¿Cuál pudo ser el origen de la vida en la Tierra?

¿Es la vida un imperativo cósmico?

Entra en la web de Bruño para observar cómo pudo surgir la vida en la Tierra. Aunque no existe un modelo generalizado que explique el origen de la vida, los datos aportados por la astrobiología, los hallazgos encontrados en los meteoritos, los experimentos que simulan las condiciones de la Tierra primitiva por medio de ordenadores (experimentos in silico) y la recreación en el laboratorio de las reacciones químicas hipotéticas que especulan sobre la posible transición de la materia inanimada a la vida (experimentos in vitro) sugieren que la respuesta al enigma de la existencia de vida se halla en la combinación de factores terrestres y extraterrestres.

a ¿Se podría recrear un ambiente óptimo para la vida en un planeta o satélite?

Para comprender los orígenes cósmicos de la vida, debes plantearte las siguientes preguntas: ¿El universo está lleno de vida, porque se trata de un imperativo cósmico, un proceso químico inevitable cuando se dan las condiciones necesarias?, ¿cómo surgió la vida en la Tierra?, ¿existe vida en alguna parte del universo además de en la Tierra?, ¿qué condiciones debe reunir un planeta para que pueda albergar vida?

La astrobiología es una disciplina que integra conocimientos de física, geología, astronomía, química, biología, ingeniería, etc., y que trata de dar respuesta a estos interrogantes ya que estudia el origen, la evolución, la distribución y el destino de la vida en el universo.

La vida es una propiedad emergente

La vida es una propiedad que surge de las interacciones moleculares que se establecen entre los componentes organizados de un sistema complejo, capaces de utilizar una fuente de energía.

Los astrobiólogos, con los radiotelescopios (1), escrutan el firmamento en busca de moléculas orgánicas sintetizadas en las nubes interestelares (2). Han identificado decenas de ellas, como el formaldehído y el ácido cianhídrico, y han demostrado que la química orgánica es universal.

6. Un sistema se identifica por sus propiedades emergentes, llamadas así porque solo se ponen de manifiesto o emergen cuando el sistema se encuentra en funcionamiento. Por ejemplo, un automóvil es un sistema cuya propiedad emergente es la de ser utilizado para el transporte mediante su movimiento. Pero los elementos o partes que lo componen (motor, volante, asientos, frenos, etc.), por sí solos, no tienen la propiedad del coche, es decir, del sistema.

Esta propiedad solo emerge cuando los elementos interactúan para que funcione, es decir, cuando el motor arranca y el automóvil se desplaza.

a) ¿Qué significa el hecho de que la vida sea una propiedad emergente?

b) ¿Crees que la vida puede surgir a partir de la ausencia de vida?

Es probable que la vida pueda surgir en cualquier planeta, situado en una región denominada zona de habitabilidad, que reúna las mismas condiciones de la Tierra primitiva.

Es una región situada en el disco de la galaxia (en nuestro caso es la Vía Láctea), entre 15 000 y 38 000 años luz del núcleo galáctico, donde la probabilidad de que exista vida es mayor, ya que se dan las condiciones más favorables para su aparición.

Se encuentra alejada de la intensa radiación que emite el núcleo de la galaxia y de las regiones donde hay una constante actividad de formación de estrellas.

Órbita de Marte

La terraformación

Es el conjunto de procedimientos que permitirían recrear en un planeta o satélite natural las condiciones ambientales óptimas para la vida.

Para crear una biosfera, primero se debe generar una atmósfera similar a la terrestre y calentar el planeta hasta una temperatura media de unos 15 ºC.

Marte es uno de los planetas candidatos para modificar su entorno (1): tiene hielo en el subsuelo y en los polos (bajo el hielo hay agua líquida).

Es una región privilegiada para el nacimiento y la evolución de la vida, situada alrededor de una estrella y a cierta distancia de ella, en función de su tamaño y temperatura, donde orbitan uno o más planetas cuyas condiciones climáticas posibilitan que exista agua en estado líquido en su superficie.

Condiciones que debe reunir un planeta para albergar vida

➜ Encontrarse en las zonas de habitabilidad galáctica y estelar, a cierta distancia de la estrella: más cerca, la temperatura sería tan alta que toda el agua estaría en fase de vapor, como en Venus; más lejos, las bajas temperaturas mantendrían el agua en forma de hielo, como en Marte.

➜ Poseer un tamaño y una masa determinados que generen la fuerza de gravedad suficiente para retener los gases y generar una atmósfera, imprescindible para la aparición y el mantenimiento de la vida.

➜ Presentar dinámica interna (tectónica de placas), responsable de la creación de la magnetosfera que proteja del viento solar; y de la actividad volcánica, que emita dióxido de carbono (CO2) y produzca un efecto invernadero capaz de mantener una temperatura media de unos 15 ºC, adecuada para la vida.

➜ Disponer de oxígeno atmosférico (aunque algunos no lo requieren, como las bacterias anaerobias), necesario para que surjan evolutivamente organismos pluricelulares más complejos, y para formar este gas hacen falta organismos fotosintéticos que consuman CO2

Hasta mediados del siglo xix, las únicas teorías admitidas por la comunidad científica sobre el origen de la vida en la Tierra eran el creacionismo y la teoría de la generación espontánea. Según estas, los seres humanos y los animales de mayor envergadura fueron creados por un ser sobrenatural todopoderoso, mientras que los organismos más sencillos (ratones, anfibios o insectos) surgieron del fango y de la materia orgánica en descomposición por generación espontánea.

Experimento de Redi

Francesco Redi (1626-1697) llevó a cabo el siguiente experimento:

1. Colocó trozos de carne y de pescado en tres recipientes.

E

7. Si fueras un explorador espacial, deberías tener en cuenta que los posibles mundos candidatos para albergar vida deben reunir una serie de condiciones. ¿Qué características se dan en la Tierra que no se dan en otros planetas y que permiten el desarrollo de la vida en ella?

A. Lo tapó de forma hermética con un corcho.

B. Lo dejó abierto.

2. Al cabo de varios días, la carne y el pescado se habían podrido en los tres frascos, pero solo crecieron larvas de mosca sobre la carne del recipiente abierto (B) y encima de la gasa del recipiente C.

Demostró que las larvas no aparecían por generación espontánea, sino que procedían de los huevos puestos por las moscas atraídas por la putrefacción.

Experimento de Pasteur

8. Trabajad por parejas y buscad información sobre las repercusiones que tuvo el experimento de Pasteur en la posterior evolución de la medicina y en la prevención y el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Exponed vuestros resultados al resto de la clase.

Louis Pasteur (1822-1895) planteó, en 1860, que no existe la generación espontánea, ya que los microorganismos aparecen porque son transportados por el aire: la vida solo puede ser engendrada por otra forma de vida anterior a ella. Para demostrarlo, realizó el siguiente experimento:

El aire penetra por el extremo abierto.

1.

2. Con la llama estiró y curvó el cuello del matraz en forma de «S».

3. Calentó el matraz para esterilizarlo.

4. En el interior no se desarrolló ningún microorganismo, ya que quedaban atrapados en la curvatura.

5. El líquido permaneció estéril hasta que Pasteur inclinó el matraz para que entrara caldo en el cuello curvado.

6. Cuando enderezó el matraz, el crecimiento bacteriano rápidamente enturbió todo el caldo.

Los extremófilos

El río Tinto (Huelva) (A) alberga formas de vida microscópica similares a las que pueden darse en otros planetas. Su tonalidad rojiza y su grado de acidez se deben a la actividad de los microorganismos extremófilos, capaces de alimentarse con los sulfuros metálicos que contiene.

La abiogénesis (también llamada evolución química o síntesis prebiótica) es el proceso que permitió la aparición de moléculas orgánicas, base de la vida, en la Tierra primitiva a partir de materia inerte mediante reacciones químicas, en un momento en el que la atmósfera presentaba unas condiciones muy distintas a las actuales.

Este proceso pudo tener lugar de dos maneras:

➜ A partir de aportaciones exógenas de las nubes interestelares.

➜ A partir de sustancias orgánicas que pudieron formarse en diversos ambientes de la Tierra primitiva.

El progresivo aumento de la complejidad molecular, desde la materia inorgánica hasta las primeras células vivas, pudo desarrollarse en varias etapas: síntesis prebiótica, polimerización y emergencia de sistemas moleculares organizados, surgimiento de protocélulas y estructuración celular y emergencia de la vida.

Síntesis prebiótica

Entre las hipótesis que tratan de explicar el origen de las primeras moléculas orgánicas, destacan fundamentalmente tres:

Debido a la abundante cantidad de azufre y hierro que existe en este lugar, ambos elementos frecuentes en Marte y a las peculiares comunidades de seres vivos que habitan en el río Tinto, puede servir de modelo a los astrobiólogos de la NASA para corroborar la hipótesis de que, si en este planeta hubo alguna vez vida, pudo ser microscópica y capaz de utilizar estos elementos químicos.

Hipótesis de las fuentes hidrotermales

En las zonas próximas a las dorsales oceánicas, el agua se filtra, se convierte en vapor de agua y al ascender disuelve los minerales que encuentra, hasta que escapa por las fisuras del fondo oceánico y origina fuentes hidrotermales o fumarolas (1), que son el origen de yacimientos minerales y fuente de vida de los ecosistemas submarinos asociados a las dorsales: gusanos tubícolas, mejillones, cangrejos y almejas gigantes, todos blancos; colonias de cnidarios, etc.

Es posible que en estos ambientes tuviese lugar la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas, gracias a la presencia de componentes en estado reducido, ya que la vida puede prosperar en ambientes muy extremos.

9. Esta molécula orgánica es un nucleótido denominado adenosín trifosfato (ATP, en su sigla inglesa). ¿Qué nombres reciben los elementos químicos que intervienen en su formación y de qué moléculas inorgánicas podrían proceder?

En estos lugares, de oscuridad absoluta y temperaturas muy altas, las fuentes hidrotermales emiten gases procedentes de la actividad magmática de la dorsal (H2, CO2, CH4 y H2S), que, disueltos en agua y en condiciones extremas, burbujean a través de cavidades ricas en piritas (sulfuros de hierro), cuyas superficies metálicas son capaces de catalizar la formación de moléculas orgánicas sencillas.

Hipótesis de la sopa primordial

El bioquímico ruso Alexander Oparin y el fisiólogo británico John B. Sanderson Haldane expusieron en 1929, aunque de manera independiente, esta hipótesis. Ellos proponen que las evidencias del origen de la vida hay que buscarlas en las pequeñas moléculas gaseosas presentes en la atmósfera primitiva y en las condiciones ambientales de la Tierra hace unos 4 600 Ma. La hipótesis de la sopa primordial ganó credibilidad con los experimentos diseñados por Stanley Miller y Harold Clayton Urey, Juan Oró, Robert Shapiro, John Sutherland, Günter Wächtershäuser y otros.

➜ Sugirieron que la atmósfera primitiva debió de ser distinta a la actual, carente de oxígeno y sin capa de ozono, y muy rica en gases reducidos, como el amoniaco (NH3), el metano (CH4), el sulfuro de hidrógeno (H2S), el dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua (H2O).

3. Mediante unos electrodos, hicieron pasar descargas eléctricas a través de la mezcla.

Electrodos

➜ La falta de oxígeno, debido a que se combinaba con otros elementos para formar óxidos, permitió que la atmósfera tuviera carácter reductor, necesario para la estabilidad de las futuras moléculas orgánicas.

➜ Es probable que estos compuestos gaseosos de la atmósfera fueran bombardeados por radiación ultravioleta, rayos cósmicos, chispas eléctricas de las tormentas, etc., que formaron, espontáneamente, las biomoléculas propias de todos los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos...).

➜ Estas sustancias químicas se disolvieron en el mar, y dieron lugar a la sopa o caldo primordial, un conjunto de moléculas orgánicas disueltas en el agua de los mares primitivos. Y, tal vez, en algunas charcas intermareales calentadas por la actividad volcánica, se concentraron y reaccionaron unas con otras, originando compuestos más complejos.

4. Enfriaron la mezcla de sustancias.

2. Introdujeron una mezcla de gases similares a los que debían de existir en la atmósfera primitiva (metano, amoniaco, hidrógeno y vapor de agua).

Condensador

Calor H2O CH4 H2 NH3

5. Comprobaron que se habían sintetizado algunas moléculas características de la materia viva, como los aminoácidos.

Experimento de Miller-Urey. En la actualidad, los científicos consideran que la atmósfera primitiva no era tan reductora y que la mezcla de gases que Miller y Urey introdujeron en el matraz no representaba a los componentes de esta primera atmósfera. Aun así, este experimento realizado en 1952 sirvió para destacar que es posible sintetizar moléculas orgánicas a partir de los gases atmosféricos en ausencia de enzimas.

10. Laura quiere ser astrobióloga. ¿Qué estudia la astrobiología?

11. ¿Cómo se complementan las hipótesis de las fuentes hidrotermales y de la sopa primordial?

12. ¿Qué crítica se le hace al experimento de Miller-Urey?

Hipótesis de la panspermia

Propuesta inicialmente por Horst-Eberhard Richter en 1865 y desarrollada por Svante August Arrhenius en 1906, sugiere que la vida es de origen extraterrestre, es decir, que podría haber surgido en un lugar determinado y después desplazarse a otros planetas habitables. Juan Oró, Carl Sagan, Fred Hoyle y Chandra Wickramasinghe apoyan esta teoría.

Por ello, la astrobiología propone que la existencia de vida se debe a un conjunto de procesos:

➜ Síntesis de materia orgánica en las nubes interestelares. Los astrobiólogos han detectado sustancias en las nubes densas del espacio interestelar: H2O, polvo cósmico y moléculas orgánicas (fullerenos, etano, aminoácidos, acetileno, ácido cianhídrico, monóxido de carbono, ácido fórmico, hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), precursores del ARN, etc.). Estas moléculas orgánicas se forman mediante reacciones entre moléculas ionizadas por la acción de los rayos cósmicos galácticos, procedentes de alguna supernova (1), que calientan e ionizan los componentes moleculares gaseosos de las nubes interestelares (2).

➜ Bombardeo de meteoritos, cometas y polvo cósmico. Parte de las biomoléculas orgánicas, junto con el agua, pudieron llegar a bordo de cometas, meteoritos y polvo cósmico durante el bombardeo (hace entre 4 600 y 3 800 Ma) que experimentó la Tierra.

• Los aminoácidos, ácidos carboxílicos, purinas, pirimidinas, polialcoholes, hidrocarburos, compuestos derivados de la ribosa y de la desoxirribosa y otras sustancias orgánicas están presentes en algunos meteoritos, como el meteorito Murchison (Australia), de unos 4 600 Ma de antigüedad.

• El polvo cósmico (A) está compuesto por granos de silicatos (1) recubiertos de hielo (2) que contienen en su interior moléculas orgánicas, como metanol (CH3OH) (3), monóxido de carbono (CO) (4), dióxido de carbono (CO2) (5), hidrocarburos aromáticos policíclicos (6), etc.