Evolución química

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La evolución química o evolución prebiótica  es una etapa que precedió al surgimiento de la vida [1] [2] [3] , durante la cual surgieron sustancias orgánicas prebióticas a partir de moléculas inorgánicas bajo la influencia de factores externos de energía y selección y debido al despliegue de autocontrol. -procesos de organización inherentes a todos los sistemas relativamente complejos, que, sin duda, son todas moléculas que contienen carbono .

Además, estos términos denotan la teoría del surgimiento y desarrollo de aquellas moléculas que son de fundamental importancia para el surgimiento y desarrollo de la materia viva.

Todo lo que se sabe sobre la química de la materia permite circunscribir el problema de la evolución química al marco del llamado “ chauvinismo agua-carbono ”, postulando que la vida en nuestro Universo se presenta de la única forma posible: como “ una forma de existencia de cuerpos proteicos" [4] , que es factible debido a una combinación única de propiedades de polimerización del carbono y propiedades despolarizantes de un medio acuoso en fase líquida, como condiciones necesarias y/o suficientes (?) para la aparición y el desarrollo de todas las formas de vida que conocemos. Esto implica que, al menos dentro de una biosfera formada , sólo puede haber un código de herencia común a todos los seres vivos de una biota determinada , pero queda abierta la cuestión de si existen otras biosferas fuera de la Tierra y si existen otras variantes del aparato genético. es posible.

También se desconoce cuándo y dónde comenzó la evolución química. Cualquier fecha es posible después del final del segundo ciclo de formación estelar, que ocurrió después de la condensación de los productos de las explosiones de supernovas primarias , suministrando elementos pesados ​​(con una masa atómica de más de 26) al espacio interestelar. La segunda generación de estrellas , ya con sistemas planetarios enriquecidos en elementos pesados ​​que son necesarios para la implementación de la evolución química, apareció entre 500 y 1200 millones de años después del Big Bang . Bajo ciertas condiciones bastante probables, casi cualquier entorno puede ser adecuado para lanzar la evolución química: las profundidades de los océanos, las entrañas de los planetas, sus superficies, formaciones protoplanetarias e incluso nubes de gas interestelar, lo que se confirma con la detección generalizada en el espacio. por métodos astrofísicos de muchos tipos de sustancias orgánicas: aldehídos, alcoholes, azúcares e incluso glicina (un aminoácido), que juntos pueden servir como material de partida para la evolución química, que tiene como resultado final el surgimiento de la vida .

Metodología para el estudio de la evolución química (teoría)

El estudio de la evolución química se complica por el hecho de que en la actualidad el conocimiento sobre las condiciones geoquímicas de la Tierra antigua no es suficientemente completo.

Por lo tanto, además de los datos geológicos, también están involucrados los datos astronómicos. Por lo tanto, las condiciones en Venus y Marte se consideran cercanas a las de la Tierra en varias etapas de su evolución.

Los principales datos sobre la evolución química se obtienen como resultado de experimentos modelo, durante los cuales fue posible obtener moléculas orgánicas complejas simulando diversas composiciones químicas de la atmósfera , la hidrosfera y la litosfera y las condiciones climáticas .

Sobre la base de los datos disponibles, se han propuesto una serie de hipótesis sobre los mecanismos específicos y las fuerzas impulsoras directas de la evolución química.

Abiogénesis

Abiogénesis: la formación de compuestos orgánicos comunes en la vida silvestre , fuera del cuerpo sin la participación de enzimas .

En un sentido amplio, la abiogénesis es la emergencia de los seres vivos a partir de los no vivos, es decir, la hipótesis inicial de la teoría moderna del origen de la vida . En la década de 1920, el académico A. I. Oparin sugirió que en soluciones de compuestos macromoleculares , pueden formarse espontáneamente zonas de mayor concentración , que están relativamente separadas del entorno externo y pueden mantener intercambio con él. Las llamó gotas de coacervados , o simplemente coacervados .

En 1953, Stanley Miller llevó a cabo experimentalmente la síntesis abiogénica de aminoácidos y otras sustancias orgánicas en condiciones que reproducen las condiciones de la Tierra primitiva .

También existe la teoría de los hiperciclos , según la cual las primeras manifestaciones de la vida se asociaron con los llamados hiperciclos  , complejos de reacciones catalíticas complejas, en las que el producto de cada reacción anterior es un catalizador para la siguiente.

En 2008, los biólogos estadounidenses dieron un paso importante hacia la comprensión de las etapas iniciales del origen de la vida. Consiguieron crear una “ protocélula ” con una capa de lípidos y ácidos grasos simples, capaz de extraer monofosfatos de nucleótidos activados por imidazol del medio ambiente, los “bloques de construcción” necesarios para la síntesis de ADN [5] . En 2011, científicos japoneses informaron que pudieron crear vesículas con una cubierta catiónica y elementos de ADN en su interior, capaces de dividirse como resultado de una reacción en cadena de la polimerasa que replica el ADN [6] .

Resumen del tema

Las hipótesis de evolución química deberían explicar los siguientes aspectos:

  1. La aparición en el Espacio o en la Tierra de condiciones para la síntesis autocatalítica de grandes volúmenes y una variedad significativa de moléculas que contienen carbono, es decir, la aparición en procesos abiogénicos de sustancias necesarias y suficientes para el comienzo de la evolución química.
  2. El surgimiento de agregados cerrados relativamente estables a partir de tales moléculas, lo que les permite aislarse del medio ambiente de tal manera que sea posible con él un intercambio selectivo de materia y energía, es decir, el surgimiento de ciertas estructuras protocelulares.
  3. La aparición en tales agregados de sistemas de información química capaces de autocambiarse y autorreplicarse, es decir, la aparición de unidades elementales del código hereditario.
  4. La aparición de la dependencia mutua entre las propiedades de las proteínas y las funciones de las enzimas con los portadores de información ( ARN , ADN ), es decir, la aparición del código real de la herencia, como condición necesaria ya para la evolución biológica.

Una gran contribución al esclarecimiento de estos temas, entre otros, fue realizada por los siguientes científicos:

Aún no se ha desarrollado un modelo unificado de evolución química, quizás porque aún no se han descubierto los principios subyacentes.

Preliminares

Biomoléculas

La síntesis prebiótica de compuestos complejos de moléculas se puede dividir en tres etapas sucesivas:

  1. La emergencia de compuestos orgánicos simples ( alcoholes , ácidos , compuestos heterocíclicos : purinas , pirimidinas y pirroles ) a partir de materiales abiogénicos.
  2. Síntesis de compuestos orgánicos más complejos - "biomoléculas" - representantes de las clases más comunes de metabolitos , incluidos los monómeros  - unidades estructurales de biopolímeros ( monosacáridos , aminoácidos , ácidos grasos , nucleótidos ) a partir de compuestos orgánicos simples.
  3. La aparición de biopolímeros complejos ( polisacáridos , proteínas , ácidos nucleicos ) a partir de las principales unidades estructurales: los monómeros.

Una de las preguntas es la composición química del medio en el que se realizó la síntesis prebiológica, incluyendo qué componentes inorgánicos fueron las fuentes de varios elementos que componen varios compuestos orgánicos.

Composición elemental de las biomoléculas:
C H O norte S PAGS
carbohidratos X X X
Grasas X X X X
fosfolípidos X X X X X
Ardillas X X X X X
nucleótidos X X X X X
porfirinas X X X X
Posibles fuentes inorgánicas de elementos:
forma restaurada forma oxidada
Carbono (C) Metano (CH 4 ), Monóxido de carbono (monóxido de carbono, CO) Dióxido de carbono ( CO2 )
Hidrógeno (H) Hidrógeno (H 2 ) Agua ( H2O )
Oxígeno (O) H2O _ _ Oxígeno (O 2 )
Nitrógeno (N) Amoníaco (NH 3 ) Nitratos (NO 3 - )
Azufre (S) Sulfuro de hidrógeno (H 2 S) Sulfatos (SO 4 2- )
Fósforo (P) Fosfatos (PO 4 3- )

Todas las hipótesis parten del hecho de que, además del agua y los fosfatos, en las etapas iniciales de la historia de la Tierra, solo las formas reducidas estaban presentes en cantidades suficientes en la atmósfera y la hidrosfera, que diferían de los compuestos químicos comunes en el período moderno, ya que la atmósfera antigua no contenía oxígeno molecular.

En ese momento, la radiación ultravioleta del Sol, el calor de los procesos volcánicos , la radiación ionizante de la desintegración radiactiva y las descargas eléctricas podían actuar como fuente de energía que iniciaba la síntesis . También existen teorías en las que los procesos redox entre gases volcánicos (agente reductor) y minerales sulfurados parcialmente oxidantes, por ejemplo, la pirita (FeS 2 ) pueden servir como fuente de energía necesaria para el surgimiento de biomoléculas.

Desarrollo de la atmósfera antigua

El desarrollo de la atmósfera terrestre es parte de la evolución química y, además, un elemento importante en la historia del clima. Hoy se divide en cuatro importantes etapas de desarrollo.

Al principio, tuvo lugar la formación de elementos químicos en el espacio y la aparición de la Tierra a partir de ellos, hace aproximadamente 4.560 millones de años. Presumiblemente, nuestro planeta ya muy temprano tenía una atmósfera de hidrógeno (H 2 ) y helio (He), que, sin embargo, se perdió nuevamente en el espacio exterior. Los astrónomos también parten del hecho de que debido a las temperaturas relativamente altas y los efectos del viento solar, solo una pequeña cantidad de elementos químicos ligeros (incluidos el carbono , el nitrógeno y el oxígeno ) podría permanecer en la Tierra y otros planetas cercanos al Sol. Todos estos elementos, que hoy constituyen la mayor parte de la biosfera, fueron traídos, según esta teoría, por impactos de cometas desde las partes más externas del sistema solar solo después de un largo período de tiempo, cuando los protoplanetas se enfriaron un poco. . Durante los primeros millones de años después del surgimiento del sistema solar, las colisiones con cuerpos celestes se repitieron constantemente, las colisiones causadas por ellos destruyeron los sistemas vivos formados en ese momento por esterilizaciones globales. Por lo tanto, el surgimiento de la vida podría comenzar solo después de la acumulación de agua durante mucho tiempo, al menos en las depresiones más profundas.

Con el lento enfriamiento de la Tierra, la actividad volcánica (liberación de gases desde el interior de la Tierra) y la distribución global de materiales de los cometas caídos, surgió una segunda atmósfera terrestre. Lo más probable es que consistiera en vapor de agua (H 2 O; hasta el 80 %), dióxido de carbono (CO 2 ; hasta el 20 %), sulfuro de hidrógeno (H 2 S; hasta el 7 %), amoníaco (NH 3 ) y metano (CH 4 ). El alto porcentaje de vapor de agua se explica por el hecho de que la superficie de la Tierra estaba en ese momento todavía demasiado caliente para la formación de mares. En primer lugar, pequeñas moléculas orgánicas (ácidos, alcoholes, aminoácidos) podrían formarse a partir de agua, metano y amoníaco en las condiciones de la joven Tierra, más tarde también polímeros orgánicos (polisacáridos, grasas, polipéptidos), que eran inestables en una atmósfera ácida. .

Después de que la atmósfera se enfrió por debajo del punto de ebullición del agua, comenzó un período muy largo de lluvia, que formó los océanos. La saturación de otros gases atmosféricos en relación con el vapor de agua ha aumentado. La intensa radiación ultravioleta provocó la descomposición fotoquímica del agua, el metano y el amoníaco, lo que resultó en la acumulación de dióxido de carbono y nitrógeno. Los gases ligeros, hidrógeno y helio, fueron llevados al espacio, el dióxido de carbono se disolvió en grandes cantidades en el océano, aumentando la acidez del agua. El valor del pH cayó a 4. El nitrógeno N 2 inerte y escasamente soluble se acumuló con el tiempo y formó el principal componente de la atmósfera hace unos 3.400 millones de años.

La precipitación del dióxido de carbono disuelto reaccionó con los iones metálicos (carbonatos) y el mayor desarrollo de los seres vivos que asimilaron el dióxido de carbono provocó una disminución de la concentración de CO 2 y un aumento del pH en los cuerpos de agua.

El oxígeno O 2 juega un papel importante en el desarrollo posterior de la atmósfera. Se formó con la llegada de seres vivos fotosintéticos , presumiblemente cianobacterias (algas verdeazuladas) o procariotas similares . La asimilación de dióxido de carbono por ellos condujo a una mayor disminución de la acidez, la saturación de la atmósfera con oxígeno se mantuvo aún bastante baja. La razón de esto es el uso inmediato del oxígeno disuelto en el océano para la oxidación de iones de hierro divalente y otros compuestos oxidables. Hace unos dos mil millones de años, este proceso terminó y el oxígeno comenzó a acumularse gradualmente en la atmósfera.

El oxígeno altamente reactivo oxida fácilmente las biomoléculas orgánicas susceptibles y, por lo tanto, se convierte en un factor de selección ambiental para los primeros organismos. Solo unos pocos organismos anaerobios pudieron moverse a nichos ecológicos libres de oxígeno, la otra parte desarrolló enzimas (por ejemplo, catalasas ) que hacen que el oxígeno no sea peligroso. En algunos microorganismos, estas enzimas se han convertido en enzimas de membrana complejas, las oxidasas terminales, que utilizan metabólicamente el oxígeno presente para almacenar la energía necesaria para hacer crecer sus propias células, el paso final de oxidación en la cadena de respiración aeróbica. Dependiendo del organismo, existen varias formas de oxidasas terminales, por ejemplo, quinol oxidasa o citocromo C oxidasa, que difieren en centros activos que contienen iones de cobre y hemo. Esto da razones para creer que se originaron en diferentes formas paralelas de desarrollo. En muchos casos, diferentes tipos de oxidasas terminales ocurren en el mismo organismo. Estas enzimas son las últimas de una cadena de complejos enzimáticos secuenciales que conservan la energía redox mediante la transferencia de protones o iones de sodio en forma de potencial eléctrico transmembrana. Este último es convertido nuevamente en energía química en forma de ATP por otro complejo de enzimas . La síntesis de ATP y otros componentes de la cadena respiratoria a la luz evolutiva es mucho más antigua que las oxidasas finales, puesto que ya jugaban un papel importante en muchos procesos metabólicos aeróbicos (respiración aeróbica, muchos procesos de fermentación , metanogénesis ), así como en procesos anoxigénicos. y la fotosíntesis oxigénica.

Hace mil millones de años, el contenido de oxígeno en la atmósfera cruzó la barra del uno por ciento y unos millones de años más tarde se formó la capa de ozono . El contenido de oxígeno actual del 21% se alcanzó hace solo 350 millones de años y se ha mantenido estable desde entonces.

La importancia del agua para el origen y preservación de la vida

La vida tal como la conocemos (o la definimos) requiere agua como disolvente universal . El agua tiene un conjunto de cualidades que hacen posible la vida. No hay evidencia de que la vida pueda surgir y existir independientemente del agua, y generalmente se acepta que solo la presencia de agua en la fase líquida (en un área determinada o en un planeta determinado ) hace posible la vida.

Para la síntesis de moléculas complejas y el cumplimiento de las condiciones de contorno de las reacciones autocatalíticas entre ellas (lo que brinda la posibilidad fundamental de la transición de la evolución química a la evolución de la materia viva), son importantes las siguientes características del agua:

Experimentos

Experimento Miller-Urey

Una de las hipótesis más famosas de la evolución fue publicada en los años veinte del siglo XX por el investigador ruso A. I. Oparin y el investigador británico J. Haldane. La teoría sostenía que las condiciones en la Tierra primitiva favorecían las reacciones químicas. A partir de compuestos abiogénicos de bajo peso molecular en la atmósfera y el mar, deberían haberse sintetizado compuestos orgánicos complejos. La energía necesaria era suministrada por una radiación ultravioleta muy intensa, que podía penetrar libremente en la atmósfera debido al bajo contenido de oxígeno y ozono en ella .

En 1953, esta teoría fue corroborada por los químicos Stanley Miller y Harold C. Urey con muy buenos resultados de un experimento de " sopa primordial ". Demostraron experimentalmente que en un ambiente similar a un ambiente con supuestas condiciones prebióticas, a través de la entrada de energía del exterior (rayos), a partir de compuestos abiogénicos de bajo peso molecular (agua, metano , amoníaco e hidrógeno), aminoácidos y carboxílicos y Pueden surgir ácidos grasos, uno de los bloques de construcción más importantes de las biomoléculas (además, los estudios modernos del contenido conservado de los matraces de Miller mostraron que contenían más aminoácidos de los que Miller podía detectar [9] ).

En experimentos posteriores, en la mayoría de los casos, más complejos con caldo primordial, los experimentadores pudieron obtener todos los componentes básicos más importantes de los seres vivos ( aminoácidos , grasas , azúcares , nucleótidos  ) y compuestos orgánicos más complejos ( porfinas e isoprenoides ) . ] .

Según el bioquímico Robert Shapiro , los aminoácidos sintetizados por Miller y Urey son moléculas mucho menos complejas que los nucleótidos . El más simple de esos 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas naturales tiene solo dos átomos de carbono, y 17 aminoácidos del mismo conjunto tienen seis o más. Los aminoácidos y otras moléculas sintetizadas por Miller y Urey no contenían más de tres átomos de carbono. Y los nucleótidos se obtuvieron en el curso de tales experimentos solo en 2009 [11] [12] .

Aunque esto mostró la posibilidad de la formación natural de moléculas orgánicas, estos resultados a veces son criticados hoy. En el experimento de la sopa primordial, se asumió que la atmósfera en ese momento tenía un carácter alcalino, lo que correspondía a las ideas científicas de la época. Hoy, sin embargo, se supone que la atmósfera es débilmente alcalina o incluso neutra, aunque el problema aún no se ha resuelto definitivamente y también se discuten las desviaciones químicas locales de las condiciones atmosféricas, por ejemplo, en las proximidades de los volcanes. Experimentos posteriores demostraron la posibilidad de la aparición de moléculas orgánicas incluso en estas condiciones, incluso aquellas que no resultaron en los primeros experimentos, pero en cantidades mucho más pequeñas. Esto a menudo argumenta que el origen de las moléculas orgánicas de una manera diferente jugó al menos un papel adicional. También se dan teorías sobre el origen de la materia orgánica en la vecindad de los respiraderos hidrotermales de las dorsales oceánicas .

Como argumento en contra del origen de las moléculas orgánicas del caldo primordial, a veces se cita el hecho de que durante el experimento se obtiene un racemato, es decir, una mezcla a partes iguales de las formas L y D de los aminoácidos. En consecuencia, debe haber habido un proceso natural en el que se prefiriera una determinada variante de moléculas quirales. Algunos biólogos espaciales argumentan que es más fácil probar el origen de los compuestos orgánicos en el espacio, ya que, en su opinión, los procesos fotoquímicos con radiación polarizada circularmente, como la de los púlsares, solo son capaces de destruir moléculas de cierta rotación. De hecho, las moléculas orgánicas quirales que se encuentran en los meteoritos estaban dominadas por un 9% de zurdas. Sin embargo, en 2001, Alan Saghatelian [13] demostró que los sistemas de péptidos autorreplicantes también son capaces de seleccionar eficientemente moléculas de cierta rotación en una mezcla racémica, lo que también hace posible el origen terrestre de polímeros a partir de ciertos isómeros ópticos.

Otras reacciones

A partir de los productos intermedios de aldehídos y ácido cianhídrico HCN que aparecen en el experimento de Miller-Urey, se pueden obtener más biomoléculas en condiciones simuladas de la Tierra hace 4500 millones de años. Así, Juan Oro consiguió en 1961 realizar la síntesis de la adenina :

eductos productos
2 formaldehído HCN H2O _ _ Sereno
5 formaldehído ribosa
5 HCN adenina

A partir de la ribosa, la adenina y el trifosfato, se forma el trifosfato de adenosina (ATP), que se utiliza en los organismos como portador de energía universal y elemento de construcción (como monofosfato) de los ácidos ribonucleicos (ARN). También fue posible sintetizar guanina y xantina a partir de derivados del ácido cianhídrico (HCN), agua (H2O) y amoníaco (NH3) [14] .

Intervención de minerales y rocas

Teoría de Wächterhäuser

Una forma particularmente intensa de la contribución de minerales y rocas a la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas debe tener lugar en la superficie de los minerales de sulfuro de hierro. La teoría de Miller-Urey tiene importantes limitaciones, especialmente dada la explicación errónea de la polimerización de los constituyentes monoméricos de una biomolécula.

Günther Wächterhäuser ha desarrollado un escenario alternativo desde principios de la década de 1980. Según esta teoría, la vida en la Tierra surgió en la superficie de minerales de hierro-azufre, es decir, sulfuros, que aún hoy se forman a través de procesos geológicos, y en la Tierra joven debería haber sido mucho más común. Esta teoría, en oposición a la Hipótesis del Mundo del ARN , sugiere que el metabolismo precedió a la aparición de enzimas y genes . Como lugar adecuado, se sugiere fumar negro en el fondo de los océanos, donde se presentan abundantemente alta presión, alta temperatura, falta de oxígeno y diversos compuestos que podrían servir como material de construcción de los "ladrillos de la vida" o catalizador en una cadena de reacciones químicas. La gran ventaja de esta hipótesis sobre sus predecesoras es que por primera vez la formación de biomoléculas complejas está asociada a una fuente de energía constante y fiable. La energía se libera durante la reducción de minerales de hierro y azufre parcialmente oxidados, por ejemplo, pirita (FeS 2 ), con hidrógeno (ecuación de reacción: FeS 2 + H 2 ⇆ FeS + H 2 S), y esta energía es suficiente para el endotérmico síntesis de elementos estructurales monoméricos de biomoléculas y su polimerización:

Fe 2+ + FeS 2 + H 2 ⇆ 2 FeS + 2 H + ΔG°' = −44,2 kJ/mol

Otros metales, como el hierro, también forman sulfuros insolubles. Además de esto, la pirita y otros minerales de hierro y azufre tienen una superficie cargada positivamente, en la que se pueden ubicar, concentrar y reaccionar entre sí biomoléculas predominantemente cargadas negativamente (ácidos orgánicos, ésteres fosfóricos, tioles). Las sustancias necesarias para esto (sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono y sales ferrosas) caen de la solución a la superficie de este " mundo de hierro y azufre ". Wächterhäuser se basa en los mecanismos fundamentales existentes del metabolismo para su teoría y deriva de ellos un escenario cerrado para la síntesis de moléculas orgánicas complejas (ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcar, bases nitrogenadas, grasas) a partir de compuestos abiogénicos de bajo peso molecular que se encuentran en los gases volcánicos. (NH3 , H2 , CO, CO2 , CH4 , H2S ) .

En contraste con el experimento de Miller-Urey, no hay fuentes de energía involucradas desde el exterior, en forma de rayos o radiación ultravioleta; además, las primeras etapas de síntesis a altas temperaturas y presiones son mucho más rápidas (por ejemplo, reacciones químicas catalizadas por enzimas). A temperaturas de volcanes submarinos de hasta 350 ° C, la aparición de vida es bastante concebible. Solo más tarde, con la aparición de catalizadores sensibles a altas temperaturas (vitaminas, proteínas), la evolución debería haberse producido a una temperatura más baja.

El escenario de Wächterhäuser se adapta bien a las condiciones de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas, ya que la diferencia de temperatura allí permite una distribución similar de las reacciones. Los microorganismos vivos más antiguos en la actualidad son los más resistentes al calor, el límite máximo de temperatura conocido para su crecimiento es de +122 °C. Además, los centros activos de hierro-azufre aún están involucrados en procesos bioquímicos, lo que puede indicar la participación primaria de los minerales Fe-S en el desarrollo de la vida.

Esta teoría, sin embargo, tiene una desventaja importante, que radica en el hecho de que el ferroplasma es un microorganismo aeróbico, y los metabolismos aeróbicos aparecieron evolutivamente mucho más tarde que los anaeróbicos. (ver artículo principal) .

Mundo del zinc

Junto a la hipótesis del mundo "hierro-azufre", la comunidad científica está considerando la idea del "mundo zinc", propuesta por el biofísico Armen Mulkidzhanyan [15] [16] . Se supone que los catalizadores de las reacciones químicas aquí eran sulfuro de zinc (ZnS) y sulfuro de hidrógeno (H 2 S), que obtenían energía de la radiación ultravioleta .

Por lo tanto, el nitrógeno podría reducirse a amoníaco [17] :

Y dióxido de carbono, al ácido fórmico:

El ácido fórmico y el amoníaco, formados en sulfuro de zinc, precipitan en forma de formiato de amonio HCOONH4 cuando el agua se seca. Esta sal, cuando se calienta en forma seca, pierde agua y se convierte en formamida CHONH2 . La formamida puede servir como materia prima para la síntesis de bases nitrogenadas de ARN [18] [19] . Además, debido al alto punto de ebullición (218 °C a presión normal), se acumula efectivamente en charcos de secado y en el medio de formamida, a diferencia del medio acuoso, los nucleótidos se combinan fácilmente en ARN y no se desintegran.

Además, el sulfuro de zinc es capaz de recibir excitación lumínica de nucleótidos, ARN y otras moléculas. Esto protege el ARN de la degradación UV y, al mismo tiempo, la acumulación de ARN en la superficie del mineral permite que se recopile más luz y acelera la "fotosíntesis" en ese lugar.

También a favor del "mundo del zinc" está el hecho de que el hierro está completamente ausente en las estructuras conocidas del ARN, y el zinc se encuentra con más frecuencia que otros metales de transición. En segundo lugar está el manganeso, que se comporta como el zinc. Muchas ribozimas requieren la presencia de iones metálicos para exhibir actividad catalítica. Entre estos metales, los más comunes son el magnesio, el zinc y el manganeso, mientras que el hierro nunca se encuentra [20] .

Así, el lugar más propicio para el surgimiento de la vida no son las fumarolas negras , sino los volcanes de lodo , ya que tienen [21] [22] :

Ningún otro hábitat tiene todas estas ventajas a la vez. Por ejemplo, en los "fumadores negros" no hay enriquecimiento con potasio y fósforo, ni radiación ultravioleta ni acumulación de sustancias en los charcos de evaporación. Así que las ollas de barro de los campos geotérmicos terrestres de hoy parecen ser el lugar más probable para el surgimiento de la vida.

La teoría del "zinc" también está respaldada por el hecho de que los iones de hierro escinden fácilmente el ARN uniéndose a los grupos hidroxilo 2' y 3' de la ribosa. Por lo tanto, las células almacenan el exceso de hierro en forma unida, junto con la proteína ferritina. Mientras que los iones de zinc no destruyen la molécula de ARN.

Formación de macromoléculas

Las biomacromoléculas son proteínas y ácidos nucleicos. El aumento de las cadenas moleculares (polimerización) necesita energía y se produce con la liberación de agua ( condensación ). Durante la división de macromoléculas (hidrólisis), se libera energía. Dado que el equilibrio químico está tan fuertemente desplazado hacia los monómeros que la reacción avanza termodinámicamente de manera irreversible hacia la hidrólisis de los polímeros, la síntesis de polímeros es imposible sin un suministro constante de energía. Incluso con el apoyo teórico de la evaporación del agua, la adición de sales (agua de unión) o la descomposición de los productos, el equilibrio solo se desplaza ligeramente. Como resultado, es muy probable que el surgimiento de la vida esté asociado con una fuente confiable de energía que se usaría para la polimerización.

[Monómeros] n + H 2 O n Monómeros + Calor,

pero

Energía + Monómeros [Monómeros] n + H 2 O.

El ATP se usa con mayor frecuencia como fuente de energía en bioquímica, para cuya formación se necesitan enzimas ya existentes. En las condiciones de una Tierra joven, es posible suministrar energía para la síntesis de polímeros mediante la escisión hidrolítica de los polifosfatos, que actualmente utilizan algunas enzimas en lugar de la escisión del ATP. Pero es poco probable que los polifosfatos estuvieran en la cantidad requerida, ya que podrían formarse espontáneamente, tras la evaporación de soluciones que contienen fosfato, pero también hidrolizarse relativamente rápido, disolviéndose en agua. Procesos similares podrían tener lugar en la costa con una marea alta y baja regular. Pero en este caso, todos los procesos dependientes del agua se interrumpirían constantemente, lo que ralentizaría demasiado la síntesis de compuestos complejos. Por lo tanto, pasemos a un sistema completamente diferente, en el que se lleva a cabo tanto la síntesis de componentes monoméricos como la formación de polímeros que dependen de una fuente de energía constante: reacciones redox anaeróbicas con sulfuros metálicos.

El equilibrio de la síntesis de polímeros se desplaza hacia la formación de polímeros al aumentar la concentración de monómeros y la deshidratación de los productos de reacción. La condición para esto es la restricción del medio de reacción, que tiene solo un intercambio limitado de sustancias con el ambiente externo. Tradicionalmente se creía que tales procesos tienen lugar en pequeños estanques con alta evaporación, lo que se basa en los trabajos de C. Darwin. Hoy en día, las regiones volcánicas de los océanos con sulfuros metálicos depositados por los respiraderos hidrotermales se consideran un lugar bastante adecuado para el desarrollo de tal escenario.

Otras soluciones al problema tienen severas limitaciones y son difíciles de comparar con las condiciones de la Tierra primitiva. Ventajosamente, se requiere que uno o más pasos excluyan el agua, lo cual es muy fácil de hacer en el laboratorio, pero no en el tiempo considerado en la tierra. Uno de estos sistemas es la polimerización de carbamidas (RN=C=NR) o cianógeno (N≡CC≡N) en un medio anhidro. En este caso, la condensación de los componentes iniciales se produce en paralelo con la reacción de la urea, en la que se libera la energía necesaria:

Energía + [HX-OH] + [HX-OH] [XX] + H 2 O (HX-OH = monómero como aminoácido o ribosa)

[RN \u003d C \u003d NR] + H 2 O [R-NH-CO-NH-R] + Energía (si se produce R \u003d H urea )

Con la radiación ultravioleta, el cianuro se forma a partir del ácido cianhídrico, pero en una ciénaga seca, la molécula volátil se evaporaría rápidamente. Si una mezcla seca de aminoácidos se calienta a 130 °C durante varias horas, se forman macromoléculas similares a proteínas. En presencia de polifosfatos, 60 °C es suficiente. Estas condiciones pueden formarse si el agua con aminoácidos disueltos entra en contacto con ceniza volcánica caliente.

Si la mezcla de nucleótidos se calienta en presencia de polifosfatos a 55 °C, entonces, aunque aparecen polinucleótidos, es más probable que la conexión se deba a los átomos 5' y 2'-C de la ribosa, ya que procede más fácilmente que en todos los organismos hay enlaces 5'-3' disponibles. Las cadenas dobles se forman a partir de ambos tipos de polinucleótidos (compárese con la estructura del ADN). Por supuesto, las cadenas dobles 5'-3' son más estables que las 5'-2'.

Si no hay grupo hidroxilo en el átomo de carbono 2' de la ribosa, se obtiene deoxoribosa. Ahora se pueden formar los enlaces 5'-3' típicos del ADN.

Formación de estructuras prebióticas (precursores celulares)

Las células mantienen sus funciones formando entornos separados para las reacciones químicas con el fin de separar los procesos metabólicos y eliminar las reacciones no deseadas. Esto puede crear diferencias de concentración.

Coacervados

Se sabe que al aumentar la concentración, muchos compuestos orgánicos, cuyas moléculas contienen sitios tanto hidrofílicos como hidrofóbicos , son capaces de formar micelas en soluciones acuosas , es decir, la liberación de microgotas de la fase orgánica. La micelización también se observa durante la salinización, es decir, con un aumento de la concentración de sales en soluciones coloidales de biopolímeros-polielectrolitos, mientras que se liberan microgotas con un diámetro de 1 a 500 μm, que contienen altas concentraciones de biopolímeros.

Alexander Ivanovich Oparin (1894-1980) estudió principalmente las posibilidades del metabolismo en coacervados (del latín coacervatio - coágulo o montón) - micelas modelo. Demostró que los entornos limitados con un simple intercambio de sustancias pueden surgir exclusivamente por autoorganización, siempre que estén presentes catalizadores con propiedades específicas. Dado que las sustancias utilizadas forman parte de los organismos vivos en la actualidad, los coacervados de Oparin no deben considerarse progenitores de células, sino un modelo para la aparición de tales progenitores.

Oparin investigó mezclas de proteínas (histona y albúmina), proteínas y carbohidratos (histona y goma arábiga) y proteínas y polinucleótidos (histona o lupeína y ADN o ARN).

Si las gotas de histona y goma arábiga contienen la enzima fosforilasa, entonces pueden absorber glucosa-1-fosfato del medio ambiente, crear almidón a partir de él y almacenarlo. El fosfato liberado se difunde hacia el exterior. La gota aumenta con la acumulación de almidón hasta que se rompe en pequeñas gotas, que también pueden contener fosforilasa, por supuesto, menos que la gota original. Al mismo tiempo, el metabolismo se ralentiza. Así, se hace evidente que para conservar las cualidades de la célula, es necesaria la regeneración de enzimas después de su división.

Si se añade a la suspensión la enzima amilasa que descompone el almidón, se obtienen coacervados con un metabolismo en dos etapas: 1) absorción de glucosa-1-fosfato → síntesis de almidón; 2) extracción de fosfato → descomposición del almidón y extracción de maltosa.

Microesferas

En 1970, Sydney Fox pudo confirmar que las gotas en crecimiento, las llamadas microesferas, podrían formarse a partir de productos similares a proteínas que surgen cuando se calientan mezclas secas de aminoácidos, así como por autoensamblaje. Están separados del medio ambiente por una membrana de ósmosis inversa y absorben otro material similar a proteínas del medio ambiente. Como resultado, crecen y se dividen nuevamente en gotitas más pequeñas. Con base en esto, Fox concluyó que estos sistemas tienen cualidades enzimáticas, descomponen la glucosa o se comportan como una esterasa o una peroxidasa , sin la adición de enzimas del exterior.

Mundo ARN

La hipótesis del mundo del ARN fue presentada por primera vez en 1986 por Walter Gilbert y afirmó que las moléculas de ARN eran las precursoras de los organismos.

La hipótesis se basa en la capacidad del ARN para almacenar, transmitir y reproducir información genética, así como en su capacidad para catalizar reacciones como ribozimas. En un entorno evolutivo, las moléculas de ARN que se multiplican predominantemente por sí mismas serían más comunes que otras.

El punto de partida son simples moléculas de ARN autorreplicantes. Algunos de ellos tienen la capacidad de catalizar la síntesis de proteínas, que a su vez catalizan la síntesis de ARN y su propia síntesis (el desarrollo de la traducción). Algunas moléculas de ARN están conectadas en una doble hélice de ARN, se convierten en moléculas de ADN y son portadoras de información hereditaria (desarrollo transcripcional).

La base son ciertas moléculas de ARN que pueden copiar cualquier muestra de ARN, incluidas ellas mismas. Jennifer A. Doudna y Jack B. Szostak utilizaron como plantilla para el desarrollo de este tipo de ARN que se corta y se empalma en el intrón del organismo unicelular procariótico Tetrahymena thermophila. Esto confirma que los propios ARN son moléculas catalíticas en los ribosomas y, por lo tanto, el ARN cataliza la síntesis de proteínas. Sin embargo, las limitaciones son que con el ARN autorreplicante, no los mono-, sino los oligonucleótidos son los enlaces constituyentes y se necesitan sustancias auxiliares.

En 2001, se descubrió que los centros catalíticos importantes de los ribosomas son el ARN y no, como se aceptaba anteriormente, las proteínas. Esto demuestra que la función catalítica del ARN, como sugiere la hipótesis del mundo del ARN, es utilizada por los seres vivos en la actualidad.

Dado que los ribosomas se consideran orgánulos celulares muy primitivos, este descubrimiento se considera una contribución importante para corroborar la hipótesis del mundo del ARN. Ya es seguro decir que las moléculas de ARN pueden sintetizar proteínas a partir de aminoácidos.

En este sentido, las nucleoproteínas (complejos de ácidos nucleicos con proteínas) también son de interés como posibles precursores del ARN.

Otro precursor del ARN podrían ser los hidrocarburos aromáticos policíclicos . La hipótesis del mundo poliaromático intenta responder a la pregunta de cómo surgieron los primeros ARN al sugerir una variante de la evolución química de los hidrocarburos aromáticos policíclicos a las cadenas similares al ARN.

Biomoléculas del espacio

La tierra ha sido bombardeada por cometas y meteoritos a lo largo de su existencia. Fueron especialmente intensos inmediatamente después de la formación del planeta. Se ha encontrado que algunos meteoritos contienen compuestos orgánicos simples, entre otros aminoácidos. Una de las posibles pruebas del origen de los aminoácidos en el espacio podría ser la misma quiralidad de los compuestos orgánicos (L-aminoácidos y D-azúcares): en los aminoácidos de meteoritos, se demostró la prevalencia del tipo L hasta en un 9% [ 23] . Pero esta distribución también puede explicarse por la acción de catalizadores de grasa abiogénicos.[ término desconocido ] . Los experimentos que simulan las condiciones espaciales han demostrado que los compuestos orgánicos básicos, especialmente los aminoácidos, también pueden formarse en tales condiciones (Bernstein, M.P., et al. 2002. “Racemic amino acids from the ultraviolet photolysis of interstellar ice analogs" Nature 416, 401 y Muñoz Caro, G., et al., 2002. "Aminoácidos de la irradiación ultravioleta de análogos de hielo interestelar" Nature 416, 403).

"Fumadores negros"

Las condiciones ambientales en estos respiraderos hidrotermales pueden haber contribuido al origen quimioautotrófico de la vida . Esta teoría es defendida por los investigadores William Martin y Michael Roussel [24] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Futuyma DJ Evolución. - Sunderland: Sinauer Associates, 2005. - Pág. 92-94. - ISBN 0-878-93187-2 .
  2. ↑ Ridley M. Evolución. — 3ra ed. - Wiley-Blackwell, 2004. - Pág. 529-531. — 751 pág. — ISBN 978-1-4051-0345-9 .
  3. ↑ Rauchfuss, Horst. Evolución química y el origen de la vida. - Springer, 2008. - ISBN 978-3-540-78822-5 .
  4. ↑ Engels F. Anti-Dühring; Marx K. y Engels F., Works, 2ª ed., volumen 20, pág. 82.
  5. ↑ Las protocélulas artificiales sintetizan ADN sin la ayuda de enzimas
  6. ↑ Cómo comenzó la reproducción en la Tierra (enlace inaccesible) . Consultado el 2 de octubre de 2012. Archivado desde el original el 26 de enero de 2012. 
  7. ↑ Elementos: La hipótesis de Gaia
  8. ↑ Regulación biótica: Tus preguntas
  9. ↑ "Nuevos resultados del antiguo experimento de Stanley Miller"
  10. ↑ Experimento de Miller-Urey . lektsii.com. Recuperado: 22 de marzo de 2020.
  11. ↑ Matthew W. Powner, Beatrice Gerland, John D. Sutherland. Síntesis de ribonucleótidos de pirimidina activados en condiciones prebióticamente plausibles // Naturaleza. 2009. V. 459. Pág. 239-242.
  12. ↑ Elementos - noticias científicas: Los químicos superan el principal obstáculo para la síntesis de ARN abiogénico
  13. ↑ A. Saghatelian et al. , 2001, Un replicador de péptidos quiroselectivos , Nature, 409, 797-801
  14. ↑ Rutten M.G. . Experimentos de Oro con ambientes acuosos calientes .
  15. ↑ Mulkidzhanyan Armen Yakovlevich. Sobre el origen de la vida en el mundo del Zinc: I. Edificios porosos fotosintéticos construidos con sulfuro de zinc precipitado hidrotermalmente como cunas de vida en la Tierra .
  16. ↑ Mulkidzhanyan Armen Yakovlevich. Sobre el origen de la vida en el mundo del zinc. 2. Validación de la hipótesis sobre los edificios fotosintéticos de sulfuro de zinc como cunas de vida en la Tierra. .
  17. ↑ Mijail Nikitin. "Mundo del zinc" .
  18. ↑ SD Senanayake y H. Idriss. Fotocatálisis y el origen de la vida: Síntesis de bases nucleósidas a partir de formamida en superficies individuales de TiO2(001) .
  19. ↑ Martin Ferus, Fabio Pietrucci, Antonino Marco Saitta, Antonín Knížek, Petr Kubelík, Ondřej Ivanek, Violetta Shestivska y Svatopluk Civiš. Formación de nucleobases en una atmósfera reductora Miller-Urey (Ing).
  20. ↑ Mijail Nikitin. ¿Cómo elegir entre los mundos "zinc" y "hierro-azufre"? .
  21. ↑ Mijail Nikitin. Diferentes respuestas a la pregunta de la vida .
  22. ↑ Mijail Nikitin. Origen de la vida. De Nebulosa a Célula.. — 2016.
  23. ↑ JR Cronin, S. Pizzarello, (2002) Enantiomeric Excesses in Meteoritic Amino Acids Science, 275, págs. 951-955 [1]
  24. ↑ M. Martin, MJ Russell, (2003). Sobre los orígenes de las células: una hipótesis para las transiciones evolutivas de la geoquímica abiótica a las procariotas quimioautótrofas, y de las procariotas a las células nucleares. Filosofía Trans. R. Soc. Ser de Londres. B 358, 59-85

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