¿Cómo se originaron los componentes básicos de la vida?
La pregunta ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. La Tierra primitiva estaba salpicada de charcos de agua rica en sustancias químicas: una sopa primordial. Sin embargo, de las mezclas surgieron biomoléculas que sustentaban la vida, preparando el terreno para la aparición de las primeras células.
La vida comenzó cuando se formaron dos componentes. Uno era un portador molecular (como, por ejemplo, el ADN) para transmitir y remezclar patrones genéticos. El otro componente estaba formado por proteínas, los caballos de batalla y elementos estructurales del cuerpo.
Ambas biomoléculas son muy complejas. En los seres humanos, el ADN tiene cuatro “letras” químicas diferentes llamadas nucleótidos, mientras que las proteínas están formadas por 20 tipos de aminoácidos. Los componentes tienen estructuras distintas y su creación requiere químicas ligeramente diferentes. Los productos finales deben estar en cantidades suficientes para unirlos en ADN o proteínas.
Los científicos pueden purificar los componentes en el laboratorio utilizando aditivos. Pero surge la pregunta: ¿Cómo sucedió en la Tierra primitiva?
La respuesta, sugiere el Dr. Christof Mast, investigador de la Universidad Ludwig Maximilians de Munich, pueden ser grietas en rocas como las que ocurren en los volcanes o sistemas geotérmicos que abundaban en la Tierra primitiva. Es posible que las diferencias de temperatura a lo largo de las grietas separen y concentren naturalmente los componentes de las biomoléculas, proporcionando un sistema pasivo para purificar las biomoléculas.
Inspirándose en la geología, el equipo desarrolló cámaras de flujo de calor aproximadamente del tamaño de una tarjeta bancaria, cada una de las cuales contiene minúsculas fracturas con un gradiente de temperatura. Cuando se les administra una mezcla de aminoácidos o nucleótidos (una “mezcla prebiótica”), los componentes se separan fácilmente.
Agregar más cámaras concentró aún más los químicos, incluso aquellos que tenían una estructura similar. La red de fracturas también permitió que los aminoácidos se unieran, el primer paso hacia la creación de una proteína funcional.
"Se cree que los sistemas de finas fracturas y grietas interconectadas... son omnipresentes en entornos volcánicos y geotérmicos". escribí el equipo. Al enriquecer los químicos prebióticos, tales sistemas podrían haber "proporcionado una fuerza impulsora constante para un laboratorio sobre los orígenes naturales de la vida".
Vida cervecera
Hace unos cuatro mil millones de años, la Tierra era un entorno hostil, azotado por meteoritos y plagado de erupciones volcánicas. Sin embargo, de alguna manera, en medio del caos, la química generó los primeros aminoácidos, nucleótidos, lípidos grasos y otros componentes básicos que sustentan la vida.
Cual Los procesos químicos que contribuyeron a estas moléculas son objeto de debate. Cuándo cada uno de ellos también es un enigma. Como en el problema del “huevo o la gallina”, el ADN y el ARN dirigen la creación de proteínas en las células, pero ambos portadores genéticos también requieren proteínas para replicarse.
Una teoría sugiere aniones sulfuricos, que son moléculas que abundaban en los lagos y ríos de la Tierra primitiva, podrían ser el vínculo. Generados en erupciones volcánicas, una vez disueltos en charcos de agua, pueden acelerar reacciones químicas que convierten las moléculas prebióticas en ARN. La idea, denominada hipótesis del “mundo del ARN”, sugiere que el ARN fue la primera biomolécula que apareció en la Tierra porque puede transportar información genética y acelerar algunas reacciones químicas.
Otra idea Estos impactos de meteoritos en la Tierra primitiva generaron nucleótidos, lípidos y aminoácidos simultáneamente, a través de un proceso que incluye dos sustancias químicas abundantes (una de los meteoritos y otra de la Tierra) y una pizca de luz ultravioleta.
Pero hay un problema: cada conjunto de bloques de construcción requiere una reacción química diferente. Dependiendo de ligeras diferencias en la estructura o la química, es posible que una ubicación geográfica se haya inclinado hacia un tipo de molécula prebiótica sobre otra.
¿Cómo? El nuevo estudio, publicado en Naturaleza, ofrece una respuesta.
Redes de túneles
Los experimentos de laboratorio que imitan la Tierra primitiva suelen comenzar con ingredientes bien definidos que ya han sido purificados. Los científicos también limpian los productos secundarios intermedios, especialmente en múltiples pasos de reacciones químicas.
El proceso a menudo da como resultado “concentraciones cada vez más pequeñas del producto deseado”, o incluso su creación puede inhibirse por completo, escribió el equipo. Las reacciones también requieren múltiples cámaras separadas espacialmente, que difícilmente se parecen al entorno natural de la Tierra.
El nuevo estudio se inspiró en la geología. La Tierra primitiva tenía redes complejas de grietas llenas de agua que se encuentran en una variedad de rocas en volcanes y sistemas geotérmicos. Las grietas, generadas por el sobrecalentamiento de las rocas, formaron "pajitas" naturales que potencialmente podrían filtrar una mezcla compleja de moléculas utilizando un gradiente de calor.
Cada molécula favorece una temperatura preferida en función de su tamaño y carga eléctrica. Cuando se expone a diferentes temperaturas, naturalmente avanza hacia su elección ideal. El proceso, llamado termoforesis, separa una sopa de ingredientes en múltiples capas distintas en un solo paso.
El equipo imitó una única fractura de roca delgada utilizando una cámara de flujo de calor. Aproximadamente del tamaño de una tarjeta bancaria, la cámara tenía pequeñas grietas de 170 micrómetros de ancho, aproximadamente del ancho de un cabello humano. Para crear un gradiente de temperatura, un lado de la cámara se calentó a 104 grados Fahrenheit y el otro extremo se enfrió a 77 grados Fahrenheit.
En una primera prueba, el equipo añadió a la cámara una mezcla de compuestos prebióticos que incluían aminoácidos y nucleótidos de ADN. Después de 18 horas, los componentes se separaron en capas como tiramisú. Por ejemplo, la glicina, el aminoácido más pequeño, se concentró hacia la parte superior, mientras que otros aminoácidos con mayor fuerza termoforética se adhirieron a la parte inferior. De manera similar, las letras de ADN y otras sustancias químicas que sustentan la vida también se separaron en las grietas, y algunas se enriquecieron hasta en un 45 por ciento.
Aunque prometedor, el sistema no se parecía a la Tierra primitiva, que tenía grietas altamente interconectadas de diferentes tamaños. Para imitar mejor las condiciones naturales, el equipo luego colgó tres cámaras, y la primera se ramificó en otras dos. Esto fue aproximadamente 23 veces más eficiente para enriquecer químicos prebióticos que una sola cámara.
Utilizando una simulación por computadora, el equipo modeló el comportamiento de un sistema de cámaras interconectadas de 20 por 20, utilizando un caudal realista de químicos prebióticos. Las cámaras enriquecieron aún más la bebida, con glicina enriqueciéndose más de 2,000 veces más que otros aminoácidos.
Reacciones químicas
Los ingredientes más limpios son un gran comienzo para la formación de moléculas complejas. Pero muchas reacciones químicas requieren sustancias químicas adicionales, que también deben enriquecerse. Aquí, el equipo se centró en una reacción que unía dos moléculas de glicina.
En el corazón se encuentra el trimetafosfato (TMP), que ayuda a guiar la reacción. El TMP es especialmente interesante para la química prebiótica y era escaso en la Tierra primitiva, explicó el equipo, lo que "hace que su enriquecimiento selectivo sea crítico". Una cámara única aumentó los niveles de TMP cuando se mezcló con otros productos químicos.
Utilizando una simulación por computadora, una mezcla de TMP y glicina aumentó el producto final (una glicina duplicada) en cinco órdenes de magnitud.
"Estos resultados muestran que las reacciones prebióticas, que de otro modo serían desafiantes, se potencian enormemente" con flujos de calor que enriquecen selectivamente sustancias químicas en diferentes regiones, escribió el equipo.
En total, probaron más de 50 moléculas prebióticas y descubrieron que las fracturas las separaban fácilmente. Debido a que cada grieta puede tener una mezcla diferente de moléculas, podría explicar el surgimiento de múltiples bloques de construcción que sustentan la vida.
Aún así, sigue siendo un misterio cómo se unieron los componentes básicos de la vida para formar organismos. Los flujos de calor y las fisuras de las rocas probablemente sean sólo una pieza del rompecabezas. La prueba definitiva será ver si estos prebióticos purificados se unen para formar una célula y cómo.
Crédito de la imagen: Christof B. Mast
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