La Evolución Molecular antes del
surgimiento de la vida 

A. Negrón-Mendoza y S. Ramos-Bernal 

Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México 



El siglo XXI ha nacido con preocupaciones del ambiente que son de primerísimo importancia. Pero no es lo único sino pertenece a un conjunto de problemas globales que dañan la vida y que además pueden ser irreversibles. Entre mas estudiamos el problema, mas y mas es claro que su exacta dimensión no puede ni debe ser valorada de una forma aislada. Todos estos peligros son problemas interconectados e interdependientes. Los grandes problemas de nuestro tiempo tienen solución, siempre y cuando: se tenga  un cambio radical en nuestra percepción nuestros pensamientos y nuestros valores. 

Este cambio de pensamiento ya empezó y es el deber de los científicos propagarlo lo mas posible entre los no científicos como para que en lugar de ser un conocimiento aislado se pueda trasformar en una forma de pensamiento colectivo que pudiera por lo menos a nuestra generación concientizarnos de cómo nos verán en el futuro, como parte de una revolución en el pensamiento del hombre. Existen muchos ejemplos de esta nueva forma de “ver” el mundo, la cual ha perturbado la forma de pensamiento del hombre a tal grado que se puede decir que estamos viviendo una revolución de pensamiento y sobre todo de la realidad. Aunado a esto se ha tenido en los últimos tiempos una percepción de la vida que tiene muchas implicaciones en la ciencia y filosofía, por decir algunas, Sin embargo las repercusiones pueden abarcar otras áreas hasta llegar a la vida cotidiana.  Pero estos conceptos que nos definirán como una generación que vivió el cambio de percibir el mundo se reflejan en ejemplos como la física cuántica, el origen del universo y el origen de la vida. 

En este trabajo nos referiremos a uno de estos ejemplos, que el origen de la vida. 

Así la pregunta de ¿Cómo empezó la vida? Que fue durante miles de años contestada de una forma diferente. Actualmente la respuesta a esta pregunta marca un cambio drástico de ver el mundo en los humanos. Una de las pocas cosas que se puede afirmar en este tema es que la complejidad del problema requiere una contribución de muchas disciplinas tanto humanistas como científicas. También es importante señalar que el tema esta sujeto a muchas especulaciones.  

Desde el punto de vista científico, el punto de partida para estudiar como surgió la vida en la Tierra fue propuesto por Oparin (1924) y Haldane (1929), quienes en forma independiente propusieron una hipótesis que trata de explicar estos hechos. En forma resumida esta hipótesis establece que la acumulación de materia orgánica, su transformación en moléculas más complejas y la formación de sistemas que se repliquen, son factores que condujeron a la aparición de seres vivos. De esa forma, los seres vivos son el resultado de una evolución continua de la materia. En este proceso existe una etapa pre-biológica que consiste en una transformación química desde las simples moléculas inorgánicas hasta las altamente moléculas biológicas, este proceso recibe el nombre de evolución química ó molecular y connota los procesos físicos y químicos sobre la formación y organización de compuestos bio-orgánicos bajo condiciones geológicas y astronómicas primigenias y que sirvieron como preámbulo al surgimiento de seres vivos. Aunque solo conocemos vida en la Tierra, los procesos de evolución química se extienden más allá de ésta y abarcan otros cuerpos celestes como planetas, cometas, nubes interestelares (regiones del espacio donde se encuentra materia condensada). Esta evolución cosmoquímica implica que la materia tiene un origen común. Por ello, en este gran contexto el estudio de la evolución química nos sirve para entender un poco los procesos que pudieron ocurrir antes de la aparición de la vida. Este proceso podríamos suponer que se llevo  a cabo en tres etapas, la inorgánica, la química y la biológica. 

El principal objetivo en la aproximación química al origen de la vida ha sido imaginar el camino o mecanismo por los cuales los compuestos que son importantes para la vida, formaron como preámbulo a ésta. Este período abarca desde la formación de la Tierra hace 4500 millones de años (Milton y Steiger, 1965) hasta la aparición del fósil mas antiguo conocido y que  ocurrió en la era Arqueana o Arcaica (forma parte del Eón Precámbrico), cerca de 3500 millones de años* (Schopf, 2000). En base de argumentos geoquímicos, esta etapa de cambios químicos se ha reducido a pocos millones de años (Lahav, 1999).

Ambiente Probable en la Tierra primitiva 

Cuando estudiamos historia en la escuela, a menudo estudiamos en desarrollo humano, que es cerca de 10 000 años, pero en relación con la edad de nuestro planeta, este periodo es muy pequeño. ¿Qué pasó antes de éste?, ¿La Tierra fue similar a la presente?, ¿Cómo empezó la vida?, ¿Qué tan atrás podemos regresar en la historia de la Tierra? Aunque las respuestas exactas a estas preguntas son desconocidas, en base a las experiencias en diferentes disciplinas se ha presentado un panorama general de cómo se piensa que fue nuestro planeta, el ambiente existente en las primeras etapas de la formación de la Tierra. Estas condiciones hipotéticas se pueden resumir en lo siguiente:  

Una atmósfera neutra formada por dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno. 2) temperatura moderada promedio, cercana a los 300 K, aunque con regiones de temperatura elevada. 3) pH de los océanos cercano a 8. 4)  fuentes de energía. Se han propuesto diferentes fuentes de energía en la Tierra primitiva que pudieron contribuir a la síntesis de compuestos orgánicos: Rayos ultravioleta del sol, descargas eléctricas de los relámpagos, ondas de choque por el impacto de cometas y meteoros, energía térmica debida al vulcanismo y radiación ionizante del material radiactivo presente en el planeta y que fue mucho mayor por el decaimiento que han tenido. La importancia relativa de una fuente energética en las  síntesis abióticas depende de su abundancia y distribución, en el agua, la corteza terrestre y en la atmósfera, así como de su eficiencia para inducir reacciones químicas. La eficiencia depende a su vez, del porcentaje de conversión de reactantes en productos y que una vez formados estos, puedan escapar de la acción destructiva de la fuente.   

De acuerdo a la hipótesis de Oparin-Haldane, los organismos vivos surgieron naturalmente sobre la Tierra primitiva a través de procesos de evolución química de la materia orgánica.  En este proceso, el flujo de energía a través del ambiente prebiótico transformó las moléculas simples en compuestas biológicos complejos. Con el tiempo, estos compuestos fueron los precursores de las proteínas, ácidos nucleicos y otros compuestos bioquímicos. Otras de las grandes contribuciones de Oparin fue el proponer que los primeros organismos fueron heterótrofos, esto es, utilizaban compuestos orgánicos producidos en forma abiótica y disponible en el ambiente para sobrevivir. Haldane (1928) propuso la idea de la “sopa primitiva”.  Ellos propusieron que la Tierra primitiva tendría una atmósfera reductora compuesta de metano, amoniaco, vapor de agua, un pH básico y temperatura moderada. Esto fue necesario para la acumulación de compuestos orgánicos. 

Otros investigadores propusieron diferentes perspectivas para este problema. Alfonso L. Herrera (1868-1942) fue un científico mexicano prominente.  Empezó sus experimentos con sustancias tales como formaldehído y tiocianato de amonio. A estos estudios les conoce como “teoría sulfociánica sobre el origen de la vida”. Estos experimentos, después de unas décadas han cobrado importancia, ya que representan la síntesis abiótica de aminoácidos conteniendo azufre (Perezgasga y col., 2004). Aunque muchas de las propuestas de Oparin–Haldane ya no son validas, son todavía relevantes para el estudio del origen de  vida. 

Simulaciones en el Laboratorio 

Mediante la simulación o recreación en el laboratorio de las condiciones que posiblemente existieron en la Tierra primitiva se intenta sintetizar compuestos importantes para la vida. Una premisa importante en este enfoque establece que las moléculas que tienen importancia en la actualidad, fueron importantes en el tiempo del origen de la vida. Tal premisa está basada en la composición molecular de la materia viva. ¿Cómo se formaron las moléculas en ambientes primigenios? El proceso por el cual se formaron es desconocido, pero se han propuestos modelos de síntesis a partir de moléculas muy simples. Los compuestos químicos pudieron formarse directamente  a través de reacciones químicas de los componentes de la atmósfera, o en etapas, a través de intermediarios reactivos. Estos compuestos se condensaron ya sea en ambientes acuosos o más probablemente en la superficie de sedimentos. También se ha propuesto que las moléculas orgánicas llegaron a la Tierra por cometas y meteoritos. La síntesis de polímeros, en donde se requiere eliminar una molécula de agua por cada etapa de condensación entre dos monómeros, no es favorable energéticamente en  un medio acuoso y requiere de una aportación de energía.  

S. Miller y H. Urey de la Universidad de Chicago realizaron uno de los primeros experimentos en este campo en 1953, abriendo así el área de química prebiótica. El aparato diseñado para este experimento contenía metano, amoniaco, hidrógeno y agua, a los cuales se les pasaban una descarga eléctrica. Varias sustancias se habían sintetizado, entre las cuales estaban los aminoácidos, ácidos grasos simples y urea. Aunque en la actualidad la existencia de la atmósfera reducida propuesta por Urey y Miller está refutada, esos experimentos abrieron las puertas a decenas de investigadores que tomaron un curso semejante y realizaron experimentos análogos, usando diferentes fuentes de energía, tales como calor, luz ultravioleta radiación ionizante, etc. En la figura 1 se presenta el aparato usado por Ponnamperuma para este tipo de síntesis. Todos estos nuevos tipos de experimentación y simulación de condiciones prebiológicas han producido muchas de las moléculas esenciales para la vida, tales como los aminoácidos, purinas, pirimidinas, hidrocarburos, etc.  

Figura 1. Aparato utilizado por Ponnamperuma y que simula la acción de los relámpagos en una atmósfera primitiva de metano, vapor de agua y amoníaco

La investigación de la formación de polipéptidos se inicio inmediatamente después de que se estableció la formación de aminoácidos en experimentos de síntesis abiótica. El problema fundamental es la condensación de dos aminoácidos liberando una molécula de agua para formar un enlace covalente entre ellos, el enlace peptídico. Esta reacción no está favorecida en un medio acuoso y se han propuesto diferentes mecanismos de condensación que incluyen el uso de agentes condensantes como la cianamida (H2N-CN), monómeros “activados”, polifosfatos y en particular el uso de minerales arcillosos (Negrón-Mendoza y Ramos-Bernal, 2004). Fox y Dose (1977) han obtenido oligómeros hasta de 4000 unidades atómicas de masa (uma) calentando mezclas de aminoácidos anhidros en presencia de excesos de aminoácidos como lisina, ácido aspártico o glutámico. Entre los principales problemas que se han presentado en la síntesis de este grupo de moléculas destaca que no todos los enlaces son de tipo peptídico. 

La formación de biopolímeros también se ha    estudiado por medios teóricos. El fenómeno de polimerización asociado a la vida requiere que este proceso sea altamente sesgado, i.e. no sujeto al azar puramente. De otra forma, la probabilidad de nucleación de un mínimo de oligómeros que pudieran formar un sistema vivo mínimo pudiera excluirse. Si este procesos fuera completamente al azar –es decir, sin ninguna clase de sesgo- la probabilidad de reacción entre dos clases de monómeros daría un conjunto de oligómeros sin probabilidad para poder formarlos otra vez (Mosquiera, 1988, 2000, 2002). Por ello, se requiere establecer un principio de auto-regulación,  basado en las propiedades fisicoquímicas de los reactantes y que originen una  reactividad sesgada (Fox y Dose, 1977). Así, con base a lo anterior, se han presentado modelos de polimerizaciones basados en Cadenas de Markov, que han podido reproducir datos experimentales (Mosqueira y col. 2000, 2002). 

La síntesis de polinucleótidos, que forman a los ácidos nucléicos se ha estudiado extensamente por los grupos de Orgel (Inoue y Orgel, 1982) y Ferris (Ferris y Ertem, 1992). La unidad fundamental es un nucleótido  (formado de una base nitrogenada, un azúcar y un grupo fosfato). Entre los resultados que han logrado obtener está la formación de oligómeros de 30-40 unidades,  

En estos sistemas acuosos, Bernal (1951) propuso  que en las orillas de los océanos o de los lagos, que ocasionalmente se secan y se vuelven a hidratar por las mareas altas, sería un lugar ideal para la síntesis de polímeros. Así, las moléculas orgánicas se adsorbían sobre las arcillas, ya sea en las orillas o en el fondo, y expuestas a la radiación solar y a otras fuentes de energía favorecieron la pérdida de agua y se pudieron sintetizar polímeros. Esta alternancia de secado e hidratación pudo haber sido un fenómeno natural importante en la Tierra primigenia. 

El papel de las arcillas en química prebiótica abarca desde simples absorbedores de compuestos orgánicos, catalizadores de reacciones, hasta la controvertida propuesta de que las arcillas fueron los primeros genes (Cairns-Smith, 1966). 

Algunas reacciones químicas al azar pudieron formar una variedad de compuestos orgánicos, muchos de los cuales no fueron útiles al origen de la vida.  La diversidad química improductiva se pudo limitar por efecto de fenómenos de catálisis que favorecieron las síntesis de moléculas específicas importantes para la vida, por ello, en química prebiótica es muy importante buscar esquemas de síntesis con sesgo, es decir que sigan rutas preferenciales de polimerización y favorezcan la síntesis de un grupo limitado de productos (Negrón-Mendoza et al., 2003, Mosqueira et al., 2000). 

Cuellos de botella en las síntesis prebióticas 

Son indiscutibles los grandes logros en la síntesis de compuestos de importancia biológica simulando ambientes terrestres primigenios o bien bajo condiciones extraterrestres. Sin embargo, una revisión crítica de la síntesis de muchos compuestos orgánicos revela que aún se requiere de mejores rutas de síntesis, en las cuales se incrementen sustancialmente los rendimientos y con ello se pueda demostrar que fue muy probable la acumulación de esos compuestos clave para la vida en el ambiente primigenio. Así, por ejemplo, Shapiro (1988) ha cuestionado la síntesis de la ribosa, un azúcar de 5 átomos de carbono, presente en los ácidos nucleicos. Este compuesto se ha sintetizado por varias rutas, sin embargo él señala varias objeciones: 1) el rendimiento sólo representa el 1% de material original. 2) los azúcares son inestables en solución acuosa, particularmente si el pH es superior a 7 (Larralde, 1995).  Así, hay todavía varios compuestos cuya síntesis presenta algunos problemas, tales como una precaria formación; condiciones experimentales no realistas. 

Un problema fundamental en estos estudios lo constituye la formación de compuestos que son imágenes especulares no superponibles y que por ello  tienen actividad óptica. En una síntesis abiótica se formarán los dos isómeros ópticos, siendo que los sistemas biológicos son muy selectivos en el tipo de isómeros D-L presentes en las moléculas. Todavía se requiere un gran esfuerzo para salvar tales dificultades. 

La síntesis de macromoléculas como las proteínas, los polisacáridos y los ácidos nucleicos, representan un gran reto en los estudios de evolución química, dada la complejidad y especialización de estos compuestos. 

Modelos pre-celulares 

En forma paralela a la formación de estos polímeros biológicos debió llevarse a cabo la asociación de ellos, formando microsistemas con membrana que encapsularan compuestos simples y agua y además permitieran el intercambio de materia y energía. Este tipo de modelos, representa un cambio de organización de la materia y probablemente antecedió a la formación de sistemas vivos. Entre los modelos precelulares que se han estudiado están: los coacervados de Oparin (1934). Las microesferas de proteinoides (oligómeros formados al calentar mezclas de aminoácidos) de Fox (Fox y Dose, 1977), y los sulfobios y colpoides de Herrera (1930). Estos modelos posiblemente no representan a sistemas que hayan antecedido a sistemas vivos, pero son un ejemplo de organización de la materia a partir de estados más sencillos. 

Comentarios Finales 

En el año 2003 se cumplieron 50 años de la realización del experimento de Miller, inicio de la química prebiótica. En este periodo se ha logrado reunir una  gran cantidad de información sobre diferentes disciplinas que se enlazan y nos dan un panorama más probable de cómo fue la Tierra primitiva y cómo es el medio interestelar. Todo ello nos ha permitido reproducir en el laboratorio algunos pasos de la evolución química que posiblemente condujeron a la aparición de la vida en la Tierra, sin embargo, aún quedan muchos problemas sin una respuesta adecuada y todavía se requiere un gran esfuerzo para salvar tales dificultades. 

Referencias 

Bernal, J.D., The Physical Basis of Life, Routledge and Kegan Paul, Londres, 1951. 

Cairns-Smith, A.G. The Origin of life and the nature of the primitive gene, J.  Theor.  Biol. 10, 53-88, 1966. 

Ferris, J.P. y Ertem, G. Oligomerization reactions of ribonucleotides on montmorillonite: Reaction of the 5’ Phosphorimidazolide of adenosine, Science, 257, 1387-1389, 1992. 

Fox, S. W., Melius, P., y Nakashima, T., N-terminal pyroglutamyl residues in proteins and thermal peptides, In Matsubo, R, H. Yamanaka, T. (Ed.) Proceedings of the symposium on evolution of proteins molecules, Scientific Society Press, Japón, 1977. 

Fox y, S. y Dose, Molecular evolution and the origin of life, Marcel Dekker, Inc., New York, 1977. 

Gilbert, W., The ARN world, Nature, 319, 618, 1986. 

Haldane, J.B.S. Origin of Life, in: On being the right size and other essays, Oxford University Press, Oxford, 1987, p.101-112. 

Herrera, A.L., A new theory of the origin and nature of life, Science, 96, 2479, 1942. 

Inoue, T.y Orgel. L.E., A non enzymatic RNA polymerase model. Science,  219, 859-862, 1982. 

Lahav, N., Biogénesis, Oxford University Press, Londres, 1999. 

Larralde, R. Robertson, M.P. y Miller, S.L., Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 8158-60, 1995. 

Mosqueira, F.G., On the Origin of Life Event, Origins of Life and Evol. Biosphere 18, 143-156, 1988. 

Mosqueira, F.G., Ramos-Bernal, S. y Negrón-Mendoza, A. A simple model of the thermal prebiotic oligomerization of amino acids, BioSystems, 57, .67-73, 2000. 

Mosqueira, F.G., Ramos-Bernal, S.y Negrón-Mendoza, A., Biased polymers in the origin of life, BioSystems  65, .99-103, 2002. 

Negrón-Mendoza, A., Tierra primitiva y síntesis abiótica, en Homenaje a Oparin, Artis, M., Casanueva, M. Y Chávez, N, (Eds), Correspondencia, UAM, México, 1983. 

Negrón-Mendoza, A., Albarrán, G. y Ramos-Bernal, S. Clays as natural catalyst in Prebiotic Processes. In: Chemical Evolution: Physics of the Origin and Evolution of Life. (Chela-Flores, J. y Raulin, F. Eds.) Kluwer Academic Publishers, Holanda, p. 97-106, 1996. 

Oparin, A.I. El origen de la vida, Edición en español, Ediciones ELA, S.A. 1938. 

Perezgasga, L., Silva, E. Lazcano, A., y Negrón-Mendoza, A. The sulfocyanic theory on the origin of life: towards a critical reappraisal of autotrophic theory, J. Astrobiology, 2, 301, 2004. 

Cech, T.R. y Bass, B.L., Biological catalysis by RNA. Ann. Rev. Biochem. 55, 145-147, 1986. 

Shapiro, R., Prebiotic ribose synthesis: a critical analysis, Orig. Life Evol. Biosph., 18, 71-85, 1988.