08 julio, 2012

La Vida y Evolución de las Piedras

Cuando pensamos en el origen de la vida, a muchos se les vienen a la cabeza nombres como Oparin, el experimento de Miller y Urey o cosas así. Pero existe en la actualidad toda una plétora de ideas y teorías alternativas a la más que famosa teoría de la “sopa Prebiótica” o “sopa de Oparin”.


Grupo de sexto curso en el Parque de las Ciencias de Granada, Sala de Cuerpo Humano (representación del experimento de Miller-Urey) sacado de AQUÍ



Si pensamos en el origen de la vida, pensamos en cosas sencillas y antiguas. Y tu dirás… -¡Una gamba!-, No, algo más simple y arcaico. -¡Una bacteria!-, vas bien, pero algo más simplón todavía que eso. -¡Rajoy!-, casi casi, pero más simple…LA QUÍMICA.

La química es mucho más sencilla y simple que la vida. Ha estado ahí siempre y es la base de la vida. Se ha dicho muchas veces que todo es química… pero es que hubo un tiempo en el que sólo había química y sin embargo había evolución. Hablo de una evolución bioquímica previa a la evolución biológica. Hoy hablaremos de la teoría de Wächtershäuser (que se pronuncia algo así como bosterjhoiser).

En los años 40 y 50, Goldschmit y Bernal propusieron de forma independiente  que los minerales habrían desempeñado una función esencial en el origen de la vida. Ellos nombraron las arcillas como base o soporte de adsorción de las sustancias orgánicas disueltas. Se trataría de una situación de unión reversible y débil gracias a la cual se podrían catalizar reacciones químicas, como para aumentar la concentración efectiva. Esta arcilla, podría incluso ejercer una acción catalítica durante la síntesis de biomoléculas. Apoyando esta teoría, J. P. Ferris del instituto politécnico Rensselaer en Troy, ha demostrado que la montmorillonita, un silicato hidratado de aluminio, es capaz de catalizar la síntesis de oligonucleótidos a partir de desoxirribonucleótidos.

En todas estas teorías, el mineral tiene un papel secundario como adsorvente, catalizador o escenario pero no como protagonista. Pero se le ha dado un papel protagonista al mineral. Esto lo hizo Cairns-Smith que razona que la materia prima para el origen de la vida no serían las biomoléculas complejas sino el material geoquímico como tal. Los minerales mismos serían las primeras sustancias bioquímicas que la evolución posterior habría sustituido por materiales orgánicos más eficaces. Según Cairns-Smith, los minerales asumirían todas las funciones como catalizadores, como membranas formando los contenedores donde ocurriría el primer metabolismo y como material genético.

¿Se podría considerar a esto reproducción asexual? ¿Será LA COSA nuestro antepasado común a toda la vida?

Sin embargo, es otra teoría la que hace unos años me llamó la atención y desde entonces me convence más que ninguna. Fue en la asignatura de Bioquímica Evolutiva cuando descubrí a Günter Wachtershäuser, alumno de física del mismísimo Hans Kuhn pero abogado de profesión, en sus ratos libres se dedica a teorizar sobre el origen de la vida. Es profesor honorario de bioquímica evolutiva en la Universidad de Ratisbona y en los años 80 comenzó a desarrollar su teoría sobre el origen de la vida conocida como “Teoría del mundo de hierro-sulfuro” o de la pirita.

Se que no tiene cara de ser muy listo… pero no se dejen llevar por las apariencias. 


Este hombre se fue a la base de la bioquímica y se ha ceñido a la máxima de basarse en definiciones indiscutibles. Por ejemplo, para que una fuente de energía sea razonable para una ruta primitiva de fijación de Carbono, debe cumplir 6 requisitos:

  • Ha de ser una fuente de electrones
  • El potencial de reducción debe ser lo suficientemente negativo como para impulsar todas las reacciones metabólicas
  • El flujo de electrones debe ir lineal y directamente desde el reductor al dióxido de carbono
  • El flujo de energía debe detenerse cuando el metabolismo deje de necesitarlo
  • Esta fuente de energía debe ser operativa dentro del organismo, es decir, ha de ser suave y selectiva
  • Tiene que ser geológicamente plausible, es decir, no puede darse en zonas o circunstancias que solo duren unos pocos milenios sin dar tiempo a que se lleve a cabo la complejidad necesaria.

De todas las reacciones geoquímicas que son y han sido en este planeta solo una verifica las seis condiciones de Wächtershäuser: la formación oxidativa de pirita a partir de sulfuro de hidrógeno e iones ferrosos. Su potencial estándar es de -620 mV, es decir, capaz de donar electrones a cualquiera de las reacciones bioquímicas conocidas. Sulfuro de hidrógeno e iones ferrosos siembre ha habido y en abundancia en la Tierra. La pirita es además el mineral de hierro más estable en condiciones anaerobias y es ubicuo.

Aunque Wächtershäuser no ha pisado un laboratorio en su vida, si que hay apoyo experimental a su hipótesis de manos de otros investigadores como K. O. Stetter, Microbiólogo de la Universidad de Regensburg. Este hombre ha investigado sobre el cuarto requisito, relativo a la inhibición cinética de la fuente de poder reductor.

Hasta entonces, a nadie se le había ocurrido antes estudiar la cinética de la síntesis de pirita con formación de hidrógeno, es decir, sin un metabolismo que use los electrones y que además todo esto pase en condiciones anaerobias (El oxígeno no empezó a ser importante en la tierra hasta que aparecen los autótrofos que lo producían como producto de desecho tóxico y oxidante).
Esta reacción resulta ser muy lenta, tal y como predice la teoría. En 1992 se publican los resultados del mismo grupo en relación a ana serie de reacciones de reducción impulsadas por los sulfuros de hierros. A las agradables condiciones de 100 ºC, en medio acuoso a pH neutro y en completa anaerobiosis, la síntesis de pirita da electrones para la reducción de nitratos a amoniaco, triples enlaces de carbono a dobles y simples, de carbonilos a hidrocarburos, etc. Reacciones muchas de ellas más consistentes que las conseguidas en los experimentos de Miller y Urey y mucho más repetibles.

Por otra parte, los cristales de pirita ofrecen superficies cargadas positivamente que pueden unir moléculas orgánicas aniónicas. Se podrían retener fosfato que favorecería las reacciones de fosforilación tan importantes para la vida. La ruta de fijación de carbono propuesta por Wächtershäuser es una versión reducida del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, también llamado ciclo de Arnon, que se encuentra en algunas bacterias fotosintéticas anaerobias. Lo podréis encontrar como ciclo de  Evans, Buchanan y Arnon 1966.

Los productos metabólicos, fosforilados o ionizados, quedan unidos a la superficie de la pirita en cuanto se forman dando lugar aun sistema de reacción bidimensional, un metabolismo de superficie, algo así como un quimiofilm. Esta propuesta se puede parecer a la de Bernal en las arcillas, pero es diametralmente distinta en el sentido de que aquí no hay uniones débiles a la superficie para que los productos se vayan a la sopa prebiótica. Aquí no hay sopa. Solo se seleccionan y reaccionan aquellas moléculas que al unirse fuertemente a la superficie de la pirita sufren transformaciones concomitantes a la síntesis del mineral. No se adsorven moléculas orgánicas sobre la superficie sino que se forman allí. La unión tiene además como consecuencia que el metabolismo bidimensional es favorecido a altas temperaturas y es inherentemente ordenado, no caótico como se describe en las teorías oparinianas.

Se trata de este modo de organismos de metabolismo superficial y acelulares. Según la teoría de Wächtershäuser la celularización se daría a posteriori. El modelo de la vida bidimensional predice que la progresiva reducción de los compuestos orgánicos daría lugar a la síntesis de cadenas alifáticas largas unidas por sus extremos a la superficie de la pirita. A partir de determinado tamaño éstas se separarían por uno de sus extremos y se formaría una capa de lípidos. A medida que la población de lípidos formando una membrana de una sola capa aumentara autotróficamente se llegaría a una entidad semicelular, todavía alimentada por la superficie de pirita pero ya con una especie de sopa interna de metabolitos.

La posterior de formación de cadenas transportadoras de electrones en las membranas, daría lugar a la posibilidad de utilizar otras fuentes de nergía redox y, finalmente, a la luz visible, otorgando finalmente independencia de la pirita. Finalmente, la heterotrofía podría aparecer como subproducto de las rutas catabólicas de reciclaje.

Wächtershäuser ha propuesto también un esquema completo para el origen de los ácidos nucleicos y las proteínas a partir de precursores metabólicos formados por el metabolismo superficial. La competencia entre enzimas y las superficies de pirita, con el triunfo de las enzimas, marca el inicio de los organismos celulares auténticos.

Para terminar de poner la guinda al pastél, Wächtershäuser ha propuesto también una explicación a la homoquiralidad (es puramente especulativa, pero muy sugerente).
Se ha descubierto que existe una diferencia estructural entre la pirita de origen metamórfico o magmático, es decir, crecida a alta temperatura y la de origen sedimentario o hidrotermal. La primera es cúbica, mientas que el análisis detallado de la pirita formada a baja temperatura revela que es o bien triclínica o bien ortorrómbica. A diferencia del sistema cúbico, los cristales triclínicos u ortorrómbicos muestran actividad óptica, lo cual puede tener unas implicaciones importantes en el origen de la homoquiralidad biológica en el contexto de esta hipótesis. Es fácil imaginar que la asimetría de la superficie de la pirita puede influir sobre la geometría del estado de transición de las reacciones redox que allí están ocurriendo y darse una especie de transferencia quiral del mineral al compuesto orgánico en formación.

De momento, una gran parte de esta teoría es especulativa y habría que demostrar punto por punto que es posible que se den todas y cada una de las reacciones propuestas (por otra parte existentes).
Se han acuñado muchas críticas a esta teoría pero me gustaría recordar que desde que Oparin publicó su obra hasta que Miller anuncia sus primeros resultados, pasaron más de 17 años. Teniendo en cuenta que el señor Wächtershäuser no trabaja en un laboratorio, hará falta que científicos convencidos y entusiasmados con la teoría se pongan manos a la obra.

A mi desde luego no me suena nada mal eso de una evolución bioquímica previa a una evolución biológica y no estaría mal demostrar esta teoría en el mismo siglo en que se ha descubierto el Bosson de Higgs. ¿Otro nuevo siglo de las luces?

Este post participa en la XVII edición del Carnaval de Química alojado en el blog de @nchazarra






5 comentarios:

  1. Me ha encantado!!
    He leído (ya no sé dónde) que haciendo descargas sobre determinados elementos químicos se conseguía la formación de moléculas sencillas como proteínas, etc. Evidentemente, eso no explica el origen de la vida, pero es interesante y puede ser un paso en este "nuevo siglo de las luces" ;)

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  2. Muchas gracias, me alegra mucho que te haga encantado.

    Hasta donde yo se no se necesitan descargar para la síntesis de compuestos orgánicos (y creeme que las proteínas de sencillas nanai jejeje, si acaso aminoácidos o iminoácidos). En los experimentos de Miller y Urey y los que se hicieron a posteriori, se vio que se formaban los mismos compuestos tanto con las descargas como sin ellas. Si es cierto que una descarga de cierta frecuencia puede inducir cambios de conformación o unión a ligando diferentes pero poco mas. Mucho me temo que aquello fue una influencia de la recién estrenada filmografía de Frankenstein, que marcó mucho en la época.

    Un saludo Ununcuadio.

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    1. jaja, gracias!! Buscaré más sobre el tema

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  3. Magnífica entrada, Óscar!
    Saludos

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    1. Muchas gracias Juan Antonio,

      Me alegro de que te haya gustado, de verdad.
      Saludos.

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