Origen de la vida

En biología, la abiogénesis o el origen de la vida es el proceso natural por el cual la vida ha surgido de la materia no viva, como los compuestos orgánicos simples. Si bien aún se desconocen los detalles de este proceso, la hipótesis científica prevaleciente es que la transición de las entidades no vivas a las vivas no fue un evento único, sino un proceso evolutivo de complejidad creciente que involucró la autorreplicación molecular, el autoensamblaje y la autocatálisis. y la aparición de las membranas celulares. Aunque la aparición de la abiogénesis no es controvertida entre los científicos, sus posibles mecanismos son poco conocidos. Hay varios principios e hipótesis sobre cómo podría haber ocurrido la abiogénesis.

El estudio de la abiogénesis tiene como objetivo determinar cómo las reacciones químicas anteriores a la vida dieron lugar a la vida en condiciones sorprendentemente diferentes a las de la Tierra actual. Utiliza principalmente herramientas de biología, química y geofísica, con enfoques más recientes que intentan una síntesis de las tres: más específicamente, astrobiología, bioquímica, biofísica, geoquímica, biología molecular, oceanografía y paleontología. La vida funciona a través de la química especializada del carbono y el agua, y se basa en gran medida en cuatro familias clave de sustancias químicas: lípidos (membranas celulares), carbohidratos (azúcares, celulosa), aminoácidos (metabolismo de proteínas) y ácidos nucleicos (ADN y ARN). Cualquier teoría exitosa de la abiogénesis debe explicar los orígenes y las interacciones de estas clases de moléculas.Muchos enfoques de la abiogénesis investigan cómo surgieron las moléculas autorreplicantes, o sus componentes. Los investigadores generalmente piensan que la vida actual desciende de un mundo de ARN, aunque otras moléculas autorreplicantes pueden haber precedido al ARN.

El experimento clásico de Miller-Urey de 1952 e investigaciones similares demostraron que la mayoría de los aminoácidos, los constituyentes químicos de las proteínas utilizadas en todos los organismos vivos, se pueden sintetizar a partir de compuestos inorgánicos en condiciones destinadas a replicar las de la Tierra primitiva. Varias fuentes externas de energía pueden haber desencadenado estas reacciones, incluidos los rayos y la radiación. Otros enfoques (hipótesis de "primero el metabolismo") se centran en comprender cómo la catálisis en los sistemas químicos de la Tierra primitiva podría haber proporcionado las moléculas precursoras necesarias para la autorreplicación.

La Tierra sigue siendo el único lugar en el universo que alberga vida, y la evidencia fósil de la Tierra informa la mayoría de los estudios de abiogénesis. La edad de la Tierra es de 4,54 Gy (mil millones de años); la evidencia indiscutible más antigua de vida en la Tierra data de al menos 3,5 Gya (hace Gy), y posiblemente ya en la Era Eoarchean (3,6–4,0 Gya). En 2017, se encontró una posible evidencia de vida temprana en la tierra en geyserita de 3,48 Gyo (Gy de edad) y otros depósitos minerales relacionados (que a menudo se encuentran alrededor de fuentes termales y géiseres) descubiertos en Pilbara Craton de Australia Occidental. Otros descubrimientos sugieren que la vida pudo haber aparecido en la Tierra incluso antes. A partir de 2017, los microfósiles (microorganismos fosilizados) dentro de precipitados de respiraderos hidrotermales fechados entre 3,77 y 4,28 Gya en rocas de Quebec pueden albergar el registro más antiguo de vida en la Tierra, poco después de la formación del océano 4,4 Gya durante el Eón Hadeano.

La estrategia de la NASA sobre abiogénesis intenta identificar interacciones, estructuras y funciones intermedias, fuentes de energía y factores ambientales que contribuyeron a la diversidad, selección y replicación de sistemas macromoleculares evolutivos, y mapear el paisaje químico de polímeros informativos primordiales potenciales. El advenimiento de polímeros que podían replicarse, almacenar información genética y exhibir propiedades sujetas a selección probablemente fue un paso crítico en el surgimiento de la evolución química prebiótica.

Definición de vida

Se han compilado hasta 123 definiciones de vida. Los libros de texto de biología no están de acuerdo con la definición de vida. James Gould escribe que "la mayoría de los diccionarios definen la vida como la propiedad que distingue a los vivos de los muertos, y definen a los muertos como privados de vida. Estas definiciones singularmente circulares e insatisfactorias no nos dan ninguna pista de lo que tenemos en común con los protozoos y las plantas. " Neil Campbell y Jane Reece afirman que "el fenómeno que llamamos vida desafía una definición simple de una oración".Los libros sobre el origen de la vida tampoco están de acuerdo. John Casti da una definición de una sola oración: "se considera que una entidad está 'viva' si tiene la capacidad de llevar a cabo tres actividades funcionales básicas: metabolismo, autorreparación y replicación". En contraste, Dirk Schulze-Makuch y Louis Irwin dedican todo el primer capítulo de su libro a discutir la definición de vida. La NASA define la vida como "un sistema químico autosuficiente capaz de una evolución darwiniana".

Universo primitivo y la Tierra

Cronología de la naturaleza
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(hace mil millones de años)

Universo primitivo con primeras estrellas

Poco después del Big Bang, que ocurrió hace aproximadamente 14 Gya, los únicos elementos químicos presentes en el universo eran hidrógeno, helio y litio, los tres átomos más ligeros de la tabla periódica. Estos elementos se unieron gradualmente para formar estrellas. Estas primeras estrellas eran masivas y de corta duración, produciendo todos los elementos más pesados ​​a través de la nucleosíntesis estelar. El carbono, actualmente el cuarto elemento químico más abundante en el universo (después del hidrógeno, el helio y el oxígeno), se formó principalmente en estrellas enanas blancas, en particular en aquellas de más de dos masas solares.

Cuando estas estrellas llegaron al final de sus ciclos de vida, expulsaron estos elementos más pesados, entre ellos carbono y oxígeno, por todo el universo. Estos elementos más pesados ​​permitieron la formación de nuevos objetos, incluidos planetas rocosos y otros cuerpos.

Según la hipótesis nebular, la formación y evolución del Sistema Solar comenzó hace 4,6 Gya con el colapso gravitacional de una pequeña parte de una nube molecular gigante. La mayor parte de la masa colapsada se acumuló en el centro, formando el Sol, mientras que el resto se aplanó en un disco protoplanetario a partir del cual se formaron los planetas, lunas, asteroides y otros cuerpos pequeños del Sistema Solar.

Emergencia de la Tierra

La Tierra Hadeana fue al principio inhóspita para cualquier organismo vivo. Durante su formación, la Tierra perdió una parte significativa de su masa inicial y, en consecuencia, careció de la gravedad para contener hidrógeno molecular y la mayor parte de los gases inertes originales. La atmósfera consistía principalmente en vapor de agua, nitrógeno y dióxido de carbono, con cantidades más pequeñas de compuestos de monóxido de carbono, hidrógeno y azufre. Se cree que la solución de dióxido de carbono en agua hizo que los mares se volvieran ligeramente ácidos, dándoles un pH de aproximadamente 5,5. La atmósfera hadeana se ha caracterizado como un "laboratorio químico al aire libre gigantesco y productivo", similar a los gases volcánicos de hoy en día que aún sustentan cierta química abiótica.

Los océanos pueden haber aparecido tan pronto como 200 Ma (millones de años) después de que se formó la Tierra, en un ambiente reductor caliente de 100 C, cuando el pH de 5.8 aumentó rápidamente hacia la neutralidad. Este escenario ha encontrado respaldo en la datación de cristales de circón de 4.404 Gya de cuarcita metamorfoseada del Monte Narryer en Australia Occidental, que proporcionan evidencia de que los océanos y la corteza continental existieron dentro de los 150 Ma (millones de años) de la formación de la Tierra.A pesar del probable aumento del volcanismo y la existencia de muchas "plaquetas" tectónicas más pequeñas, se ha sugerido que entre 4,4 y 4,3 Gya, la Tierra era un mundo acuático, con poca o ninguna corteza continental, una atmósfera extremadamente turbulenta y una hidrosfera sujeta a intensa luz ultravioleta (UV) de un Sol en etapa T Tauri, de la radiación cósmica y de los continuos impactos de bólidos (asteroides y cometas). El calentamiento interno como resultado de la clasificación gravitatoria entre el núcleo y el manto habría causado una gran cantidad de convección del manto, con el resultado probable de muchas más placas tectónicas más pequeñas y activas de las que existen ahora.

La hipótesis del Bombardeo Intenso Tardío postula que el entorno del Hadeano entre 4,28 y 3,8 Gya habría sido muy peligroso para la vida moderna. Siguiendo el modelo de Niza, los cambios en las órbitas de los planetas gigantes pueden haber bombardeado la Tierra con asteroides y cometas que perforaron la Luna y los planetas interiores. Las colisiones frecuentes con objetos de hasta 500 km de diámetro esterilizarían la superficie del planeta y vaporizarían los océanos a los pocos meses del impacto. El vapor caliente y el vapor de roca formaron nubes a gran altura que cubrirían por completo el planeta, haciendo inviable la fotosíntesis. Las lluvias habrían reducido lentamente la altura de las nubes, devolviendo los océanos a su profundidad original solo 3.000 años después del evento de impacto.Los impactos anteriores a 3,5 Gya habrían traído cantidades de material orgánico comparables a las producidas por fuentes terrestres. Los períodos entre eventos tan devastadores dan ventanas de tiempo para el posible origen de la vida en ambientes primitivos. Si el entorno hidrotermal marino profundo fuera el sitio del origen de la vida, entonces la abiogénesis podría haber ocurrido tan pronto como 4.0-4.2 Gya. Si el sitio estuviera en la superficie de la Tierra, la abiogénesis podría haber ocurrido solo entre 3,7 y 4,0 Gya. Sin embargo, nuevos estudios y muestras lunares han llevado a los científicos, incluido un arquitecto del modelo de Niza, a restar importancia al Bombardeo Pesado Tardío.

Si la vida evolucionó a más de diez metros de profundidad, habría estado protegida tanto de los impactos tardíos como de los altos niveles de radiación ultravioleta del Sol en la etapa T Tauri. Las simulaciones de la corteza oceánica calentada geotérmicamente arrojan muchos más compuestos orgánicos que los encontrados en los experimentos de Miller-Urey. En los respiraderos hidrotermales profundos, Everett Shock descubrió que "hay un enorme impulso termodinámico para formar compuestos orgánicos, como el agua de mar y los fluidos hidrotermales, que están lejos del equilibrio, se mezclan y se mueven hacia un estado más estable". Shock descubrió que la energía disponible se maximiza entre 100 y 150 °C, precisamente las temperaturas a las que se ha encontrado que viven las bacterias hipertermófilas y las arqueas termoacidofílicas. Estos organismos se sitúan en la base del árbol filogenético de la vida,

Evidencia más temprana de vida: paleontología

La vida más antigua conocida en la Tierra existió hace más de 3,5 Gya (hace mil millones de años), durante la Era Eoarcaica, cuando se había solidificado suficiente corteza después del Eón Hadeano fundido. La evidencia física más antigua encontrada hasta ahora consiste en microfósiles en el cinturón de piedra verde Nuvvuagittuq del norte de Quebec, en rocas de formación de hierro en bandas de al menos 3,77 y posiblemente 4,28 Gya. Este hallazgo sugirió que la vida se desarrolló muy poco tiempo después de que se formaran los océanos. La estructura de los microbios era similar a la de las bacterias que se encuentran cerca de los respiraderos hidrotermales en la era moderna, lo que respalda la opinión de que la abiogénesis comenzó cerca de los respiraderos hidrotermales.

Se ha encontrado grafito biogénico en rocas metasedimentarias de 3,7 Gyo del suroeste de Groenlandia y en fósiles de esteras microbianas de arenisca de Australia Occidental de 3,49 Gyo. La evidencia de vida temprana en rocas de la isla de Akilia, cerca del cinturón supracrustal de Isua en el suroeste de Groenlandia, que data de 3,7 Gya, ha mostrado isótopos de carbono biogénicos. En otras partes del cinturón supracrustal de Isua, las inclusiones de grafito atrapadas dentro de los cristales de granate están conectadas a los otros elementos de la vida: oxígeno, nitrógeno y posiblemente fósforo en forma de fosfato, proporcionando más evidencia de vida 3,7 Gya.En Strelley Pool, en la región de Pilbara en Australia Occidental, se encontró evidencia convincente de vida temprana en arenisca con pirita en una playa fosilizada, con células tubulares redondeadas que oxidaban azufre por fotosíntesis en ausencia de oxígeno. El trabajo en circones de Australia Occidental en 2015 sugirió que la vida probablemente existió en la Tierra al menos 4.1 Gya.

En 2019, Raphael Baumgartner y sus colegas investigaron rocas en la región de Pilbara en Australia Occidental. La Formación Dresser es la más antigua, con rocas de 3480 millones de años; parece contener estructuras en capas llamadas estromatolitos. Estos estromatolitos se encuentran dentro de estratos hidrotermales-sedimentarios no deformados y tienen características texturales indicativas de orígenes biogénicos. En 2017, Tara Djokic y su equipo demostraron que partes de la formación Dresser conservan aguas termales en tierra, pero otras regiones parecen haber sido mares poco profundos.

La biología, producto de la abiogénesis

Procesos bioquímicos de la vida.

Fermentación

Albert Lehninger afirmó alrededor de 1970 que la fermentación, incluida la glucólisis, era una fuente de energía primitiva adecuada para el origen de la vida, argumentando que "Dado que los organismos vivos probablemente surgieron por primera vez en una atmósfera que carecía de oxígeno, la fermentación anaeróbica es el tipo de mecanismo biológico más simple y primitivo". para obtener energía a partir de moléculas de nutrientes".

Quimiosmosis

En lugar de la fermentación, Peter Mitchell propuso la quimiosmosis, omnipresente en la vida, como el primer sistema de conversión de energía.

ATP sintasa

El mecanismo de síntesis de ATP implica una membrana cerrada en la que está incrustada la ATP sintasa. El ATP es sintetizado por la subunidad F1 de la ATP sintasa mediante el mecanismo de cambio de unión descubierto por Paul Boyer. La energía requerida para liberar el ATP fuertemente unido tiene su origen en los protones que se mueven a través de la membrana. Estos protones se han fijado a través de la membrana durante la respiración o la fotosíntesis.

El mundo del ARN

La hipótesis del mundo del ARN describe una Tierra primitiva con ARN catalítico y autorreplicante, pero sin ADN ni proteínas. Está ampliamente aceptado que la vida actual en la Tierra desciende de un mundo de ARN, aunque es posible que la vida basada en ARN no haya sido la primera en existir.

El ARN es fundamental para el proceso de traducción; que los pequeños ARN pueden catalizar todos los grupos químicos y las transferencias de información necesarias para la vida; que el ARN expresa y mantiene la información genética en los organismos modernos; y que los componentes químicos del ARN se sintetizan fácilmente en las condiciones que se aproximaron a la Tierra primitiva. La estructura de la ribozima se ha denominado "pistola humeante", con un núcleo central de ARN y sin cadenas laterales de aminoácidos dentro de los 18 Å del sitio activo que cataliza la formación de enlaces peptídicos.

El concepto del mundo del ARN fue propuesto por primera vez en 1962 por Alexander Rich, y el término fue acuñado por Walter Gilbert en 1986. Hubo dificultades iniciales en la explicación de la síntesis abiótica de los nucleótidos citosina y uracilo. Investigaciones posteriores han mostrado posibles rutas de síntesis; por ejemplo, la formamida produce los cuatro ribonucleótidos y otras moléculas biológicas cuando se calienta en presencia de varios minerales terrestres.

La ARN replicasa puede funcionar como código y catalizador para una mayor replicación del ARN. Jack Szostak ha demostrado que ciertos ARN catalíticos pueden unir secuencias de ARN más pequeñas, creando el potencial para la autorreplicación. Los sistemas de replicación de ARN, que incluyen dos ribozimas que catalizan la síntesis de cada uno, mostraron un tiempo de duplicación del producto de aproximadamente una hora y fueron sujetos a selección natural en las condiciones que existían en el experimento. Si tales condiciones estuvieran presentes en la Tierra primitiva, entonces la selección natural darwiniana favorecería la proliferación de tales conjuntos autocatalíticos, a los que se podrían agregar más funcionalidades.

Stan Palasek sugirió que el autoensamblaje de moléculas de ácido ribonucleico (ARN) puede ocurrir espontáneamente debido a factores físicos en los respiraderos hidrotermales. El autoensamblaje del virus dentro de las células huésped tiene implicaciones para el estudio del origen de la vida, ya que da mayor credibilidad a la hipótesis de que la vida podría haber comenzado como moléculas orgánicas autoensambladas. En 2021, se informó que una forma preliminar de ARNt podría haber sido una molécula replicadora de este tipo.

Filogenia y LUCA

A partir del trabajo de Carl Woese, los estudios moleculares han situado el último ancestro común universal (LUCA) entre las bacterias y un clado formado por Archaea y Eukaryota en el árbol filogenético de la vida. Una minoría de estudios ha colocado LUCA en bacterias, proponiendo que las arqueas y los eucariotas se derivan evolutivamente de las eubacterias. Thomas Cavalier-Smith plantea la hipótesis de que el phylum Chloroflexi, fenotípicamente diverso, contenía LUCA.

En 2005, Peter Ward propuso que el ARN sintetizado abióticamente se encerrara dentro de una cápsula y luego creara réplicas de ribozima de ARN. Esto luego se bifurcó entre Dominion Ribosa (vida de ARN), Domain Viorea (virus) y Dominion Terroa (vida celular), que contiene el LUCA de árboles filogenéticos anteriores.

En 2016, se identificó un conjunto de 355 genes probablemente presentes en el Último Ancestro Común Universal (LUCA) de todos los organismos que viven en la Tierra. Se secuenciaron un total de 6,1 millones de genes procarióticos de Bacteria y Archaea, identificando 355 grupos de proteínas de entre 286 514 grupos de proteínas que probablemente eran comunes a LUCA. El resultado sugiere que el LUCA era anaeróbico con una vía de Wood-Ljungdahl, fijador de nitrógeno y carbono, termófilo. Sus cofactores sugieren la dependencia de un entorno rico en hidrógeno, dióxido de carbono, hierro y metales de transición. Su código genético requería modificaciones de nucleósidos y metilación. LUCA probablemente habitó un entorno de ventilación hidrotermal anaeróbica en un entorno geoquímicamente activo.

Historia conceptual hasta la década de 1960

Una visión antigua, desde Aristóteles y la filosofía griega antigua hasta el siglo XIX, es la generación espontánea. Sostenía que los animales "inferiores" fueron generados por sustancias orgánicas en descomposición, surgiendo la vida por casualidad. Esto fue cuestionado a partir del siglo XVII, en obras como Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne. En 1665, Robert Hooke publicó los primeros dibujos de un microorganismo. En 1676, Antonie van Leeuwenhoek dibujó y describió microorganismos, probablemente protozoos y bacterias. Van Leeuwenhoek no estaba de acuerdo con la generación espontánea y, en la década de 1680, se convenció a sí mismo, utilizando experimentos que iban desde la incubación de carne sellada y abierta y el estudio detallado de la reproducción de insectos, que la teoría era incorrecta.En 1668, Francesco Redi demostró que no aparecían gusanos en la carne cuando se evitaba que las moscas pusieran huevos. A mediados del siglo XIX, la generación espontánea se consideraba refutada.

La panspermia es la hipótesis de que existe vida en todo el universo, distribuida por meteoroides, asteroides, cometas y planetoides. No intenta explicar cómo se originó la vida, sino que traslada el origen a otro cuerpo celeste. La ventaja es que no se requiere que la vida se haya formado en cada planeta en el que ocurre, sino en un solo lugar, y luego se extendió por la galaxia a otros sistemas estelares a través del impacto de cometas o meteoritos.

Se han propuesto varias hipótesis de sopa primordial plausibles para el origen de la vida, basadas en el marco establecido por Alexander Oparin (en 1924) y John Haldane (en 1929), que las primeras moléculas que constituyen las primeras células se autoorganizan lentamente. Haldane sugirió que los océanos prebióticos de la Tierra habrían formado una "sopa caliente diluida" en la que podrían haberse formado compuestos orgánicos.

John Bernal demostró que tales mecanismos podrían formar la mayoría de las moléculas necesarias para la vida a partir de precursores inorgánicos. En 1967, sugirió tres "etapas": el origen de los monómeros biológicos; el origen de los polímeros biológicos; y la evolución de moléculas a células.

En 1952, Stanley Miller y Harold Urey realizaron el experimento Miller-Urey, demostrando cómo las moléculas orgánicas podrían haberse formado espontáneamente a partir de precursores inorgánicos en condiciones como las planteadas por la hipótesis de Oparin-Haldane. Usó una mezcla de gases altamente reductora (metano, amoníaco e hidrógeno, así como vapor de agua) para formar monómeros orgánicos simples como los aminoácidos.

Origen primordial de las moléculas biológicas: la química

Los procesos químicos en la Tierra primitiva prebiótica se denominan evolución química. Los elementos, a excepción del hidrógeno y el helio, derivan en última instancia de la nucleosíntesis estelar. En 2016, los astrónomos informaron que los ingredientes químicos básicos de la vida, la molécula de carbono-hidrógeno (CH, o radical metilidino), el ion positivo de carbono-hidrógeno (CH+) y el ion de carbono (C+), son en gran parte el resultado de la radiación ultravioleta. la luz de las estrellas, en lugar de otras formas de radiación de supernovas y estrellas jóvenes, como se pensó anteriormente. Las moléculas complejas, incluidas las moléculas orgánicas, se forman naturalmente tanto en el espacio como en los planetas. Hay dos posibles fuentes de moléculas orgánicas en la Tierra primitiva:

1. Orígenes terrestres: síntesis de moléculas orgánicas impulsada por choques de impacto o por otras fuentes de energía (como luz ultravioleta, acoplamiento redox o descargas eléctricas; por ejemplo, los experimentos de Miller)
2. Orígenes extraterrestres: formación de moléculas orgánicas en nubes de polvo interestelar, que llueven sobre los planetas. (Ver pseudo-panspermia)

Moléculas orgánicas extraterrestres observadas

Un compuesto orgánico es cualquier miembro de una gran clase de sustancias químicas gaseosas, líquidas o sólidas cuyas moléculas contienen carbono. El carbono es el cuarto elemento más abundante en masa en el Universo después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. El carbono es abundante en el Sol, las estrellas, los cometas y en las atmósferas de la mayoría de los planetas. Los compuestos orgánicos son relativamente comunes en el espacio, formados por "fábricas de síntesis molecular compleja" que ocurren en nubes moleculares y envolturas circunestelares, y evolucionan químicamente después de que las reacciones se inician principalmente por radiación ionizante. Basado en estudios de modelos de computadora, las moléculas orgánicas complejas necesarias para la vida pueden haberse formado en granos de polvo en el disco protoplanetario que rodea al Sol antes de la formación de la Tierra.Según los estudios informáticos, este mismo proceso también puede ocurrir alrededor de otras estrellas que adquieran planetas.

Aminoácidos

En 2009, se encontró el aminoácido glicina en material expulsado por el cometa Wild 2; anteriormente se había detectado en meteoritos. Los cometas están incrustados con material oscuro, que se cree que es una sustancia orgánica parecida al alquitrán formada a partir de compuestos de carbono simples bajo radiación ionizante. Una lluvia de material de los cometas podría haber traído moléculas orgánicas tan complejas a la Tierra. Se estima que durante el Bombardeo Pesado Tardío, los meteoritos pueden haber entregado hasta cinco millones de toneladas de elementos prebióticos orgánicos a la Tierra por año.

Hipótesis del mundo PAH

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) son las moléculas poliatómicas conocidas más comunes y abundantes en el universo observable, y son un componente probable del mar primordial. En 2010, se detectaron PAH en nebulosas. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos se encuentran en el medio interestelar, en los cometas y en los meteoritos.

Otras fuentes de moléculas complejas podrían incluir un origen estelar o interestelar extraterrestre. En 2004, un equipo detectó rastros de PAH en una nebulosa. En 2010, otro equipo detectó PAH y fullerenos en nebulosas. El uso de los PAH se ha propuesto como precursor del mundo del ARN en la hipótesis del mundo de los PAH.El Telescopio Espacial Spitzer ha detectado una estrella, HH 46-IR, formándose mediante un proceso similar al que se formó el Sol. En el disco de material que rodea a la estrella, hay moléculas que incluyen compuestos de cianuro, hidrocarburos y monóxido de carbono. En 2012, se demostró que los PAH, sujetos a las condiciones del medio interestelar, pueden transformarse, a través de la hidrogenación, la oxigenación y la hidroxilación, en sustancias orgánicas más complejas: "un paso en el camino hacia los aminoácidos y los nucleótidos, las materias primas de las proteínas y el ADN"., respectivamente". Como resultado de estas transformaciones, los PAH pierden su firma espectroscópica, lo que podría explicar por qué no se ven en "los granos de hielo interestelar, particularmente en las regiones exteriores de las nubes frías y densas o en las capas moleculares superiores de los discos protoplanetarios".

Más del 20% del carbono del universo puede estar asociado con los PAH. Los PAH parecen haberse formado poco después del Big Bang, están muy extendidos por todo el universo y están asociados con nuevas estrellas y exoplanetas.

Nucleobases

Las observaciones sugieren que la mayoría de los compuestos orgánicos introducidos en la Tierra por las partículas de polvo interestelar son agentes principales en la formación de moléculas complejas, gracias a sus peculiares actividades catalíticas superficiales. Los estudios informados en 2008, basados ​​en las proporciones isotópicas C/ C de los compuestos orgánicos encontrados en el meteorito de Murchison, sugirieron que el componente de ARN uracilo y las moléculas relacionadas, incluida la xantina, se formaron de forma extraterrestre. En 2011, se publicó un informe basado en estudios de la NASA de meteoritos encontrados en la Tierra que sugería que los componentes del ADN (adenina, guanina y moléculas orgánicas relacionadas) se produjeron en el espacio exterior.El polvo cósmico que impregna el universo contiene compuestos orgánicos complejos ("sólidos orgánicos amorfos con una estructura mixta aromática-alifática") que las estrellas podrían crear de forma natural y rápida. Sun Kwok, de la Universidad de Hong Kong, sugirió que estos compuestos pueden haber estado relacionados con el desarrollo de la vida en la Tierra y dijo que "si este es el caso, es posible que la vida en la Tierra haya tenido un comienzo más fácil, ya que estos compuestos orgánicos pueden servir como base". ingredientes para la vida".

El azúcar glicolaldehído

El glicolaldehído, el primer ejemplo de una molécula de azúcar interestelar, se detectó en la región de formación de estrellas cerca del centro de nuestra galaxia. Fue descubierto en 2000 por Jes Jørgensen y Jan Hollis. En 2012, el equipo de Jørgensen informó sobre la detección de glicolaldehído en un sistema estelar distante. La molécula se encontró alrededor del binario protoestelar IRAS 16293-2422 a 400 años luz de la Tierra. Se necesita glicolaldehído para formar ARN, similar en función al ADN. Estos hallazgos sugieren que las moléculas orgánicas complejas pueden formarse en los sistemas estelares antes de la formación de los planetas, llegando a los planetas jóvenes al principio de su formación.Debido a que los azúcares están asociados tanto con el metabolismo como con el código genético, dos de los aspectos más básicos de la vida, se cree que el descubrimiento de azúcar extraterrestre aumenta la probabilidad de que exista vida en otras partes de nuestra galaxia.

Polifosfatos

Un problema en la mayoría de los escenarios de abiogénesis es que el equilibrio termodinámico de aminoácidos versus péptidos está en la dirección de aminoácidos separados. Lo que ha faltado es alguna fuerza que impulse la polimerización. La resolución de este problema bien puede estar en las propiedades de los polifosfatos. Los polifosfatos se forman por polimerización de iones monofosfato ordinarios PO ₄. Se han investigado varios mecanismos de síntesis de moléculas orgánicas. Los polifosfatos provocan la polimerización de aminoácidos en péptidos. También son precursores lógicos en la síntesis de compuestos bioquímicos clave como el trifosfato de adenosina (ATP). Una cuestión clave parece ser que el calcio reacciona con el fosfato soluble para formar fosfato de calcio insoluble (apatita), por lo que se debe encontrar algún mecanismo plausible para evitar que los iones de calcio provoquen la precipitación de fosfato. Ha habido mucho trabajo sobre este tema a lo largo de los años, pero una nueva idea interesante es que los meteoritos pueden haber introducido especies reactivas de fósforo en la Tierra primitiva. Con base en estudios de modelos de computadora, las moléculas orgánicas complejas necesarias para la vida pueden haberse formado en el disco protoplanetario de granos de polvo que rodean al Sol y otras estrellas antes de la formación de la Tierra.

La acumulación y concentración de moléculas orgánicas en una superficie planetaria también se considera un paso temprano esencial para el origen de la vida. Identificar y comprender los mecanismos que llevaron a la producción de moléculas prebióticas en diversos entornos es fundamental para establecer el inventario de ingredientes a partir de los cuales se originó la vida en la Tierra, suponiendo que la producción abiótica de moléculas influyó en última instancia en la selección de moléculas de las que surgió la vida.

En 2019, se detectaron moléculas de azúcar, incluida la ribosa, en meteoritos, lo que sugiere que los procesos químicos en los asteroides pueden producir algunos bioingredientes esenciales, lo que respalda la noción de un mundo de ARN anterior a un origen de la vida basado en el ADN en la Tierra, y posiblemente panspermia..

Síntesis de laboratorio

Ya en la década de 1860, los experimentos demostraron que se pueden producir moléculas biológicamente relevantes a partir de la interacción de fuentes de carbono simples con abundantes catalizadores inorgánicos.

Proteínas de zorro

Al tratar de descubrir las etapas intermedias de la abiogénesis mencionadas por Bernal, Sidney Fox en las décadas de 1950 y 1960 estudió la formación espontánea de estructuras peptídicas en condiciones terrestres plausiblemente tempranas. En uno de sus experimentos, permitió que los aminoácidos se secaran como si estuvieran en un charco en un lugar cálido y seco en condiciones prebióticas: en un experimento para establecer las condiciones adecuadas para que se formara la vida, Fox recolectó material volcánico de un cono de ceniza en Hawai. Descubrió que la temperatura superaba los 100 °C a solo 4 pulgadas (100 mm) por debajo de la superficie del cono de ceniza y sugirió que este podría haber sido el entorno en el que se creó la vida: las moléculas podrían haberse formado y luego ser arrastradas a través del cono. cenizas volcánicas sueltas en el mar. Colocó terrones de lava sobre aminoácidos derivados del metano, amoníaco y agua, esterilizó todos los materiales, y horneé la lava sobre los aminoácidos durante unas horas en un horno de vidrio. Una sustancia marrón y pegajosa se formó sobre la superficie, y cuando la lava se empapó en agua esterilizada, se filtró un líquido espeso y marrón. Descubrió que, a medida que se secaban, los aminoácidos formaban polipéptidos submicroscópicos largos, a menudo entrecruzados, similares a hilos.

Azúcares

Los experimentos con la reacción de formosa realizados por Butlerov mostraron que se producen tetrosas, pentosas y hexosas cuando el formaldehído se calienta en condiciones básicas con iones metálicos divalentes como el calcio. La reacción fue examinada y posteriormente Breslow propuso que fuera autocatalítica en 1959.

Nucleobases

Experimentos similares demuestran que las nucleobases como la guanina y la adenina podrían sintetizarse a partir de fuentes simples de carbono y nitrógeno como el cianuro de hidrógeno (HCN) y el amoníaco. La formamida produce los cuatro ribonucleótidos cuando se calienta con minerales terrestres. La formamida es omnipresente en el Universo, producida por la reacción del agua y el HCN. Puede concentrarse fácilmente a través de la evaporación del agua. El HCN es venenoso solo para los organismos aeróbicos (eucariotas y bacterias aeróbicas), que aún no existían. También puede desempeñar un papel en otros procesos químicos, como la síntesis del aminoácido glicina.

En 2015, los científicos de la NASA formaron componentes de ADN y ARN que incluyen uracilo, citosina y timina en el laboratorio en condiciones del espacio exterior, utilizando productos químicos iniciales como la pirimidina que se encuentra en los meteoritos. La pirimidina puede haberse formado en estrellas gigantes rojas o en nubes interestelares de polvo y gas. Las cuatro bases de ARN pueden sintetizarse a partir de formamida en eventos de alta densidad de energía, como impactos extraterrestres.

Efectos con temperaturas alrededor del punto de congelación del agua

También se informaron otras vías para sintetizar bases a partir de materiales inorgánicos. Orgel y sus colegas han demostrado que las temperaturas bajo cero son ventajosas para la síntesis de purinas, debido al efecto de concentración de precursores clave como el cianuro de hidrógeno. La investigación de Miller y sus colegas sugirió que mientras que la adenina y la guanina requieren condiciones de congelación para la síntesis, la citosina y el uracilo pueden requerir temperaturas de ebullición. La investigación del grupo Miller señala la formación de siete aminoácidos diferentes y 11 tipos de nucleobases en el hielo cuando el amoníaco y el cianuro se dejaron en un congelador entre 1972 y 1997.Otro trabajo demostró la formación de s-triazinas (nucleobases alternativas), pirimidinas (incluidas citosina y uracilo) y adenina a partir de soluciones de urea sometidas a ciclos de congelación y descongelación en una atmósfera reductora (con descargas de chispas como fuente de energía).La explicación que se da a la velocidad inusual de estas reacciones a una temperatura tan baja es la congelación eutéctica. A medida que se forma un cristal de hielo, se mantiene puro: solo las moléculas de agua se unen al cristal en crecimiento, mientras que las impurezas como la sal o el cianuro quedan excluidas. Estas impurezas se acumulan en bolsas microscópicas de líquido dentro del hielo, y esta acumulación hace que las moléculas choquen con más frecuencia. La exploración mecanicista utilizando métodos químicos cuánticos proporciona una comprensión más detallada de algunos de los procesos químicos implicados en la evolución química y una respuesta parcial a la cuestión fundamental de la biogénesis molecular.

Uso de gas menos reductor en el experimento de Miller-Urey

En el momento del experimento de Miller-Urey, el consenso científico era que la Tierra primitiva tenía una atmósfera reductora con compuestos relativamente ricos en hidrógeno y pobres en oxígeno (p. ej., CH ₄ y NH ₃ en lugar de CO ₂ y dióxido de nitrógeno (NO ₂ )). Sin embargo, el consenso científico actual describe la atmósfera primitiva como débilmente reductora o neutra (ver también Catástrofe del oxígeno). Tal atmósfera disminuiría tanto la cantidad como la variedad de aminoácidos que podrían producirse, aunque los estudios que incluyen minerales de hierro y carbonato (que se cree que estaban presentes en los océanos primitivos) en las condiciones experimentales nuevamente han producido una gran variedad de aminoácidos.Otras investigaciones científicas se han centrado en otros dos posibles entornos reductores: el espacio exterior y los respiraderos térmicos de aguas profundas.

Síntesis a base de cianuro de hidrógeno

Un proyecto de investigación completado en 2015 por John Sutherland y otros descubrió que una red de reacciones que comienzan con cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno, en corrientes de agua irradiadas con luz ultravioleta, podría producir los componentes químicos de las proteínas y los lípidos, así como los del ARN., mientras que no produce una amplia gama de otros compuestos. Los investigadores utilizaron el término "cianosulfídico" para describir esta red de reacciones.

Problemas durante la síntesis de laboratorio

La formación espontánea de polímeros complejos a partir de monómeros generados abióticamente en las condiciones postuladas por la teoría de la "sopa" no es un proceso sencillo en absoluto. Además de los monómeros orgánicos básicos necesarios, también se formaron en altas concentraciones compuestos que habrían prohibido la formación de polímeros durante los experimentos de Miller-Urey y Joan Oró. La biología utiliza esencialmente 20 aminoácidos para sus enzimas proteicas codificadas, lo que representa un subconjunto muy pequeño del conjunto estructuralmente posible. La mayoría de los modelos del origen de la vida sugieren organismos desarrollados a partir de compuestos orgánicos disponibles en el medio ambiente. Las funciones fundamentales que desempeñan los péptidos en biología hacen que sea probable que los péptidos fueran actores clave en el origen de la vida.

Autocatálisis

Los autocatalizadores son sustancias que catalizan la producción de sí mismos y por lo tanto son "replicadores moleculares". Los sistemas químicos autorreplicantes más simples son autocatalíticos y normalmente contienen tres componentes: una molécula producto y dos moléculas precursoras. La molécula producto se une a las moléculas precursoras, que a su vez producen más moléculas producto a partir de más moléculas precursoras. La molécula del producto cataliza la reacción proporcionando una plantilla complementaria que se une a los precursores y los une. Dichos sistemas se han demostrado tanto en macromoléculas biológicas como en pequeñas moléculas orgánicas.

Se ha propuesto que la vida surgió inicialmente como redes químicas autocatalíticas. El etólogo británico Richard Dawkins escribió sobre la autocatálisis como una posible explicación del origen de la vida en su libro de 2004 The Ancestor's Tale. En su libro, Dawkins cita experimentos realizados por Julius Rebek y sus colegas en los que combinaron ésteres de amino adenosina y pentafluorofenilo con el éster triácido de amino adenosina autocatalizador (AATE). Uno de los productos era una variante de AATE, que catalizaba la síntesis de sí mismos. Este experimento demostró la posibilidad de que los autocatalizadores pudieran exhibir competencia dentro de una población de entidades con herencia, lo que podría interpretarse como una forma rudimentaria de selección natural.

Entornos geológicos pertinentes

El pequeño estanque de Darwin

Un concepto temprano, que la vida se originó a partir de materia no viva en etapas lentas, apareció en el libro Principios de biología de Herbert Spencer de 1864-1867. En 1879, William Turner Thiselton-Dyer se refirió a esto en un artículo "Sobre la generación y evolución espontáneas". El 1 de febrero de 1871, Charles Darwin escribió sobre estas publicaciones a Joseph Hooker y expuso su propia especulación, sugiriendo que la chispa original de la vida pudo haber comenzado en un

pequeño estanque cálido, con toda clase de sales de amoníaco y fosfórico, luz, calor, electricidad, etc., presente, que un compuesto proteico se formó químicamente listo para sufrir cambios aún más complejos.

Continuó explicando que

en la actualidad, tal materia sería instantáneamente devorada o absorbida, lo que no habría sido el caso antes de que se formaran las criaturas vivientes.

Un estudio en 2017 propuso un modelo matemático que respalda el concepto de Darwin. Sugieren que las partículas de polvo interplanetarias y los meteoritos habían transportado moléculas orgánicas como nucleótidos a estos estanques. Para que estos biopolímeros se formaran en las piscinas, habría habido ciclos húmedo-seco para la polimerización. Ben Pearce y sus coautores teorizan que los polímeros de ARN podrían haber aparecido antes de 4,17 Gya.

Aguas termales volcánicas y fumarolas hidrotermales, poco profundas o profundas

Los primeros microfósiles pueden haber venido de un mundo caliente de gases como el metano, el amoníaco, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, tóxicos para gran parte de la vida actual. El análisis del árbol de la vida tripartito convencional coloca a las bacterias y arqueas termófilas e hipertermófilas más cerca de la raíz, lo que sugiere que la vida puede haber evolucionado en un ambiente cálido.

Respiraderos hidrotermales de aguas profundas

La teoría de las fuentes hidrotermales de aguas profundas o alcalinas postula que la vida comenzó en las fuentes hidrotermales submarinas. Martin y Russell han sugerido

que la vida evolucionó en precipitados de monosulfuro de hierro estructurado en un montículo hidrotermal del sitio de filtración en un gradiente redox, de pH y de temperatura entre el fluido hidrotermal rico en sulfuro y las aguas que contienen hierro (II) del fondo del océano Hadeano. La compartimentación tridimensional de origen natural observada dentro de los precipitados de sulfuro metálico fosilizados en el sitio de filtración indica que estos compartimentos inorgánicos fueron los precursores de las paredes celulares y las membranas que se encuentran en los procariotas de vida libre. La capacidad conocida de FeS y NiS para catalizar la síntesis de acetil-metilsulfuro a partir de monóxido de carbono y metilsulfuro, constituyentes del fluido hidrotermal, indica que las síntesis prebióticas ocurrieron en las superficies internas de estos compartimentos con paredes de sulfuro metálico,...

Estos se forman donde emergen fluidos ricos en hidrógeno desde debajo del fondo del mar, como resultado de la serpentinización de olivino ultramáfico con agua de mar y una interfaz de pH con agua oceánica rica en dióxido de carbono. Los respiraderos forman una fuente de energía química sostenida derivada de reacciones redox, en las que los donantes de electrones (hidrógeno molecular) reaccionan con los aceptores de electrones (dióxido de carbono); ver Teoría del mundo de hierro y azufre. Estas son reacciones exotérmicas.

Russell demostró que los respiraderos alcalinos crearon un gradiente quimiosmótico de fuerza motriz de protones abiogénicos, en el que las condiciones son ideales para un criadero abiogénico de por vida. Sus compartimentos microscópicos "proporcionan un medio natural para concentrar moléculas orgánicas", compuestos de minerales de hierro y azufre como mackinawite, dotaron a estas células minerales de las propiedades catalíticas previstas por Günter Wächtershäuser. Este movimiento de iones a través de la membrana depende de una combinación de dos factores:

1. Fuerza de difusión causada por el gradiente de concentración: todas las partículas, incluidos los iones, tienden a difundirse de una concentración más alta a una más baja.
2. Fuerza electrostática causada por el gradiente de potencial eléctrico: los cationes como los protones H tienden a difundirse por el potencial eléctrico, los aniones en la dirección opuesta.

Estos dos gradientes tomados en conjunto pueden expresarse como un gradiente electroquímico, proporcionando energía para la síntesis abiogénica. La fuerza motriz de protones se puede describir como la medida de la energía potencial almacenada como una combinación de gradientes de protones y voltaje a través de una membrana (diferencias en la concentración de protones y potencial eléctrico).

Szostak sugirió que la actividad geotérmica brinda mayores oportunidades para el origen de la vida en lagos abiertos donde hay una acumulación de minerales. En 2010, basándose en el análisis espectral del mar y el agua mineral caliente, Ignat Ignatov y Oleg Mosin demostraron que la vida puede haberse originado predominantemente en el agua mineral caliente. El agua mineral caliente que contiene hidrocarbonato e iones de calcio tiene el rango más óptimo. Este caso es similar al origen de la vida en las fuentes hidrotermales, pero con iones de hidrocarbonato y calcio en agua caliente. La investigación con análisis espectrales se realizó en Rupite, Bulgaria, con agua mineral caliente con iones de calcio e hidrocarburo, Anoxybacillus rupiences sp., bacterias, arqueas y cianobacterias.Es posible que el agua mineral con un pH de 9 a 11 tenga las reacciones en el agua de mar. Según Melvin Calvin, ciertas reacciones de condensación-deshidratación de aminoácidos y nucleótidos en bloques individuales de péptidos y ácidos nucleicos pueden tener lugar en la hidrosfera primaria con un pH de 9 a 11 en una etapa evolutiva posterior. Algunos de estos compuestos como el ácido cianhídrico (HCN) han sido probados en los experimentos de Miller. Este es el entorno en el que se han creado los estromatolitos. David Ward, de la Universidad Estatal de Montana, describió la formación de estromatolitos en agua mineral caliente en el Parque Nacional de Yellowstone. Los estromatolitos sobreviven en agua mineral caliente y en la proximidad de áreas con actividad volcánica.Los procesos han evolucionado en el mar cerca de los géiseres de agua mineral caliente. En 2011, Tadashi Sugawara de la Universidad de Tokio creó una protocélula en agua caliente.

Las superficies de las partículas minerales dentro de los respiraderos hidrotermales tienen propiedades catalíticas similares a las de las enzimas y pueden crear moléculas orgánicas simples, como metanol (CH ₃ OH) y ácido fórmico, acético y pirúvico a partir del CO ₂ disuelto en el agua, si se conducen. por un voltaje aplicado o por reacción con H ₂ o H ₂ S.

La investigación reportada por Martin en 2016 respalda la tesis de que la vida surgió en los respiraderos hidrotermales, que la química espontánea en la corteza terrestre impulsada por las interacciones roca-agua en desequilibrio termodinámicamente apoyó el origen de la vida y que los linajes fundadores de las arqueas y bacterias eran H ₂ - autótrofos dependientes que utilizan CO ₂ como aceptor terminal en el metabolismo energético. Martin sugiere, basándose en esta evidencia, que LUCA "puede haber dependido en gran medida de la energía geotérmica del respiradero para sobrevivir".

Piscinas hidrotermales fluctuantes en islas volcánicas o protocontinentes

Mulkidjanian y sus coautores piensan que los ambientes marinos no proporcionaron el equilibrio iónico y la composición que se encuentra universalmente en las células, así como los iones requeridos por las proteínas esenciales y las ribozimas que se encuentran en prácticamente todos los organismos vivos, especialmente con respecto a la relación K /Na. Concentraciones de Mn, Zn y fosfato. Los únicos entornos conocidos que imitan las condiciones necesarias en la Tierra se encuentran en las piscinas hidrotermales terrestres alimentadas por respiraderos de vapor.Además, los depósitos minerales en estos entornos bajo una atmósfera anóxica tendrían un pH adecuado (a diferencia de las piscinas actuales en una atmósfera oxigenada), contendrían precipitados de minerales de sulfuro que bloquean la radiación ultravioleta dañina, tendrían ciclos de humectación/secado que concentran las soluciones de sustrato en concentraciones susceptibles a la formación espontánea de polímeros de ácidos nucleicos, poliésteres y depsipéptidos,tanto por reacciones químicas en el ambiente hidrotermal, como por la exposición a la luz ultravioleta durante el transporte desde los respiraderos a las piscinas adyacentes. Sus entornos prebióticos hipotéticos son similares a los entornos de respiraderos oceánicos profundos más comúnmente hipotetizados, pero agregan componentes adicionales que ayudan a explicar las peculiaridades encontradas en las reconstrucciones del Último Ancestro Común Universal (LUCA) de todos los organismos vivos.

Colin-García et al. (2016) discuten las ventajas y desventajas de los respiraderos hidrotermales como ambientes primitivos. Mencionan que las reacciones exergónicas en tales sistemas pudieron haber sido una fuente de energía libre que promovió reacciones químicas, adicional a su alta diversidad mineralógica lo que implica la inducción de importantes gradientes químicos, favoreciendo así la interacción entre donantes y aceptores de electrones. Colin-García et al. (2016) también resumen un conjunto de experimentos propuestos para probar el papel de los respiraderos hidrotermales en la síntesis de prebióticos.

Ceniza volcánica en el océano

Geoffrey W. Hoffmann ha argumentado que un evento de nucleación complejo como origen de la vida que involucra tanto polipéptidos como ácidos nucleicos es compatible con el tiempo y el espacio disponibles en los océanos primarios de la Tierra. Hoffmann sugiere que la ceniza volcánica puede proporcionar las muchas formas aleatorias necesarias en el evento de nucleación complejo postulado. Este aspecto de la teoría puede probarse experimentalmente.

La biosfera profundamente caliente del oro

En la década de 1970, Thomas Gold propuso la teoría de que la vida no se desarrolló por primera vez en la superficie de la Tierra, sino varios kilómetros por debajo de la superficie. Se afirma que el descubrimiento de vida microbiana debajo de la superficie de otro cuerpo en nuestro Sistema Solar daría una credibilidad significativa a esta teoría.

Hipótesis de la playa radiactiva

Zachary Adam afirma que los procesos de marea que ocurrieron durante un tiempo en que la Luna estaba mucho más cerca pueden haber concentrado granos de uranio y otros elementos radiactivos en la marca de marea alta en las playas primordiales, donde pueden haber sido responsables de generar los componentes básicos de la vida. Según modelos informáticos,un depósito de dichos materiales radiactivos podría mostrar la misma reacción nuclear autosostenida que la encontrada en la veta de mineral de uranio de Oklo en Gabón. Esa arena de playa radiactiva podría haber proporcionado suficiente energía para generar moléculas orgánicas, como aminoácidos y azúcares a partir del acetonitrilo en el agua. El material radiactivo de monacita también ha liberado fosfato soluble en las regiones entre los granos de arena, haciéndolo biológicamente "accesible". Así, según Adam, podrían haberse producido simultáneamente aminoácidos, azúcares y fosfatos solubles. Los actínidos radiactivos, dejados en alguna concentración por la reacción, podrían haber formado parte de complejos organometálicos. Estos complejos podrían haber sido importantes catalizadores tempranos para los procesos vivos.

John Parnell ha sugerido que tal proceso podría proporcionar parte del "crisol de la vida" en las primeras etapas de cualquier planeta rocoso húmedo temprano, siempre que el planeta sea lo suficientemente grande como para haber generado un sistema de tectónica de placas que trae minerales radiactivos a la superficie. Como se cree que la Tierra primitiva tenía muchas placas más pequeñas, podría haber proporcionado un entorno adecuado para tales procesos.

Termodinámica, autoorganización e información: Física

Principios de la termodinámica: energía y entropía

En la antigüedad se pensaba comúnmente, por ejemplo por Empédocles y Aristóteles, que la vida de los individuos de algunas especies, y más generalmente, la vida misma, podía comenzar con alta temperatura, es decir, implícitamente por ciclos térmicos.

La vida requiere una pérdida de entropía, o desorden, cuando las moléculas se organizan en materia viva. Por lo tanto, la segunda ley de la termodinámica debe ser considerada en abiogénesis y en biología. El surgimiento de la vida y el aumento de la complejidad no contradicen esta ley: primero, un organismo vivo crea orden en algunos lugares (p. ej., su cuerpo vivo o vivienda) a expensas de un aumento de entropía en otros lugares (p. ej., producción de calor y desechos). En segundo lugar, la Segunda Ley de la termodinámica en realidad predice un aumento en la complejidad y en las correlaciones entre un sistema y su entorno, cuando experimenta interacción, siendo la memoria y la adaptación genética ejemplos de tales correlaciones entre un organismo vivo y su entorno.

Obtención de energía gratis

Bernal dijo sobre el experimento de Miller-Urey que

no es suficiente explicar la formación de tales moléculas, lo que es necesario, es una explicación físico-química de los orígenes de estas moléculas que sugiera la presencia de fuentes y sumideros adecuados para la energía libre.

Múltiples fuentes de energía estaban disponibles para las reacciones químicas en la Tierra primitiva. Por ejemplo, el calor (como el de los procesos geotérmicos) es una fuente de energía estándar para la química. Otros ejemplos incluyen la luz solar y las descargas eléctricas (rayos), entre otros. De hecho, los rayos son una fuente de energía plausible para el origen de la vida, dado que solo en los trópicos caen rayos alrededor de 100 millones de veces al año.

Las simulaciones por computadora también sugieren que la cavitación en los depósitos de agua primordiales, como las olas del mar, los arroyos y los océanos, pueden conducir potencialmente a la síntesis de compuestos biogénicos.

Las reacciones desfavorables también pueden ser impulsadas por otras muy favorables, como en el caso de la química del hierro y el azufre. Por ejemplo, esto probablemente fue importante para la fijación de carbono (la conversión de carbono de su forma inorgánica a una orgánica). La fijación de carbono por reacción de CO ₂ con H ₂ S a través de la química del hierro y el azufre es favorable y ocurre a pH neutro y 100 °C. Las superficies de hierro y azufre, que abundan cerca de los respiraderos hidrotermales, también son capaces de producir pequeñas cantidades de aminoácidos y otros metabolitos biológicos.

Autoorganización

Estructuración disipativa

Esta teoría postula que el sello distintivo del origen y la evolución de la vida es la estructuración disipativa microscópica bajo luz UVC de pigmentos orgánicos y su proliferación en toda la superficie de la Tierra. La vida actual aumenta la producción de entropía de la Tierra en su entorno solar mediante la disipación de fotones visibles y ultravioleta en calor a través de pigmentos orgánicos en el agua. Este calor luego cataliza una serie de procesos disipativos secundarios, como el ciclo del agua, las corrientes oceánicas y eólicas, los huracanes, etc.

Autoorganización por estructuras disipativas

El físico del siglo XIX Ludwig Boltzmann fue el primero en reconocer que la lucha por la existencia de los organismos vivos no era ni por la materia prima ni por la energía, sino por la producción de entropía derivada de la conversión del espectro solar en calor por parte de estos sistemas. Boltzmann se dio cuenta así de que los sistemas vivos, como todos los procesos irreversibles, dependían de la disipación de un potencial químico generalizado para su existencia. En su libro "Qué es la vida", el físico del siglo XX Erwin Schrödinger enfatizó la importancia de la visión profunda de Boltzmann sobre la naturaleza termodinámica irreversible de los sistemas vivos, sugiriendo que esta era la física y la química detrás del origen y la evolución de la vida.

Sin embargo, los procesos irreversibles, y mucho menos los sistemas vivos, no podían ser convenientemente analizados bajo esta perspectiva hasta que Lars Onsager, y más tarde Ilya Prigogine,desarrolló un elegante formalismo matemático para tratar la "autoorganización" del material bajo un potencial químico generalizado. Este formalismo se conoció como Termodinámica Irreversible Clásica y Prigogine recibió el Premio Nobel de Química en 1977 por su trabajo sobre sistemas disipativos. Su análisis mostró que si se dejaba que un sistema evolucionara bajo un potencial externo impuesto, el material podría organizarse espontáneamente (reducir su entropía) formando estructuras disipativas que aumentarían la disipación del potencial impuesto externamente (aumentar la producción de entropía global). Desde entonces, Karo Michaelian y otros han aplicado la termodinámica de no equilibrio al análisis de los sistemas vivos, desde la producción bioquímica de ATP hasta la optimización de las vías metabólicas bacterianas para completar los ecosistemas.

Encapsulación: morfología

Encapsulación sin membrana

Gotas de poliéster sin membrana

Los investigadores Tony Jia y Kuhan Chandru han propuesto que las gotas de poliéster sin membrana podrían haber sido significativas en los orígenes de la vida. Dada la naturaleza "desordenada" de la química prebiótica, la generación espontánea de estas gotitas combinatorias puede haber desempeñado un papel en la celularización temprana antes de la innovación de las vesículas lipídicas. Se demostró que la función de la proteína dentro y la función del ARN en presencia de ciertas gotas de poliéster se conservan dentro de las gotas. Además, las gotas tienen capacidad de andamiaje, al permitir que los lípidos se unan a su alrededor, lo que puede haber evitado la fuga de materiales genéticos.

Microesferas proteinoides

Fox observó en la década de 1960 que los proteinoides que había sintetizado podían formar estructuras similares a células que se han denominado "microesferas de proteinoides".

Los aminoácidos se habían combinado para formar proteinoides, y los proteinoides se habían combinado para formar pequeños glóbulos que Fox llamó "microesferas". Sus proteinoides no eran células, aunque formaban grupos y cadenas que recordaban a las cianobacterias, pero no contenían ácidos nucleicos funcionales ni información codificada. Basándose en tales experimentos, Colin Pittendrigh afirmó en 1967 que "los laboratorios crearán una célula viva dentro de diez años", una observación que reflejaba la típica ingenuidad contemporánea sobre la complejidad de las estructuras celulares.

Mundo de los lipidos

La teoría del mundo de los lípidos postula que el primer objeto autorreplicante era similar a los lípidos.Se sabe que los fosfolípidos forman bicapas lipídicas en agua bajo agitación, la misma estructura que en las membranas celulares. Estas moléculas no estaban presentes en la Tierra primitiva, pero otras moléculas anfifílicas de cadena larga también forman membranas. Además, estos cuerpos pueden expandirse (mediante la inserción de lípidos adicionales) y, bajo una expansión excesiva, pueden sufrir una división espontánea que conserva el mismo tamaño y composición de lípidos en las dos progenies. La idea principal de esta teoría es que la composición molecular de los cuerpos lipídicos es la vía preliminar para el almacenamiento de información, y la evolución condujo a la aparición de entidades poliméricas como el ARN o el ADN que pueden almacenar información favorablemente. Hasta ahora, los estudios sobre vesículas de anfífilos potencialmente prebióticos se han limitado a sistemas que contienen uno o dos tipos de anfífilos. Dentro de la hipótesis de una membrana de bicapa lipídica compuesta por una mezcla de varios compuestos anfífilos distintos, existe la posibilidad de un gran número de combinaciones teóricamente posibles en la disposición de estos anfífilos en la membrana. Entre todas estas combinaciones potenciales, una disposición local específica de la membrana habría favorecido la constitución de un hiperciclo, en realidad una retroalimentación positiva compuesta por dos catalizadores mutuos representados por un sitio de membrana y un compuesto específico atrapado en la vesícula. Dichos pares de sitio/compuesto son transmisibles a las vesículas hijas, lo que conduce a la aparición de distintos linajes de vesículas que habrían permitido la selección natural darwiniana.

Protoceldas

Una protocélula es una colección esférica, autoorganizada y autoordenada de lípidos propuesta como un trampolín hacia el origen de la vida. Una pregunta central en la evolución es cómo surgieron por primera vez las protocélulas simples y cómo se diferenciaron en su contribución reproductiva a la siguiente generación que impulsa la evolución de la vida. Una protocélula funcional (a partir de 2014) aún no se ha logrado en un entorno de laboratorio.

Las vesículas autoensambladas son componentes esenciales de las células primitivas. La segunda ley de la termodinámica requiere que el universo se mueva en una dirección en la que aumenta la entropía, pero la vida se distingue por su gran grado de organización. Por lo tanto, se necesita un límite para separar los procesos de la vida de la materia no viva. Irene Chen y Szostak sugieren que las protocélulas elementales pueden dar lugar a comportamientos celulares que incluyen formas primitivas de reproducción diferencial, competencia y almacenamiento de energía. La competencia por las moléculas de membrana favorecería las membranas estabilizadas, lo que sugiere una ventaja selectiva para la evolución de los ácidos grasos reticulados e incluso de los fosfolípidos actuales.Tal microencapsulación permitiría el metabolismo dentro de la membrana, el intercambio de moléculas pequeñas pero la prevención del paso de sustancias grandes a través de ella. La encapsulación permite una mayor solubilidad de la carga contenida dentro de la cápsula y el almacenamiento de energía en un gradiente electroquímico.

Formación de vesículas lipídicas en agua dulce.

Bruce Damer y David Deamer argumentan que las membranas celulares no se pueden formar en agua de mar salada y, por lo tanto, deben haberse originado en agua dulce. Antes de que se formaran los continentes, la única tierra seca en la Tierra serían las islas volcánicas, donde el agua de lluvia formaría estanques donde los lípidos podrían formar las primeras etapas hacia las membranas celulares. Se supone que estos predecesores de las células verdaderas se comportaron más como un superorganismo que como estructuras individuales, donde las membranas porosas albergarían moléculas que se filtrarían y entrarían en otras protocélulas. Solo cuando las células verdaderas hayan evolucionado, se adaptarán gradualmente a ambientes más salados y entrarán al océano.

Vesículas que consisten en mezclas de bioquímicos similares al ARN.

Otro modelo de protocelda es el Jeewanu. Sintetizado por primera vez en 1963 a partir de minerales simples y compuestos orgánicos básicos mientras se exponía a la luz solar, todavía se informa que tiene algunas capacidades metabólicas, la presencia de membrana semipermeable, aminoácidos, fosfolípidos, carbohidratos y moléculas similares al ARN. Sin embargo, la naturaleza y las propiedades del Jeewanu quedan por aclarar.

Las interacciones electrostáticas inducidas por péptidos hidrófobos cortos, cargados positivamente, que contienen 7 aminoácidos de longitud o menos, pueden unir el ARN a una membrana vesicular, la membrana celular básica.

Precipitados de sulfuro de metal

William Martin y Michael Russell han sugerido

.... que la vida evolucionó en precipitados de monosulfuro de hierro estructurado en un montículo hidrotermal del sitio de filtración en un gradiente redox, de pH y de temperatura entre el fluido hidrotermal rico en sulfuro y las aguas que contienen hierro (II) del fondo del océano Hadeano. La compartimentación tridimensional de origen natural observada dentro de los precipitados de sulfuro metálico fosilizados en el sitio de filtración indica que estos compartimentos inorgánicos fueron los precursores de las paredes celulares y las membranas que se encuentran en los procariotas de vida libre. La capacidad conocida de FeS y NiS para catalizar la síntesis de acetil-metilsulfuro a partir de monóxido de carbono y metilsulfuro, constituyentes del fluido hidrotermal, indica que las síntesis prebióticas ocurrieron en las superficies internas de estos compartimentos con paredes de sulfuro metálico,... "

Origen del metabolismo: fisiología

Diferentes formas de vida con procesos de origen variable pueden haber aparecido casi simultáneamente en la Tierra primitiva. Las otras formas pueden estar extintas, habiendo dejado fósiles distintivos a través de su bioquímica diferente, por ejemplo, tipos hipotéticos de bioquímica. Se ha propuesto que:

Los primeros organismos fueron arcillas ricas en hierro autorreplicantes que fijaron el dióxido de carbono en ácidos oxálicos y otros ácidos dicarboxílicos. Este sistema de replicación de arcillas y su fenotipo metabólico luego evolucionó hacia la región rica en sulfuro de la fuente termal que adquirió la capacidad de fijar nitrógeno. Finalmente, el fosfato se incorporó al sistema en evolución, lo que permitió la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos. Si la biosíntesis recapitula la biopoiesis, entonces la síntesis de aminoácidos precedió a la síntesis de las bases de purina y pirimidina. Además, la polimerización de los tioésteres de aminoácidos en polipéptidos precedió a la polimerización dirigida de ésteres de aminoácidos por polinucleótidos.

Las reacciones similares al metabolismo podrían haber ocurrido naturalmente en los primeros océanos, antes de que evolucionaran los primeros organismos. Las reconstrucciones en laboratorio muestran que algunas de estas reacciones pueden producir ARN, y otras se asemejan a dos reacciones en cascada esenciales del metabolismo: la glucólisis y la vía de las pentosas fosfato, que proporcionan precursores esenciales para los ácidos nucleicos, aminoácidos y lípidos.

Hipótesis de la arcilla

La montmorillonita, una arcilla abundante, es un catalizador para la polimerización del ARN y para la formación de membranas a partir de lípidos. Alexander Cairns-Smith presentó un modelo para el origen de la vida usando arcilla en 1985 y varios científicos lo exploraron como un mecanismo plausible. La hipótesis de la arcilla postula que moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente en superficies de replicación no orgánicas preexistentes de cristales de silicato en solución.

En el Instituto Politécnico Rensselaer, los estudios de James Ferris también han confirmado que los minerales arcillosos de montmorillonita catalizan la formación de ARN en solución acuosa, uniendo nucleótidos para formar cadenas más largas.

En 2007, Bart Kahr de la Universidad de Washington y sus colegas informaron sobre sus experimentos que probaron la idea de que los cristales pueden actuar como una fuente de información transferible, utilizando cristales de ftalato de hidrógeno y potasio. Los cristales "madres" con imperfecciones se escindieron y se usaron como semillas para hacer crecer cristales "hijos" a partir de la solución. Luego examinaron la distribución de las imperfecciones en los nuevos cristales y descubrieron que las imperfecciones de los cristales madre se reproducían en los hijos, pero los cristales hijos también tenían muchas imperfecciones adicionales. Para que se observara un comportamiento similar al de un gen, la cantidad de herencia de estas imperfecciones debería haber excedido la de las mutaciones en las generaciones sucesivas, pero no fue así. Así Kahr concluyó que los cristales "

Mundo hierro-azufre

En la década de 1980, Günter Wächtershäuser, alentado y apoyado por Karl Popper, postuló su mundo de hierro y azufre, una teoría de la evolución de las vías químicas prebióticas como punto de partida en la evolución de la vida. Rastrea sistemáticamente la bioquímica actual hasta las reacciones primordiales que proporcionan vías alternativas para la síntesis de componentes básicos orgánicos a partir de compuestos gaseosos simples.

A diferencia de los experimentos clásicos de Miller, que dependen de fuentes de energía externas (rayos simulados, irradiación ultravioleta), los "sistemas Wächtershäuser" vienen con una fuente de energía incorporada: sulfuros de hierro (pirita de hierro) y otros minerales. La energía liberada de las reacciones redox de estos sulfuros metálicos está disponible para la síntesis de moléculas orgánicas, y tales sistemas pueden haber evolucionado hacia conjuntos autocatalíticos que constituyen entidades metabólicamente activas autorreplicantes anteriores a las formas de vida conocidas en la actualidad. Los experimentos con tales sulfuros en un ambiente acuoso a 100 °C produjeron un rendimiento relativamente pequeño de dipéptidos (0,4 % a 12,4 %) y un rendimiento menor de tripéptidos (0,10 %), aunque en las mismas condiciones, los dipéptidos se degradaron rápidamente.

Varios modelos rechazan la autorreplicación de un "gen desnudo", postulando en cambio la aparición de un metabolismo primitivo que proporciona un entorno seguro para la posterior aparición de la replicación del ARN. La centralidad del ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) para la producción de energía en organismos aeróbicos, y en la extracción de dióxido de carbono e iones de hidrógeno en la biosíntesis de compuestos químicos orgánicos complejos, sugiere que fue una de las primeras partes del metabolismo en evolucionar. En concordancia, los geoquímicos Szostak y Adamala demostraron que la replicación del ARN no enzimático en protocélulas primitivas solo es posible en presencia de un quelante catiónico débil como el ácido cítrico, lo que proporciona más evidencia del papel central del ácido cítrico en el metabolismo primordial.

Russell ha propuesto que "el propósito de la vida es hidrogenar el dióxido de carbono" (como parte de un escenario de "primero el metabolismo" en lugar de un escenario de "primero la genética"). El físico Jeremy England ha propuesto que la vida era inevitable a partir de consideraciones termodinámicas generales:

... cuando un grupo de átomos es impulsado por una fuente externa de energía (como el sol o un combustible químico) y rodeado por un baño de calor (como el océano o la atmósfera), a menudo se reestructurará gradualmente para disiparse cada vez más. energía. Esto podría significar que bajo ciertas condiciones, la materia adquiere inexorablemente el atributo físico clave asociado con la vida.

Una de las primeras encarnaciones de esta idea se presentó en 1924 con la noción de Oparin de vesículas autorreplicantes primitivas que precedieron al descubrimiento de la estructura del ADN. Las variantes en las décadas de 1980 y 1990 incluyen la teoría del mundo de hierro y azufre de Wächtershäuser y los modelos introducidos por Christian de Duve basados ​​​​en la química de los tioésteres. Los argumentos más abstractos y teóricos para la plausibilidad de la aparición del metabolismo sin la presencia de genes incluyen un modelo matemático introducido por Freeman Dyson a principios de la década de 1980 y la noción de Stuart Kauffman de conjuntos autocatalíticos colectivos, discutida más tarde esa década. El trabajo de Kauffman ha sido criticado por ignorar el papel de la energía en la conducción de reacciones bioquímicas en las células.

Orgel resumió su análisis afirmando,

En la actualidad, no hay razón para esperar que los ciclos de varios pasos, como el ciclo del ácido cítrico reductor, se autoorganicen en la superficie de FeS/FeS ₂ o algún otro mineral".

Es posible que se haya utilizado otro tipo de ruta metabólica al comienzo de la vida. Por ejemplo, en lugar del ciclo reductor del ácido cítrico, la vía acetil-CoA "abierta" (otra de las cinco formas reconocidas de fijación de dióxido de carbono en la naturaleza hoy en día) sería compatible con la idea de autoorganización en una superficie de sulfuro metálico.. La enzima clave de esta vía, monóxido de carbono deshidrogenasa/acetil-CoA sintasa, alberga grupos mixtos de níquel-hierro-azufre en sus centros de reacción y cataliza la formación de acetil-CoA (similar al acetil-tiol) en un solo paso. Sin embargo, existe una preocupación creciente de que los compuestos prebióticos tiolados y tioéster sean termodinámica y cinéticamente desfavorables para acumularse en presuntas condiciones prebióticas (es decir, respiraderos hidrotermales).También se ha propuesto que la cisteína y la homocisteína pueden haber reaccionado con los nitrilos resultantes de la reacción de Stecker, formando fácilmente polipéptidos catalíticos ricos en tiol.

Hipótesis del mundo del zinc

La hipótesis del mundo del zinc (mundo Zn) de Mulkidjanian es una extensión de la hipótesis de la pirita de Wächtershäuser. Wächtershäuser basó su teoría de los procesos químicos iniciales que conducen a moléculas informativas (ARN, péptidos) en una malla regular de cargas eléctricas en la superficie de la pirita que puede haber facilitado la polimerización primigenia al atraer a los reactivos y colocarlos de manera adecuada entre sí. La teoría del mundo Zn especifica y diferencia aún más. Fluidos hidrotermales ricos en H ₂La interacción de S con el agua fría del océano primordial (o el "pequeño estanque cálido" de Darwin) conduce a la precipitación de partículas de sulfuro metálico. Los sistemas de respiraderos oceánicos y otros sistemas hidrotermales tienen una estructura zonal reflejada en antiguos depósitos de sulfuros masivos volcánicos (VMS) de origen hidrotermal. Alcanzan muchos kilómetros de diámetro y se remontan al Eón Arcaico. Los más abundantes son pirita (FeS ₂ ), calcopirita (CuFeS ₂) y esfalerita (ZnS), con adiciones de galena (PbS) y alabandita (MnS). ZnS y MnS tienen una capacidad única para almacenar energía de radiación, por ejemplo, de la luz ultravioleta. Durante la ventana de tiempo relevante de los orígenes de las moléculas replicantes, la presión atmosférica primordial era lo suficientemente alta (>100 bar, alrededor de 100 atmósferas) para precipitar cerca de la superficie de la Tierra, y la radiación ultravioleta era de 10 a 100 veces más intensa que ahora; por lo tanto, las propiedades fotosintéticas únicas mediadas por ZnS proporcionaron las condiciones energéticas adecuadas para activar la síntesis de moléculas informativas y metabólicas y la selección de nucleobases fotoestables.

La teoría del mundo Zn se ha completado aún más con evidencia experimental y teórica de la constitución iónica del interior de las primeras protocélulas antes de que evolucionaran las arqueas, las bacterias y los protoeucariotas. Archibald Macallum notó la semejanza de los fluidos corporales como la sangre y la linfa con el agua de mar; sin embargo, la composición inorgánica de todas las células difiere de la del agua de mar moderna, lo que llevó a Mulkidjanian y sus colegas a reconstruir los "criaderos" de las primeras células combinando el análisis geoquímico con el escrutinio filogenómico de los requisitos de iones inorgánicos de los componentes universales de las células modernas. Los autores concluyen que las proteínas y los sistemas funcionales ubicuos, y por inferencia primordiales, muestran afinidad y requerimiento funcional para K, Zn, Mn y [PO
₄]
. La reconstrucción geoquímica muestra que la composición iónica conducente al origen de las células podría no haber existido en lo que hoy llamamos escenarios marinos, pero es compatible con las emisiones de zonas dominadas por vapor de lo que hoy llamamos sistemas geotérmicos interiores. Bajo la atmósfera primordial dominada por el CO _{2 y empobrecida en oxígeno, la química de los condensados ​​de agua y las exhalaciones cerca de los campos geotérmicos se parecería al medio interno de las células modernas.} Por lo tanto, las etapas precelulares de la evolución pueden haber tenido lugar en "estanques de Darwin" poco profundos revestidos con minerales de silicato porosos mezclados con sulfuros metálicos y enriquecidos en compuestos de K, Zn y fósforo.

Otros escenarios de abiogénesis

Un escenario es un conjunto de conceptos relacionados pertinentes al origen de la vida, como el mundo de Hierro-Azufre. Algunos otros escenarios, posiblemente superpuestos, pueden explicar igualmente la abiogénesis.

Rutas químicas descritas por computadora

En septiembre de 2020, los químicos describieron, por primera vez, posibles vías químicas desde productos químicos prebióticos no vivos hasta bioquímicos complejos que podrían dar lugar a organismos vivos, basándose en un nuevo programa informático llamado AllChemy.

El hiperciclo

A principios de la década de 1970, Manfred Eigen y Peter Schuster examinaron las etapas transitorias entre el caos molecular y un hiperciclo autorreplicante en una sopa prebiótica. 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 en la formación del primer sistema de información. Matemáticamente tratados, los hiperciclos podrían crear cuasiespecies, que a través de la selección natural entraron en una forma de evolución darwiniana. Un impulso a la teoría del hiperciclo fue el descubrimiento de ribozimas capaces de catalizar sus propias reacciones químicas. La teoría del hiperciclo requiere la existencia de compuestos bioquímicos complejos, como los nucleótidos, que no se forman en las condiciones propuestas por el experimento de Miller-Urey.

Proteína amiloide

Maury presentó en 2009 una nueva teoría del origen de la vida basada en estructuras de hoja beta autorreplicantes. La teoría sugiere que los amiloides catalíticos autorreplicantes y autoensamblantes fueron los primeros polímeros informativos en un pre-ARN primitivo. mundo. Los principales argumentos a favor de la hipótesis del amiloide se basan en la estabilidad estructural, las propiedades catalíticas y autocatalíticas y la capacidad de evolución de los sistemas de información basados ​​en hojas beta. Dichos sistemas también son correctores de errores y quiroselectivos.

Salinidad fluctuante: diluir y secar

Las teorías de la abiogénesis rara vez abordan la advertencia planteada por Harold Blum: si los elementos informativos clave de la vida, las cadenas de ácido protonucleico, forman espontáneamente estructuras dúplex, entonces no hay forma de disociarlas.

En algún lugar de este ciclo se debe realizar trabajo, lo que significa que se debe gastar energía libre. Si las piezas se ensamblan solas en una plantilla de manera espontánea, se debe trabajar para quitar la réplica; o, si la réplica se sale de la plantilla por sí sola, se debe trabajar para colocar las piezas en primer lugar.

La conjetura de Oparin-Haldane aborda la formación, pero no la disociación, de polímeros y dúplex de ácidos nucleicos. Sin embargo, los ácidos nucleicos son inusuales porque, en ausencia de contraiones (bajo contenido de sal) para neutralizar las altas cargas de los grupos fosfato opuestos, el dúplex de ácido nucleico se disocia en cadenas sencillas. Las primeras mareas, impulsadas por una luna cercana, podrían haber generado ciclos rápidos de dilución (marea alta, baja sal) y concentración (secado en marea baja, alta sal) que promovieron exclusivamente la replicación de ácidos nucleicos a través de un proceso denominado cadena de marea. reacción (TCR). Esta teoría ha sido criticada sobre la base de que las primeras mareas pueden no haber sido tan rápidas,aunque la regresión de los valores actuales requiere una yuxtaposición Tierra-Luna alrededor de dos Ga, para lo cual no hay evidencia, y las mareas tempranas pueden haber sido aproximadamente cada siete horas. Otra crítica es que solo el 2-3% de la corteza terrestre puede haber estado expuesta sobre el mar hasta el final de la evolución terrestre.

La teoría TCR (reacción en cadena de las mareas) tiene ventajas mecánicas sobre la asociación/disociación térmica en los respiraderos de aguas profundas porque la TCR requiere que el ensamblaje de la cadena (polimerización impulsada por plantilla) tenga lugar durante la fase de secado, cuando los precursores están más concentrados, mientras que la reacción térmica el ciclo necesita que la polimerización tenga lugar durante la fase fría, cuando la tasa de ensamblaje de la cadena es más baja y es probable que los precursores estén más diluidos.

Primera proteína que condensa sustratos durante el ciclo térmico: termosíntesis

La hipótesis de la termosíntesis considera que la quimiosmosis es más basal que la fermentación: la enzima ATP sintasa, que sostiene la quimiosmosis, se propone como la enzima existente actualmente más estrechamente relacionada con el primer proceso metabólico. La hipótesis de la termosíntesis ni siquiera invoca una vía: el mecanismo de cambio de unión de la ATP sintasa se asemeja a un proceso de adsorción física que produce energía libre. El resultado sería la convección que traería un suministro continuo de reactivos a la protoenzima. La primera proteína descrita puede ser simple en el sentido de que solo requiere una secuencia corta de residuos de aminoácidos conservados, una secuencia suficiente para la hendidura catalítica apropiada.

Mundo pre-ARN: El problema de la ribosa y su derivación

Es posible que un tipo diferente de ácido nucleico, como el ácido nucleico peptídico, el ácido nucleico de treosa o el ácido nucleico de glicol, fuera el primero en emerger como una molécula autorreproductora, solo que luego fue reemplazada por ARN. Larralde et al. , dilo

la síntesis prebiótica generalmente aceptada de ribosa, la reacción de formosa, produce numerosos azúcares sin ninguna selectividad.

y concluyen que su

Los resultados sugieren que la columna vertebral del primer material genético no podría haber contenido ribosa u otros azúcares debido a su inestabilidad.

Se sabe que el enlace éster de la ribosa y el ácido fosfórico en el ARN es propenso a la hidrólisis.

Los ribonucleósidos de pirimidina y sus respectivos nucleótidos se han sintetizado prebióticamente mediante una secuencia de reacciones que pasan por alto los azúcares libres y se ensamblan paso a paso mediante el uso de sustancias químicas nitrogenadas u oxigenadas. Sutherland ha demostrado rutas de alto rendimiento para los ribonucleótidos de citidina y uridina construidos a partir de pequeños fragmentos de 2 y 3 carbonos como glicolaldehído, gliceraldehído o gliceraldehído-3-fosfato, cianamida y cianoacetileno. Uno de los pasos en esta secuencia permite el aislamiento de ribosa aminooxazolina enantiopura si el exceso enantiomérico de gliceraldehído es del 60% o mayor.Esto puede verse como un paso de purificación prebiótica, donde dicho compuesto cristalizó espontáneamente a partir de una mezcla de las otras pentosas aminooxazolinas. La ribosa aminooxazolina puede entonces reaccionar con cianoacetileno de una manera suave y altamente eficiente para dar el ribonucleótido alfa citidina. La fotoanomerización con luz ultravioleta permite la inversión sobre el centro anomérico 1' para dar la estereoquímica beta correcta. En 2009, demostraron que los mismos bloques de construcción simples permiten el acceso, a través de la elaboración de nucleobase controlada por fosfato, directamente a los nucleótidos de pirimidina cíclica 2',3', que se sabe que pueden polimerizarse en ARN. Este documento también destaca la posibilidad de la foto-desinfección de los fosfatos cíclicos de pirimidina-2',3'.

Origen viral

Se ha sugerido evidencia reciente de una hipótesis de "virus primero", que puede respaldar las teorías del mundo del ARN. Una de las dificultades para el estudio del origen de los virus es su alta tasa de mutación; este es particularmente el caso de los retrovirus de ARN como el VIH. Un estudio de 2015 comparó las estructuras de pliegues de proteínas en diferentes ramas del árbol de la vida, donde los investigadores pueden reconstruir las historias evolutivas de los pliegues y de los organismos cuyos genomas codifican esos pliegues. Argumentan que los pliegues de proteínas son mejores marcadores de eventos antiguos, ya que sus estructuras tridimensionales pueden mantenerse incluso cuando las secuencias que los codifican comienzan a cambiar.Por lo tanto, el repertorio de proteínas virales conserva rastros de la historia evolutiva antigua que se pueden recuperar utilizando enfoques bioinformáticos avanzados. Esos investigadores piensan que "la presión prolongada del genoma y la reducción del tamaño de las partículas eventualmente redujeron las virocélulas a virus modernos (identificados por la pérdida completa de la composición celular), mientras que otros linajes celulares coexistentes se diversificaron en células modernas". Los datos sugieren que los virus se originaron a partir de células antiguas que coexistieron con los ancestros de las células modernas. Estas células antiguas probablemente contenían genomas de ARN segmentados.

Un modelo computacional (2015) ha demostrado que las cápsides de virus pueden haberse originado en el mundo del ARN y que servían como un medio de transferencia horizontal entre comunidades de replicadores, ya que estas comunidades no podrían sobrevivir si aumentaba el número de genes parásitos, siendo ciertos genes los responsables. para la formación de estas estructuras y las que favorecieron la supervivencia de comunidades autorreplicantes. El desplazamiento de estos genes ancestrales entre organismos celulares podría favorecer la aparición de nuevos virus durante la evolución. Los virus conservan un módulo de replicación heredado de la etapa prebiótica ya que está ausente en las células. Entonces, esta es una evidencia de que los virus podrían originarse en el mundo del ARN y también podrían surgir varias veces en la evolución a través del escape genético en las células.

Mundo ARN-ADN

En la segunda mitad de 2020, se presentó evidencia, basada en un compuesto simple plausiblemente prebiótico llamado diamidofosfato (DAP), que respalda la noción de una coevolución de mezcla de ARN-ADN. La mezcla de secuencias de ARN-ADN, llamadas quimeras, tienen una afinidad débil y forman estructuras dúplex más débiles. Esta propiedad es ventajosa en un escenario abiótico y se ha demostrado que estas quimeras replican el ARN y el ADN, superando el problema de inhibición del "producto de plantilla", donde un ARN puro o una hebra de ADN puro no pueden replicarse de forma no enzimática porque se une con demasiada fuerza. a sus socios. Este comportamiento de las secuencias quiméricas de ARN-ADN podría conducir a una amplificación catalítica cruzada abiótica de ARN y ADN, un paso clave hacia la aparición simultánea de ARN y ADN.

Cuestiones clave

Proteína frente a ácido nucleico como precursor de la síntesis de proteínas

Los posibles precursores de la evolución de la síntesis de proteínas incluyen un mecanismo para sintetizar cofactores de péptidos cortos o formar un mecanismo para la duplicación de ARN. Es probable que el ribosoma ancestral estuviera compuesto en su totalidad por ARN, aunque desde entonces algunas funciones han sido asumidas por proteínas. Las principales preguntas pendientes sobre este tema incluyen identificar la fuerza selectiva para la evolución del ribosoma y determinar cómo surgió el código genético.

Eugene Koonin dijo:

A pesar del considerable esfuerzo experimental y teórico, actualmente no existen escenarios convincentes para el origen de la replicación y la traducción, los procesos clave que juntos comprenden el núcleo de los sistemas biológicos y el aparente requisito previo de la evolución biológica. El concepto de RNA World podría ofrecer la mejor oportunidad para la resolución de este enigma, pero hasta ahora no puede explicar adecuadamente la aparición de una replicasa de ARN eficiente o el sistema de traducción. La versión MWO ["muchos mundos en uno"] del modelo cosmológico de la inflación eterna podría sugerir una salida a este enigma porque, en un multiverso infinito con un número finito de historias macroscópicas distintas (cada una repetida un número infinito de veces), el surgimiento por casualidad de incluso sistemas altamente complejos no solo es posible sino inevitable.

Aparición del código genético

Error en catástrofe de traducción

Hoffmann ha demostrado que una maquinaria de traducción temprana propensa a errores puede ser estable frente a una catástrofe de errores del tipo que se había considerado problemático para el origen de la vida y que se conocía como "paradoja de Orgel".

Homoquiralidad

La homoquiralidad es la uniformidad geométrica de los materiales compuestos de unidades quirales (no simétricas de espejo). Los organismos vivos usan moléculas que tienen la misma quiralidad (orientación lateral): casi sin excepciones, los aminoácidos son de mano izquierda mientras que los nucleótidos y los azúcares son de mano derecha. Las moléculas quirales se pueden sintetizar, pero en ausencia de una fuente quiral o un catalizador quiral, se forman en una mezcla 50/50 (racémica) de ambas formas. Los mecanismos conocidos para la producción de mezclas no racémicas a partir de materiales de partida racémicos incluyen: leyes físicas asimétricas, como la interacción electrodébil; entornos asimétricos, como los causados ​​por la luz polarizada circularmente, los cristales de cuarzo o la rotación de la Tierra, las fluctuaciones estadísticas durante la síntesis racémica y la ruptura espontánea de la simetría. Una vez establecida, se seleccionaría la quiralidad. Un pequeño sesgo (exceso enantiomérico) en la población puede amplificarse a uno grande mediante autocatálisis asimétrica, como en la reacción de Soai. En la autocatálisis asimétrica, el catalizador es una molécula quiral, lo que significa que una molécula quiral cataliza su propia producción. Un exceso enantiomérico inicial, como el que puede producir la luz polarizada, permite que el enantiómero más abundante supere al otro. La homoquiralidad puede haber comenzado en el espacio exterior, ya que en el meteorito de Murchison el aminoácido L-alanina es más del doble de frecuente que su forma D, y el ácido L-glutámico es más de tres veces más abundante que su contraparte D.Los compuestos encontrados en los meteoritos sugieren que la quiralidad de la vida se deriva de la síntesis abiogénica, ya que los aminoácidos de los meteoritos muestran un sesgo hacia la izquierda, mientras que los azúcares muestran un sesgo predominantemente hacia la derecha, el mismo que se encuentra en los organismos vivos.

Experimentos

Tanto Eigen como Sol Spiegelman demostraron que la evolución, incluida la replicación, la variación y la selección natural, puede ocurrir tanto en poblaciones de moléculas como en organismos. A continuación de la evolución química vino el inicio de la evolución biológica, que condujo a las primeras células. Nadie ha sintetizado todavía una "protocélula" utilizando componentes simples con las propiedades necesarias para la vida (el llamado "enfoque de abajo hacia arriba"). Sin tal prueba de principio, las explicaciones han tendido a centrarse en la quimiosíntesis.Sin embargo, algunos investigadores, en particular Steen Rasmussen y Szostak, han argumentado que un "enfoque de arriba hacia abajo" es más factible, comenzando con formas simples de la vida actual. Spiegelman aprovechó la selección natural para sintetizar el Monstruo de Spiegelman, que tenía un genoma con solo 218 bases de nucleótidos, habiendo evolucionado deconstructivamente a partir de un ARN bacteriano de 4500 bases. Eigen se basó en el trabajo de Spiegelman y produjo un sistema similar degradado aún más a solo 48 o 54 nucleótidos, el mínimo requerido para la unión de la enzima de replicación. Craig Venter y sus colegas diseñaron células procariotas existentes con menos genes progresivamente, intentando discernir los requisitos mínimos para la vida.

En 2018, investigadores de la Universidad McMaster desarrollaron un Planet Simulator para ayudar a estudiar la abiogénesis. Consiste en una cámara climática para estudiar cómo se ensamblaron los componentes básicos de la vida y cómo se transformaron en ARN autorreplicante.