Experimento Oparin-Miller. - Simulación de vida artificial

Proyecto IMUVA “Matemáticas de la Tierra”
Experimiento de
Oparin-Miller
Proyecto
“Simulación de vida artificial”
EXPERIMENTO
DE
OPARIN-MILLER
LA TIERRA PRIMITIVA
Los biólogos en general aceptan la idea que la vida se origina a partir de materia
inanimada en un proceso que se denomina evolución química, el cual se debe haber
desarrollado en varias etapas.
La primera teoría coherente que explicaba el origen de la vida la propuso en 1924 el
bioquímico ruso Alexander Oparín. Se basaba en el conocimiento de las condiciones
físico-químicas que reinaban en la Tierra hace 3.000 a 4.000 millones de años.
Oparín postuló que gracias a la energía aportada primordialmente por la radiación
ultravioleta procedente del sol y a las descargas eléctricas de las constantes tormentas,
las sencillas moléculas de los gases atmosféricos (Agua, Metano, Amoníaco) dieron
lugar a unas moléculas orgánicas llamadas prebióticas o coacervados. Estas
moléculas, cada vez más complejas, eran aminoácidos (elementos constituyentes de las
proteínas) y ácidos nucleicos. Según Oparín, estas primeras moléculas quedarían
atrapadas en las charcas de agua poco profundas formadas en el litoral del océano
primitivo. Al concentrarse, evolucionando y diversificándose.
A pesar de que nunca se sabrá con certeza... las condiciones de la tierra primitiva,
distaban mucho de las actuales. Astrofísicos y geólogos calculan la edad de la tierra en
4600 millones de años.
La atmósfera primitiva contenía:
1
•
Dióxido de Carbono (CO2)
•
Monóxido de Carbono (CO)
•
Vapor de Agua (H2O)
•
Hidrógeno (H)
•
Nitrógeno (N2)
También es posible que hubiera Amoníaco (NH 3), Sulfuro de Hidrógeno (H2S) y Metano
(CH4). Es probable que tuviera poco o nada de oxígeno (O 2).
Para la evolución química de la vida se necesitaban 4 requerimientos:
•
ausencia total o casi completa de Oxígeno libre: ya que al ser muy reactivo
hubiera oxidado las moléculas orgánicas que son esenciales para la vida.
•
una fuente de energía: la tierra primitiva era una lugar caracterizado por la
presencia de vulcanismo generalizado, tormentas eléctricas, bombardeo de
meteoritos e intensa radiación, especialmente ultravioleta
•
sustancias químicas que funcionaran como "bloques de construcción químicos":
agua, minerales inorgánicos y gases.
•
tiempo: la edad de la tierra se calcula en 4600 millones de años y los vestigios de
vida mas antiguos datan de 3.800 millones de años, de modo que la "vida" tardo
solo unos 800 millones de años en formarse. La evidencia fósil soporta la idea que
el origen de la vida en la Tierra comenzó en épocas tempranas: hace ya 3.500
millones de años (en notación científica mil millones = un Giga, Ga abrevia por
Giga-años).
MOLÉCULAS PRIMITIVAS
Hasta mediados del siglo XVIII se pensaba que los compuestos orgánicos solo podían
formarse por la acción de los seres vivos, la síntesis en el laboratorio de la urea (un
compuesto orgánico), dio por tierra con esta creencia. En 1922, el científico ruso, A.I.
Oparin hipotetizó que la vida celular había sido precedida por un período de evolución
química.
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En 1950 Stanley Miller, un estudiante graduado, diagramó un experimento destinado
a corroborar la hipótesis de Oparin, que presumía como condiciones de partida:
1. ausencia o escasas cantidades de oxígeno libre (es decir no combinado
químicamente a otro compuesto)
2. abundancia de: C (carbono), H (hidrógeno), O (oxígeno), y N (nitrógeno)
Los estudios de las modernas erupciones volcánicas avalan la inferencia de la existencia
de tal atmósfera.
Miller hizo pasar descargas eléctricas a través de una mezcla de gases que se
asemejaría a la atmósfera primordial. En un recipiente de agua, que en el modelo
experimental, representaba al antiguo océano, Miller recobró aminoácidos. Subsecuentes
modificaciones de la atmósfera produjeron muestras o precursores de las cuatro clases de
macromoléculas orgánicas.
Experimento de Miller
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La Tierra primordial era un lugar muy diferente del de nuestros días, con grandes
cantidades de energía, fuertes tormentas etc. El océano era una "sopa" de compuestos
orgánicos formados por procesos inorgánicos. Los experimentos de Miller y otros
experimentos no probaron que la vida se originó de esta manera, solo que las condiciones
existentes en el planeta hace alrededor de 3 mil millones de años fueron tales que pudo
haber tenido lugar la formación espontánea de macromoléculas orgánicas. Las simples
moléculas inorgánicas que Miller puso en su aparato, dieron lugar a la formación de una
variedad de moléculas complejas:
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Modificado de: http://www.whfreeman.com/life/update/.
Polimerización
El siguiente paso fue la formación de grandes moléculas por polimerización de las
pequeñas moléculas.
La interacción entre las moléculas así generadas se incrementó a medida que su
concentración aumentaba. Dado que la atmósfera primitiva carecía de oxigeno libre y de
cualquier forma de vida... estas moléculas orgánicas se acumularon sencillamente por que
no fueron devoradas ni reacciónaron con el oxigeno como lo haría en la actualidad.
Esta acumulación sería lo que se llama actualmente "caldo de cultivo primitivo" y a
partir del cual podría haber surgido la primera forma de vida.
Reproducción
molecular???
En las células vivas (actuales por supuesto) la información genética se almacena en el
ADN, el cual transcribe su mensaje por medio del ARN que a su vez traduce esta
información en una secuencia adecuada de aminoácidos que se ensamblan en PROTEÍNAS
que son las encargadas de casi todas las funciones celulares. Ver el Dogma Central de
Crick. Aquí se aplica el viejo dicho: ¿qué fue 1º: el huevo o la gallina (el ADN o las
proteínas)?
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Las tres moléculas en la secuencia precisa: ADN contienen INFORMACIÓN PRECISA,
pero solo el ADN y el ARN son capaces de autoduplicarse (copiarse a sí mismas). Así
que debió ser uno de los ác. nucleicos el candidato.....
En los años ´80 Altman de Yale y Cech de la Univ. de Colorado encontraron una
respuesta; algunos ARN funcionan como enzimas y fueden separar el ARN y sintetizar
más moléculas de ARN, se llaman ribozimas. Conforme al modelo propuesto por el
MUNDO DEL ARN, la química de la tierra prebiótica dió origen a moléculas de ARN
autoduplicantes que habrían iniciado la síntesis de proteínas.
Pero si el ARN hizo copias de si mismo y apareció antes que que el ADN, como llegó
éste
a
escena???
Quizá el ARN hizo copias bicaternarias de si mismo, que con el tiempo se transformaron
en ADN que es más estable por su conformación de doble hélice, en tanto que que el
ARN es más reactivo por ser una molécula monocaternaria.
En el mundo del ADN/ARN/Proteínas el ADN se convirtió en la molécula de
almacenamiento de información y el ARN sigue siendo la molécula de transferencia de la
información
INICIO
DE
LA
VIDA:
PROTOBIONTES
Si se agita agua que contiene proteínas y lípidos se forman estructuras huecas que se
denominan microesferas, muy similares en diversos aspectos a las células: tiene un
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límite externo bien definido y en ciertas condiciones son capaces de absorber material de
una solución e inclusive dividirse.
En la década de 1920, Oparín formó protobiontes a partir de proteínas y polisacaridos.
Eran bastante estables y se denominaron coacervados.
Los productos producidos en base a esos ácidos nucleicos podrían haber quedado cerca
del ácido nucleico y, eventualmente, ser rodeados de una membrana lipoprotéica, que
habría resultado en la primera célula.
Este panorama, aunque verosímil y soportado por múltiples investigaciones ... no es
seguro.
El registro fósil ubica a las primeras células hace 3.500 millones de años. Las 1º células
eran procariotas, es decir carecen de núcleo diferenciado. Estos heterótrofos primitivos
obtenían su alimento del espeso caldo primitivo. Dado que no había oxígeno libre, el
metabolismo era completamente anaerobio y por lo tanto bastante poco eficiente.
Célula procariota (E. coli)
Cuando las moléculas orgánicas que se acumularon espontáneamente durante millones
de años se acabaron, solo algunos organismos sobrevivieron, tal vez hayan ocurrido
mutaciones (cambios permanentes y heredables del material genético) que permitieron
a algunas células obtener energía de la luz solar, apareció entonces la FOTOSÍNTESIS.
Se desarrollaron varios tipos de bacterias fotosintéticas, pero las más importantes desde
el punto de vista evolutivo son las Cianobacterias, que al convertir el agrua y el dióxido de
Carbono en compuestos orgánicos y liberaron oxígeno como producto de desecho a la
atmósfera. Estamos a 3.100 millones de años atrás.
Su presencia quedó registrada en los estromatolitos; fósiles microbianos se han
encontrado en rocas compuestas por finas capas denominadas estromatolitos, formados
por bacterias heterótrofas y fotótrofas que vivían en un tipo de colonias.
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APARICION DE LOS AEROBIOS
Hace unos 2.000 millones de años, las cianobacterias habían producido suficiente
oxígeno para modificar la atmósfera terrestre sustancialmente. Muchos anaerobios
obligados (aquellos que no viven en presencia de oxígeno) fueron dañados por el
oxígeno, algunos desarrollaron modos de neutralizarlo o se restringieron a vivir en áreas
donde este no penetra.
Algunos organismos aerobios se adaptaron a vivir desarrollando una vía respiratoria
que utilizaba el oxígeno para extraer más energía de los alimentos y transformarla en
ATP. La respiración aerobia se incorpora así al proceso anaerobio ya existente de la
glucólisis.
Esta aparición de organismos aerobios tuvo varias consecuencias:
•
Los organismos que usan el O2 obtienen mas energía de 1 molécula de glucosa que
la que obtienen los anaerobios por fermentación, por lo tanto son mucho mas
eficientes.
•
El O2 liberado a la atmósfera era tóxico par los anaerobios obligados, que se
confinaron a áreas restringidas.
•
Se estabilizó el oxígeno y el dióxido de Carbono en la atmósfera, y por lo tanto el
Carbono empezó a circular por la ecósfera.
•
En la atmósfera superior el O2 reaccionó para formar OZONO (O3) que se acumuló
hasta formar una capa que envolvió a la tierra e impidió que las radiaciones
ultravioletas del sol llegaran a la tierra... pero con su ausencia disminuyó la síntesis
abiótica de moléculas orgánicas.
ORIGEN DE LAS EUCARIOTAS
La abundancia de bacterias ofrece un rico panorama para quién pueda alimentarse de
ellas. A pesar que no existe registro fósil, los paleobiólogos especulan que algunos
predadores primitivos eran capaces de rodear a bacterias enteras como presa; debieron
haber sido bastante primitivos (considerando la época, claro), ya que al ser incapaces de
realizar fotosíntesis y metabolismo aeróbico metabolizaba de manera deficiente lo que
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engullian.
En 1980 Lynn Margulis (MIT), propuso la teoría de la endosimbiosis para explicar el
origen de la mitocondria y los cloroplastos. De acuerdo a esta idea un procariota grande o
quizás un primitivo eucariota fagocitó o rodeo a un pequeño procariota hace unos 1500 a
700 millones de años.
Esquema de la endosimbiosis
En vez de digerir al pequeño organismo, el grande y el pequeño entraron en un tipo de
simbiosis conocida como mutualismo en el cual ambos se benefician y ninguno es
dañando.
El organismo grande pudo haber ganado un excedente de ATP, provisto por la
"protomitocondria" o un excedente de azúcar provisto por el "protocloroplasto", y haber
proveído al endosimbionte recién llegado de un medio ambiente estable y de material
nutritivo.
Con el tiempo esta unión se convirtió en algo tan estrecho (la función regeneradora de
ATP se delegó a los orgánulos celulares) que las células eucariotas heterotróficas no
pueden sobrevivir sin mitocondrias ni los eucariotas fotosintéticos sin cloroplastos (la
membrana que rodea al protoplasto del eucariota no dispone de los componentes de la
cadena de transporte de electrones), y el endosimbiota no puede sobrevivir fuera de la
célula huésped.
Esta teoría también se aplica a otros orgánulos celulares como cilios, flagelos y
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microtúbulos, originados por simbiosis entre bacterias del tipo de los espirilos y un
eucariota primitivo.
¿Y el Núcleo?: su origen aún no se ha podido explicar. Tal vez se formó por una
invaginación de la membrana externa rodeó al ADN....Lo cierto es que su presencia
determinó la aparición de las células Eucarióticas.
Los fósiles más antiguos provienen de rocas marinas, formadas en el antiguo océano.
Los organismos actualmente vivientes con mayores semejanzas a las formas antiguas son
las arqueobacterias. Este grupo esta hoy restringido a ambientes extremos. Recientes
descubrimientos de bacterias en las fosas marinas en las cuales las placas tectónicas
dejan lugar a fisuras y el calor y los materiales resultantes de esta circunstancia
conforman
un ambiente
particular
donde
se
desarrollan
bacterias.
Esto
permite
presuponer otro lugar donde la vida pudo haberse originado: en estas fosas marinas
donde el calor y la roca derretida aflora a la superficie de la Tierra.
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Versión simplificada y modificada del Árbol filogenético Universal establecido por Carl
Woese y su discípulo Gary Olsen que muestra los tres Dominios. El termino "dominio" refiere
a un nuevo taxón filogenético que incluye tres líneas primarias: Archaea, Bacteria y Eucaria.
En
línea
descendente
siguen
seis
Reinos
(I-Moneras,
II-Arqueobacterias
(obviamente
separadas de Moneras), III-Protistos, IV-Hongos, V-Plantas y VI-Animales.
En realidad al título cabría agregarle: "del mundo celular" ya que no incluye a
virus,viriones....
El "árbol" de la vida construido a partir de los estudios del ARNr (ácido ribonucleico
ribosómico, al árbol se basa en el estudio de las diferencias en las secuencias de ARNr
comunes a todos los "seres vivos"), muestra cercano a su "raíz" (allí donde se encuentra
LUCA, último antepasado común universal de las células modernas, compartido por todos
los "seres vivos") organismos "hipertermófilos" que viven a temperaturas cercanas a los
115 grados centígrados. Podría pensarse que la vida "transitó por la senda de los sistemas
hidrotermales" o, por que no, se originó en ellos.
Pero bien podríamos colocar en la base
un manojo de raíces o nube difusa para
representar a la "Comunidad ancestral común de células primitivas" a partir de la
cual divergieron ramas que dieron orígenes a los tres dominios actuales y además surcar
la grafica con enlaces transversales entre ramas para indicar la existencia de una
transferencia horizontal de genes.
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