El experimento Miller-Urey y nuevas claves para el origen de la vida

La abiogénesis y la teoría de la generación espontánea

Francesco Redi

Francesco Redi

La teoría de la abiogénesis, que dice que la vida puede proceder de lo que no está vivo, es una muy antigua. Sin embargo, por milenios solamente se favoreció una variante de esta:  la teoría de la generación espontánea. Desde la época de Aristóteles se pensaba que la vida podía brotar espontáneamente de lo que cosas inertes. Durante el Renacimiento, obtuvo un nuevo auge ante evidencia que parecía indicar que esta teoría era correcta. Por ejemplo, si se colocaba carne podrida a la interperie, en un momento dado saldrían larvas de moscas de su interior.

Un científico italiano llamado Francesco Redi puso esa aserción en duda porque pensaba que probablemente la carne podrida atraía a las moscas para dejar huevecillos. Posteriormente, las larvas saldrían de los huevos creando la impresión de que de la carne podrida se originaban las moscas. Así que diseñó un experimento para poner su hipótesis a prueba. Colocó pedazos de carne podrida en una serie de frascos abiertos y otros en frascos cerrados. Efectivamente, los de los cerrados no llegaron a tener larvas de moscas.

El experimento de generación espontéanea

El experimento de generación espontánea. Imagen de Daniele Pugliesi. CC-BY-SA 3.0 Unported.

Aun con ello, Redi todavía mantenía abierta la posibilidad de que los microorganismos se originaran espontáneamente de materia inerte.

Esta convicción mantenida por siglos, fue finalmente refutada por el gran biólogo del siglo XIX, Louis Pasteur. Este reconocido autor del proceso de la pasteurización de la leche creó un tipo de frasco peculiar llamado “frasco del cuello de cisne”.

Frasco de cuello de cisne

Frasco de cuello de cisne – por Yassine Mrabet y disponible bajo la GNU FDL 1.2+.

La idea es que tras hervir la sustancia que se encontraba en el interior, esta no podría entrar en contacto con microorganismos que estarían atascados en el cuello del frasco. Se pudo demostrar que efectivamente que la sopa inerte no producía microorganismos, por lo que dejó refutada de una vez la teoría de la generación espontánea aun a niveles microscópicos. Así que Pasteur propuso la siguiente ley para la biología: los organismos vivos solo pueden proceder de otros organismos vivos.

Retrato de Charles Darwin

Retrato de Charles Darwin

Sin embargo, eso no significa que la noción de abiogénesis desapareció. Al contrario, Charles Darwin y Alfred Russell Wallace) descubrieron cómo evolucionaban los seres vivos mediante selección natural, en un proceso al que se describe no por el término “evolución” sino más apropiadamente por el de “descendencia con modificación“. Esta propuesta apareció en un abstracto extenso llamado El origen de las especies (1859) por Darwin y en un ensayo de Wallace titulado “Sobre la tendencia de variedades de apartarse indefinidamente de su tipo original”. Ambos pudieron explicar parcialmente el hecho de que las especies se originaran de grupos previos que eventualmente sufrieron unas modificaciones que le llevaban a su supervivencia. Dado a factores ambientales, variantes fenotípicas, migración, entre otros, de un grupo salen dos o más especies. Muchos de los cambios fenotípicos que tienen los organismos pueden producir unas nuevas funciones dadas bajo unas circunstancias específicas: un proceso que hoy se conoce con el término “exaptación”. Es decir, todas nuestras características físicas fueron desarrollándose paso a paso de órganos que combinados asumen funciones nuevas, dentro de un proceso que tomó miles de millones de años.

Dado este fenómeno, se puede explicar perfectamente bien cómo unos seres vivos proceden de otros, algo consistente con la ley propuesta por Pasteur. Sin embargo, Darwin especulaba si era posible la existencia de alguna serie de combinaciones químicas que paso a paso hicieron que emergieran los primeros organismos, de manera muy similar al de descendencia con modificación (Miller & Lazcano, 2002, p. 78).

Aleksandr Oparin, J. B. S. Haldane, Stanley Miller y Harold C. Urey

En la Unión Soviética, durante los años 20, un científico llamado Aleksandr Oparin formuló la famosa teoría de la “sopa primordial”. Por cierto, él no fue el único en hacerlo, porque J. B. S. Haldane también la formuló de manera más refinada y aparte de Oparin y basándose en la observación de Darwin. De acuerdo con su visión, no hay tal cosa como una “división” tajante entre los procesos químicos y los seres vivos. Ambos investigadores postulaban que en el pasado hubo un a combinación de sustancias químicas que hicieron posible la gradual (no espontánea) aparición de la vida por primera vez en el planeta Tierra. Esta combinación de químicos primordiales incluían el agua, diversas formas de energía (la radiactiva, la eléctrica, entre otras) y cuya dinámica posibilitaba que se formaran moléculas cada vez más complejas, hasta que hubiera un sistema químico que, paso por paso, originaría el primer ser vivo simple. A esto se le conoció como la hipótesis Oparin-Haldane.

Durante los años 50, fueron Stanley Miller y Harold C. Urey (su profesor) los primeros que llevaron a cabo un experimento para poner a prueba esta hipótesis.

Experimento Miller-Urey

Experimento Miller-Urey. (c) 2017, Pedro M. Rosario Barbosa. Derivado del dibujo de Carny de Wikimedia Commons. CC-BY-SA 2.5.

Crearon un aparato que simulaba, dentro de sus obvios límites, la dinámica que se presumiblemente se daba en la Tierra para forjar las moléculas dadoras de vida. En un frasco se simulaba el agua (H2O) del océano primordial, cuyo vapor circularía y se combinaría con hidrógeno (H2), amoníaco (NH3) y metano (CH4). Se aplicaba energía mediante electricidad y calor para simular la radiación y la electricidad que muy probablemente tuvieron lugar durante ese proceso. Lo que buscaban Stanley y Urey era poner a prueba la primera etapa de la hipótesis Oparin-Heldane, a saber, que de estas moléculas simples del océano primordial surgirían moléculas más complejas.

Stanley Miller (1999)

Stanley Miller (1999)

Al pasar una semana solamente, ya se habían producido moléculas más complejas, muchas de ellas aminoácidos, que son los componentes de las proteínas, los bloques de construcción de la vida como la conocemos. Los resultados sorprendieron a los bioquímicos, dado el hecho de que se solía pensar que los aminoácidos solo podían formarse en los seres vivos. Ahora se podía constatar que tal proceso es perfectamente posible por procesos que involucran sustancias que actúan por la mera interacción energética y molecular.

No obstante este gran paso para la historia de la ciencia, los componentes químicos no parecían ser lo suficiente para generar la vida en un periodo de tiempo.  Aun así, mayores estudios de nuestro sistema solar han provisto algunas pistas que señalan con optimismo otros elementos que pudieron haber contribuido a la formación de moléculas orgánicas más complejas, tal vez a una rapidez mucho mayor que las previstas por la hipótesis Oparin-Haldane.

Por ejemplo, la manera en que los planetas orbitan alrededor del sol y que giran sobre su propio eje parecen indicar que las primeras etapas de la formación de nuestro Sistema Solar eran bastante violentas. Una Tierra primitiva debió haber recibido constantes bombardeos de meteoros y cometas por todos lados, además de erupciones volcánicas de su interior que pudieron hacer que emergieran moléculas orgánicas, entre varios otros acontecimientos. Un ejemplo de la violencia que sufrio nuestro planeta son las indicaciones de que la luna se pudo haber formado debido a la colisión de la Tierra con otro planeta del tamaño de Marte (Canup, 2012).

Jennifer Blank

Jennifer Blank (Foto cortesía de la NASA)

Ahora bien, intuitivamente veríamos todo el proceso violento como puramente destructivo. Uno podría decir que a tal nivel, parecería que de la sopa orgánica producida por el experimento Miller-Urey no se habrían producido moléculas más complejas. Sabemos mediante varios descubrimientos a partir de los estudios de meteoros, cometas y polvo cósmico, que nuestro Sistema Solar está repleto de azúcares, lípidos y muchos tipos de materia orgánica, algunas que pudieron haber aparecido en la Tierra gracias a dichas colisiones. Pues, la científica, Jennifer G. Blank, diseñó un experimento que puso esa hipótesis a prueba. Tomó exactamente un producto orgánico que mezclaba a cinco de los aminoácidos más comunes que pueden encontrarse en cualquier ser viviente y lo mantuvo bajo continua colisión con una especie de rifle cuyas “balas” contenían unos químicos orgánicos que podemos encontrar en cometas. Dicho químico chocaba violentamente con los aminoácidos. ¿El resultado? Aminoácidos, moléculas orgánicas sencillas y unas mucho más complejas, los péptidos (algunos de los cuales juegan un rol importante para la vida en la Tierra). Pueden conocer más sobre los experimentos con este folleto.

Obviamente, experimentos como los que hemos mencionado son un una ínfima parte de todos aquellos dirigidos al tema de la abiogénesis. La búsqueda por esa “sopa primordial” y las condiciones que posibilitaron el origen de la vida continúan. Todavía no hemos llegado al final de nuestro relato.

El mundo ARN

ARN

Molécula de ARN

Más allá de lo que hemos expuesto, los científicos en general especulan sobre cuál tipo de mundo pudo haber originado la vida. Sin embargo, la siguiente pregunta es cómo comenzó la vida. Según una hipótesis altamente favorecida, se piensa que lo que la pudo haber iniciado fue la formación del primer replicante. Sin algo que se replique, es imposible que se comenzara el proceso evolutivo. El mejor candidato a ello es lo que se conoce como el ácido ribonucleico (ARN). Su molécula se halla en nuestras células y es la principal responsable de enviar la información determinada por el ácido desoxirribonucleico (ADN) para la síntesis de proteínas en los ribosomas. A esta molécula emisaria se le conoce como ARN-mensajero o ARNm. También persiste el ARN en otros lugares, no solo en organismos vivos, sino también en virus, cuya inserción en nuestras células puede causar estragos.

¿Pudo la sopa primordial producir este primer replicante?

Descubrimiento reciente

Hace unas semanas atrás, la Proceedings for the National Academy of Sciences (PNAS) dio a conocer con antelación a la publicación del estudio, un artículo en el que se reporta que algunos científicos checkos examinaron los resultados químicos del experimento Miller-Urey y, para su sorpresa incluye también las moléculas nucleobases del ARN: uracil, citocina, adenina y guanina (Ferus et al, 2017). Este descubrimiento es uno de los más grandes pasos en cuanto a la comprensión del origen de la vida en la Tierra.

Todo parece indicar que no es tan difícil que emergiera la vida terrestre como mucha gente se imagina.

Bibliografía

Berche, P. (2012). Louis Pasteur, from crystals of life to vaccination. Clinical Microbiology and Infection, 18, s5, 1–6. doi: 10.1111/j.1469-0691.2012.03945.x.

Canup, R. M. (17 de octubre de 2012). Forming a moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science, 1226073. doi: 10.1126/science.1226073.

Darwin, C. (2001). On the origin of species. Pennsylvania: The Pennsylvania State University.

Ferus, M., et al. (10 de abril de 2017). Formation of nucleobases in a Miller–Urey reducing atmosphere. Proceedings in the National Academy of Science (PNAS). Recuperado de  http://www.pnas.org/content/early/2017/04/04/1700010114. doi:  10.1073/pnas.1700010114/-/DCSupplemental.

Miller, S. (15 de mayo de 1953). A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science, 117, 3046, 528-529. doi: 10.1126/science.117.3046.528. PMID: 13056598.

Miller, S. & Lazcano A. (2002). Formation of the Building Blocks of Life. En Schopf J. (Ed.), Life’s origin: The beginnings of biological evolution (pp. 78-112). California: University of California Press.

Ligon, B. L. (2002). Biography: Louis Pasteur: A controversial figure in a debate on scientific ethics. Seminars in Pediatric Infectious Diseases, 13, 2, 134–141. doi:  10.1053/spid.2002.125138.

Liu, B. T.,  Lomova, I. N., Blank, J. G., & Antouna, T. H. (2007). Simulation of comet impact and survivability of organic compounds. AIP Conference Proceedings 955, 1391. doi: 10.1063/1.2832985.

Oparin, A. I. (1953). The origin of life. Mineola, NY: Dover.

Redi, F. (1909). Experiments on the generation of insects. IL: Open Court.

 

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Descendencia con modificación (o ¡matemos a los simios caminantes!)

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En el curso de Principios de Ética que imparto, discuto en un momento dado la teoría de la evolución neodarwiniana con el propósito de que mis estudiantes comprendan las razones del comportamiento humano en varias esferas sociales a partir de la herencia institiva y neuronal de nuestros ancestros. Aunque la discusión es relativamente breve (no puedo dedicarle todo el curso a Darwin), quiero que se familiaricen con sus conceptos fundamentales. A pesar de ello, me enfrento constantemente a un obstáculo para que ellos entiendan los puntos básicos de la teoría.

Denme una peseta por cada ocasión que se ha utilizado esta imagen para ilustrar la evolución humana ¡y sería millonario!

Human-evolution-man

Para sorpresa de muchos, lo que voy a señalar es que esta imagen está totalmente equivocada y que está muy lejos de representar la propuesta de Charles Darwin y los evolucionistas contemporáneos. Mis pobres estudiantes tienen que tomar una prueba corta al respecto y marco la contestación mala si osan escoger esta imagen como la mejor representación de la evolución del ser humano. A fin de cuentas, es evidencia de que no leyeron el material asignado. Lo sé. ¡Soy terrible!
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Lo que realmente sostenía Darwin

Contrario a lo que mucha gente esperaría, Darwin no fue el primero en idear la noción de “evolución”. Al contrario, para principios del siglo XIX, ya varios naturalistas y clérigos del Imperio Británico habían llegado a la conclusión de que la Tierra era mucho más antigua que los 8,000 años postulados por la información bíblica. Todo parecía indicar más allá de toda duda una edad terrestre mayor a la de cien mil años, tal vez millones de años. Dado este problema, los naturalistas pudieron ver con claridad que la Tierra “evolucionaba”. Los estratos geológicos mostraban claras señales de cambios geomorfológicos a través de un lento, pero larguísimo periodo de tiempo.

¿Qué hay entonces del origen de la vida? Otro problema al que se enfrentaban los naturalistas no era meramente señales de cambio geomorfológicos, sino también de diversas especies extintas que correspondían a las capas geológicas en cuestión. Claramente, los organismos evolucionaron, pero –y aquí está el detalle– nadie conocía el mecanismo de cambio gradual a través del tiempo. Además, el estudio taxonómico de dichos animales extintos llevaron poco a poco a la conclusión de que los seres vivos del presente provenían de los que existieron en el pasado. Este tema era obviamente un tabú en el ámbito cristiano y victoriano del Imperio Británico. No obstante ello, los naturalistas no se desalentaron al buscar las causas de dicho cambio.

Uno de los investigadores más destacados y brillantes del siglo XIX fue Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) quien desarrolló una teoría de herencia de características adquiridas a la que hoy conocemos como “lamarckismo”.  Esta proponía que ciertas características se heredaban en la medida que fueran más útiles para la vida de un organismo en un ambiente dado y que la próxima generación podía heredar. La visión lamarckiana se parece al ícono de la evolución humana (la “marcha” del mono al humano).

Árbol de especiación

Árbol de especiación por selección natural, con las palabras “I think” escritas por Darwin en su libreta (1837).

Charles Darwin no estaba convencido por esta propuesta, en gran medida porque dejaba muchos cabos sueltos. Primero, no se explicaba cómo en el proceso evolutivo se “escogían” aquellas características que fueran “útiles” para un organismo y aquellas que no. Segundo –y más al grano–, no se explicaba en lo absoluto la presencia de características inútiles en los organismos en general (insectos que tienen alas de más, el apéndice humano, entre otros). Finalmente, tampoco explicaba en absoluto la abundancia de especies relacionadas entre sí. Ya para 1837, Darwin había puesto por escrito lo que se conocería en términos técnicos como “la hipótesis de la filogénesis”. De acuerdo con su propuesta, los organismos evolucionan vía selección natural y mediante especiación: este último concepto significa el evento por el cual de una especie de organismos vivos –por razones geográficas, ambientales o de diversa índole–, a través de los años se bifurca en otras especies. Así que la propuesta de evolución no es como la de una serie “lineal” de primates que “culmina” en el ser humano. La imagen más exacta es la de un arbusto en la que el ser humano no ocupa un lugar “supremo” del proceso evolutivo, sino una ramita de ese frondosísimo arbusto. Por esta misma razón, no es preciso llamar a la teoría darwiniana “teoría de la evolución”, sino más bien “teoría de descendencia con modificación“, que es un tipo de teoría de evolución.

Charles Darwin y Alfred Russell Wallace

A la izquierda, Charles Darwin; a la derecha, Alfred Russell Wallace. Ambos son considerados los padres de la teoría de descendencia con modificación.

A pesar, de su formulación, nunca llegó a publicar su propuesta hasta que en 1858 ocurrió un incidente. Otro naturalista llamado Alfred Russell Wallace envió a Darwin un artículo con el propósito de publicación titulado “On the Tendency of Varieties to
Depart Indefinitely From the Original Type” (“Sobre la tendencia de variedades [de organismos] a divergir indefinidamente de su tipo original”), en donde proponía exactamente la teoría de descendencia con modificación. Darwin se comunicó con Wallace para dejarle saber que había llegado a la misma propuesta anteriormente y por separado. Debido a ello, Wallace invitó a Darwin a dar a conocer su perspectiva científica, lo que llevó a la publicación de un abstracto que hoy conocemos como El origen de las especies mediante la selección natural (1859).

Árbol filogenético

Árbol filogenético como aparece en El origen de las especies (1859).

Desde esta perspectiva, es erróneo lo que usualmente se dice en la calle: “Darwin propuso que el hombre desciende del chimpancé”, “Los evolucionistas creen que los hombres descienden del mono”. De hecho no. Ningún ser humano proviene del chimpancé. Lo que estipulamos los que favorecemos la teoría de descendencia por modificación es que el chimpancé y el ser humano tienen un ancestro común. Los monos actuales y los seres humanos también compartimos un ancestro común –mucho más lejano que el que compartimos con los chimpancés–.
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¿De dónde provino la famosa imagen de la evolución del hombre?

El usual ícono de la transformación del mono o simio menor al ser humano proviene de una mala comprensión de esta imagen publicada por un texto titulado The Evolution of Man publicado por Ernst Haeckel (1879).

Comparación taxonómica

Comparación taxonómica que aparece en el libro de Ernst Haeckel, The Evolution of Man (1879).

Esta ilustración de Haeckel no muestra la evolución del hombre a partir del gibbon, el orangután, el chimpancé o el gorila, sino que él la utiliza para comparar las estructuras esqueléticas entre el ser humano y el resto de los simios mayores. Esto lo utilizaba como un dato para justificar la convicción de que todos los simios mayores compartimos un ancestro en común.

Desgraciadamente, a nivel popular, esto no se comprendió bien y se tomó esta imagen como la ilustración de la evolución del ser humano a través de los años. No ayudó mucho el cabezote de la página que hace alusión al título del libro y no a la evolución del hombre per se.

Así que matemos a los simios caminantes … Lo que realmente hace la imagen es confundir al público en cuanto a la propuesta de Darwin y no permite un diálogo fructífero con aquellos que no comprenden la teoría de descendencia con modificación.

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