Evolución química.

 

Indice.

Antecedentes del experimento.

Aspectos más destacados en la síntesis orgánica, en relación con las teorías del origen de la vida.

La atmósfera primitiva.

Los experimentos de Miller-Urey .

Introducción.

Cómo comenzó la vida en la Tierra primitiva? Sabemos hoy en día, que la vida es impulsada por leyes de la química y la física universales. Mediante la aplicación de estas leyes en los últimos cincuenta años, se ha avanzado en la comprensión de los mecanismos moleculares que son los fundamentos de los seres vivos.

Por ejemplo, hace sólo una década, el primer genoma humano fue publicado con  tres mil millones de pares de bases. Utilizando los datos de difracción de rayos X de los cristales, podemos ver como una molécula de enzima, que son proteínas que catalizan reacciones químicas, o un centro de reacción fotosintética, realizan a través de diferentes pasos su función catalítica. Incluso podemos visualizar un ribosoma, el centro de toda la vida, traducir la información genética en una proteína. Y estamos empezando a entender cómo las moléculas interaccionan regulando miles de reacciones simultáneas que se producen de forma continua, incluso en las formas más simples de la vida.

Hay un gran número de científicos con ideas interesantes que explican cómo la vida pudo haberse originado en la tierra, pero es muy poco lo que sabemos a ciencia cierta. Nuevas hipótesis se están proponiendo constantemente y las ideas antiguas se reevalúan.

Recientes fotografías tomadas por el Hubble el telescopio espacial han reavivado la controversia acerca de la edad de el universo, parece evidente que la Tierra misma se formó alrededor de hace 4600 millones de años. Esta la clara evidencia de la antigüedad en los microfósiles, vida en las antiguas rocas con 3500 millones de años de antigüedad. El origen de la vida parece haber tomado la combinación justa de eventos físicos y procesos químicos. La siguiente foto mostraría un microfósil, pero su origen es tema de discusión por parte de la comunidad científica,

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Nota: Pilbara es una region de Australia Occidental, ubicada en el noroeste .

Los experimentos de Miller-Urey .

Muy pocos experimentos químicos dieron lugar a tanta publicidad como la primera síntesis de biomoléculas en condiciones prebióticas llevadas a cabo por el estudiante de doctorado Stanley Miller en la Universidad de Chicago hace más de 50 años. Este experimento es probablemente tan conocido como la síntesis de la urea de Wohler.

El director de tesis de Miller, Harold Urey, ganador del Premio Nobel en 1934, había sugerido a Miller que simulara una atmósfera reductora, que era la atmósfera primitiva que envolvía la tierra hace unos 4000 millones de años y que tuvo lugar a partir del origen de la Tierra, por el enfriamiento de la misma en sus inicios.

Cuando la corteza terrestre empezó a solidificarse y comenzó a emitir gases ricos en CO2 : dióxido de carbono, N2: nitrógeno molecular , H2S: sulfuro de hidrógeno, NH3: amoníaco , CH4: metano , originaron lo que se conoce como atmósfera primitiva, que era reductora, es decir, sin oxigeno.

La primitiva de la Tierra ,como es requerido por la hipótesis de Oparin-Haldane, era sometida a las descargas eléctricas y el experimento tenia como meta, ver qué ocurría. Urey aparentemente esperaba que un experimento de este tipo daría lugar a una gran variedad de compuestos orgánicos. Asombrosamente, los productos resultantes no eran una mezcla aleatoria de moléculas orgánicas, pero más bien una parte pequeña en número estaba formada de compuestos importantes para la  bioquímica, tales como aminoácidos, hidroxiácido y urea. Con la publicación de estos dramáticos resultados, el estudio moderno del origen de la vida comenzó.

Antecedentes del experimento.

El primer reto que afronto Miller, fue diseñar un aparato para el experimento. Con la mezcla de agua y gases que Urey quería que Miller utilizara, era poco probable obtener algo interesante.

Debía utilizar algún tipo de fuente de alta energía para inducir cambios químicos, Miller sabía que los químicos habían estado experimentando con chispas eléctricas en mezclas de gases, este método fue usado en el siglo 18 por Lord Cavendish, que mostró que la acción de una descarga de chispa en el aire resultaba en la producción de ácido nitroso (Cavendish, 1788). El siguiente dibujo refleja el experimento de Cavendish, la idea era atrapar el gas entre dos electrodos conductores, en este caso de mercurio y conectar los mismos a un generador de alta tensión,

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 Parecía que nadie había pensado acerca de cómo esto podría relacionarse con la síntesis prebiótica y el origen de la vida, Miller pensó que este tipo de fuente de energía fuera común en la Tierra primitiva.

La atmósfera, en esa epoca debia haber sido objeto de descargas de rayos junto con descargas corona, lo mismo que las erupciones volcánicas que debian existir en la Tierra primitiva. En el laboratorio una descarga de chispa para ser utilizada en la simulación de este proceso podría hacerse  mediante el uso de una Bobina de Tesla.

El aparato de Miller y Urey, fue diseñado para simular el océano y la atmósfera en la Tierra primitiva. Esta configuración del aparato, fue muy difundida en los experimentos originales  y es el más conocido en la actualidad. El aparato consistía en dos frascos de vidrio conectados por un tubo de vidrio. Un matraz contenía agua, mientras que el otro, basandose en el experimento de Cavendish, tenía electrodos y contenía gases de metano, amoniaco, hidrógeno, la mayor parte del de la gas amoníaco estaba disuelto en el frasco de agua durante el experimento. Un tubo conectaba directamente el frasco de agua al matraz de gas / electrodos. El otro tubo en forma de U se conecta a los dos frascos. En la parte superior del tubo de U había un condensador que se utilizo para condensar el agua del frasco de gas, permitiendo que fluya de nuevo al frasco de agua. El vapor de agua producido por el calentamiento del frasco de agua sería como la evaporación de los océanos y que se mezclaba con los gases, lo que haría era imitar una atmósfera primitiva saturada de vapor de agua. El condensador devolvia los compuestos producido en la fase de gas de nuevo al agua, al igual que el transporte de la lluvia y el caudal de los ríos al océano

 

A continuación se presenta el dibujo del sistema utilizado por Miller,

 

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Miller uso una mezcla de metano, amoníaco, agua e hidrógeno y proporcionó al sistema con suficiente energía para hacer posible reacciones de síntesis sometiéndola a las descargas eléctricas. Sus experimentos tuvieron éxito después de haber hecho varios modificaciones en el aparato. Aparte de unas pocas moléculas orgánicas simples, la lista de moleculas obtenidas por Miller se pueden consultar en el dibujo representado mas adelante en este documento.

El siguiente dibujo es una representacion esquematica de lo dicho,

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Se formaron las especies, algunas de las cuales eran de importancia bioquímica. Los resultados se publicaron en la revista Science bajo el título "La Producción de Aminoácidos en las Primitivas condiciones de la Tierra "(Miller, 1953). Estos experimentos proporcionaron la primera prueba de que la cuestión del origen de la vida un problema científico que puede ser abordado y posiblemente resuelto mediante el uso de la metodología científica. Varios institutos de todo el mundo empezaron inmediatamente a llevar a cabo experimentos en la química prebiótica. En este punto, tenemos que darnos cuenta de que la síntesis prebiótica de bloques de construcción de proteínas es sólo un primer paso hacia la solución del problema de la biogénesis. En pocas palabras, se trata de un método para la fabricación de los ladrillos, que luego serán utilizados en la construcción de un edificio de varios pisos de la vida.

Durante el curso del trabajo de tesis de Miller, construyo otros dos aparatos, uno de ellos referido como el aparato volcánico, que tenia una boquilla de aspiración, una bomba Venturi o bomba de vacío tipo Venturi, que lo unía al matraz que contiene agua, inyectaba un chorro de vapor y gas, los productos obtenidos después del condensador en la chispa, posiblemente imitando un vapor de un volcán.תיאור: http://82.166.171.228:8080/publicaciones/evolucion_quimica/9.png

 

 

Los resultados del experimento de Miller-Urey.

Para llevar a cabo su experimento, se creo una atmósfera reductora rica en hidrógeno y se excluyo al gas oxígeno, esta atmósfera se introdujo en agua líquida, la cual habría estado presente en la orilla del mar, se mantuvo esta mezcla a una temperatura algo por debajo de 100 ° C y mediante chispas se simularon los rayos atmosfericos.

Se encontro que dentro de una semana, 15% del carbono originalmente presente como gas metano (CH4) se había convertido en otros compuestos de carbono simples. Entre estos compuestos fueron los formaldehídos (CH2O) y el cianuro de hidrógeno (HCN). Estos compuestos se combinan para formar moléculas sencillas, tales como el ácido fórmico (HCOOH) y la urea(NH2CONH2) y moléculas más complejas que contienen enlaces carbono-carbono, incluyendo los aminoácidos glicina y alanina.

Es asombroso que esta breve lista incluye dos aminoácidos que forman la proteína, incluso si estos son los más simple. Poco después de la publicación de Miller, se hicieron preguntas sobre el mecanismo que condujo a estos productos. Aunque los experimentos de Miller-Urey de 1953 son sólo de interés histórico hoy en día, marcan el comienzo de la química prebiótica y la investigación moderna de la biogénesis.

Moleculas obtenidas durante el experimento.

El siguiente dibujo representa los productos formados en el experimento de Miller-Urey, a partir de moléculas simples y su interacción con la energía,

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Evolución química.

El término "evolución química" fue presentado por  Melvin Calvin en 1960 [ 1 ] y se refiere al proceso de la síntesis bioquímica de moléculas pequeñas y de ciertos elementos químicos bajo la hipotética condiciones presentes en la Tierra prebiótica. Se supone que los componentes más pequeños se formaron en bloques de moléculas, tales como aminoácidos, ácidos grasos o nucleobases inicialmente y que éstas se sometieron a policondensación para dar macromoléculas en etapas de desarrollo posteriores.

La idea de Calvin era que la síntesis de moléculas orgánicas relativamente complejas mediante la ionización y mecanismos de radicales, inducidas por radiaciones de alta energía, radiación ultravioleta y luz de descarga, a partir de metano, amoníaco, agua y el hidrógeno .

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Las moléculas que tienden a formarse bajo tales condiciones aleatorias ,estos son los bloques que formaria la materia orgánica biológica. Dichas moléculas son los aminoácidos, el simple carboxílico e hidroxiácidos, las purinas, las pirimidinas.

La aparición de orden entre tales moléculas al azar es inducida por dos fuerzas, a saber, la autocatálisis y la cristalización. Esto último es particularmente presagio de la aparición de estructuras macromoleculares altamente eficientes y arreglos que son tan características de los organismos vivos hoy en día.

La atmósfera primitiva.

Se tienen razones para suponer que la Tierra primitiva tenía en su superficie, moléculas orgánicas simples, solamente. Si se trataba de una atmósfera reductora , la mayor parte del carbono estaba en gran parte en forma de metano o monóxido de carbón, , el nitrógeno era en su mayoría en forma de amoníaco, había mucho hidrógeno y el oxígeno formaba parte del agua. Estas eran probablemente, las moléculas en la Tierra primitiva y de estos hay que idear una manera de construir las moléculas más compleja. Fue en este punto que se empezo a buscar formas experimentales para hacer esto en el laboratorio.

Las moléculas de las cuales los primeros sistemas vivos en la Tierra primigenia se desarrollaron podría haber tenido varios orígenes: las moléculas pudieron haber sido sintetizado en la atmósfera, la hidrosfera o en la litosfera de la Tierra joven a partir de especies tales como CO, CO2, CH4, H2O, N2 y NH3 (síntesis endógena). Las moléculas pueden no haber sido formado en la Tierra, pero llevado allí desde el el espacio (desde dentro o desde fuera del sistema solar) por meteoritos o cometas(síntesis exógena). O tal vez hubo una combinación de los dos: desde el espacio exterior y ser sometidas a reacciones adicionales en la Tierra.

Los aminoácidos son la bloques basicos para la formación de proteínas y las mismas son uno de los principales tipos de moléculas de las que se componen organismos.

En experimentos similares realizados posteriormente por otros científicos, se identificaron más de 30 compuestos de carbono diferentes, incluyendo los aminoácidos glicina, alanina, ácido glutámico, valina, prolina y ácido aspártico. Otras moléculas biológicamente importantes también se formaron en estos experimentos, por ejemplo el cianuro de hidrógeno que contribuye a la producción de moléculas en forma de anillo complejo llamado adenina, una de las bases que se encuentran en el ADN y el ARN, moléculas que son importantes para la vida, las que pudieron haberse formado en la atmosfera de la tierra primitiva.

El Camino de la Evolución Química.

El ARN, la molécula precursora de la vida.

Existen diferentes ideas acerca de la hipótesis del “mundo del ARN”, las que proponen que el ARN fue la primera forma de vida, la cual desarrollo una membrana celular a su alrededor y luego se convirtio en la célula procariota. El cientifico que más aporte hizo con la idea del “mundo del ARN “,fue Walter Gilbert en 1986, según esta hipótesis, el ARN habría formado primero, debido al encadenamiento de los nucleótidos y  habría actuado en las células primitivas, como el papel del ADN y el de las proteínas, debido en particular a que posee una actividad catálica, este denominado catalizador, tiene la capacidad de acelerar o disminuir una reacción. A continuacion en las células más evolucionadas el ADN, químicamente más estable que el ARN , conserva a la información genética y la actividad catálica se transfiere a todas a las proteínas.

Aspectos más destacados en la síntesis orgánica, en relación con las teorías del origen de la vida.

A comienzos del siglo 20, muchos cientificos tuvieron la idea de seres primordiales dotados como un tipo planta autótrofos), con un metabolismo que les permitiría utilizar CO2 como fuente de carbono celular.

Los seres autotrofo o autógrafos son organismos que pueden sintetizar las sustancias esenciales para su desarrollo, utilizando sustancias inorgánicas, con ello no necesitan de otros seres vivos para su nutrición y la palabra autógrafo es de origen griego y su significado es que se alimenta por sí mismo.

Sin embargo, algunos científicos, incluyendo a Oparin, John Burdon Sanderson Haldane, C. B. Lipman y Harvey, tenian ideas diferentes, la propuesta más conocida fue la de Oparin, que propuso una serie de eventos de la síntesis y la acumulación de compuestos orgánica para formas de vida primordial ( primigenio, primario, prebiotica) cuya mantenimiento y reproducción dependen de fuentes externas de carbono reducido. La hipótesis de un origen abiótico de compuestos orgánicos descansaban sobre una base firme, en biología, la palabra abiótico es aquello que no es biótico, no es el resultado de los seres vivos.

En 1828, F. Wöhler obtuvo la primera síntesis química de una molecula orgánica urea, a partir de moleculas inorgánica cianato de plata y cloruro amonio. Después de una gran cantidad de investigaciones sobre la síntesis de compuestos orgánicos simples acumulados en el siglo 19 (ver la figura de abajo), en 1913 W. Löb logra las síntesis químicas de aminoácidos simples, tales como la glicina, mediante la exposición de formamida húmeda a una descarga eléctrica y a la luz ultravioleta .

 

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Referencias.

[ 1 ] Origin of life on earth and elsewhere. by Melvin Calvin. Calvin, Melvin

Eduardo Ghershman, 27.5.2016