites de los grandes planetas. Actualmente se han reportado m\u00e1s de 100 compuestos org\u00e1nicos y continuamente m\u00e1s compuestos org\u00e1nicos y de mayor complejidad se suman a este gran inventario c\u00f3smico. Por ejemplo, desde que el \u00e1cido cianh\u00eddrico (HCN) se detect\u00f3 en los cometas, su inclusi\u00f3n en los experimentos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica ha generado valiosos resultados por su versatilidad qu\u00edmica para producir mol\u00e9culas de importancia biol\u00f3gica como amino\u00e1cidos, \u00e1cidos carbox\u00edlicos, az\u00facares y bases nitrogenadas (purinas y pirimidinas de los \u00e1cidos nucleicos).<\/p>\n No hay duda de que actualmente tambi\u00e9n hay procesos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica en el medio interestelar y en otros sat\u00e9lites que se consideran laboratorios naturales para la evoluci\u00f3n qu\u00edmica como Tit\u00e1n y Europa, donde adem\u00e1s de algunos procesos geol\u00f3gicos superficiales tambi\u00e9n se ha detectado la presencia diversos compuestos org\u00e1nicos (Raulin, 2005). Por ende, estos ambientes espaciales constituyen una fuente de informaci\u00f3n sobre el origen de la materia org\u00e1nica en ambientes extraterrestres tan antiguos como nuestro mundo. Dada la universalidad qu\u00edmica, la viabilidad de los procesos de evoluci\u00f3n qu\u00edmica en cualquier superficie planetaria y la vastedad del Universo, existe una, tal vez remota, posibilidad de encontrar vida en planetas como la Tierra. Especialmente en la llamada Zona de Habitabilidad. Y aunque hasta hoy nuestro planeta Tierra es el \u00fanico donde se sabe que ha evolucionado la vida, en los pr\u00f3ximos a\u00f1os la exploraci\u00f3n espacial de estas zonas habitables podr\u00eda cambiar este hecho.<\/p>\n Referencias<\/strong><\/p>\n Adam, Z. (2007). Actinides and life\u2019s origins. Astrobiology, V. 7, p. 852-872.<\/p>\n Arrhenius, S. (1908). Worlds in the making: The Evolution of the Universe. New York: Harper & Row.<\/p>\n B\u00fatlerov, A. (1861). Justus Liebigs Ann. Chem. 120, 295.<\/p>\n Centre for History of Science at the Royal Swedish Academy of Sciences: KVA on Berzelius. Consultado en junio 3 de 2017.<\/p>\n Chyba, C.F., et al. (1990). Cometary delivery of organic molecules to the early Earth. Science, 249, 366-373.<\/p>\n De Kruif, P. (2014). Cazadores de microbios. M\u00e9xico: Editorial Porr\u00faa, 355 pp.<\/p>\n Draganic\u0301, I., Draganic\u0301, Z., y Altiparmakov, D. (1983). Natural Nuclear Reactors and Ionizing Radiation in the Precambrian, in Developments in Precambrian Geology. Elsevier, Vol. 7, pp 175-190.<\/p>\n Haldane, J.B.S. (1929). Origin of life. The Rationalist Annual. 148, 3-10.<\/p>\n Herrera, A.L. (1938). Biopoyesis. Bol. Soc. Mex. Ciencias Biol\u00f3gicas, 281 pp.<\/p>\n Lazcano, A., y Miller, S. (1996). The Origin and Early Evolution of Life: Prebiotic Chemistry, the Pre-RNA World, and Time. Cell, Vol. 85, 793-798.<\/p>\n Lemarchand, G. (1992). El llamado de las Estrellas. 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