Los hilos de la evolución: CAPÍTULO XVI

Abiogénesis: Entre la química y las radiaciones cósmicas

16.1. El origen de la vida

No fue el azar, sino las leyes de la naturaleza las que manejaron el origen de la vida. La casualidad no tiene oportunidad alguna.

- Manfred Eigen

16.1.1. ¿Cuándo se originó?

El inicio exacto de la vida es todavía un tema de investigación y debate entre científicos, ya que depende de la interpretación de evidencias indirectas y del descubrimiento de nuevos fósiles y análisis geoquímicos. Los últimos descubrimientos sugieren que la vida en la Tierra pudo haber surgido hace al menos 3,77 mil millones de años, aunque algunos estudios empujan esta fecha hasta hace unos 4,28 mil millones de años. Esto se basa en el análisis de microfósiles encontrados en rocas de cinturones de piedra verde, como los de Nuvvuagittuq en Quebec, Canadá, donde se han identificado estructuras que podrían haber sido formadas por bacterias. Otros hallazgos en Groenlandia también indican actividad biológica en rocas de una antigüedad similar.

Estos descubrimientos respaldan la idea de que la vida podría haber aparecido poco después de la formación de los océanos y de que la Tierra se estabilizara tras el bombardeo masivo de meteoritos, lo que indica un origen extremadamente temprano de la vida en el contexto de la evolución terrestre.

La evolución temprana de la vida fue un proceso complejo, marcado por el desarrollo de la capacidad de realizar la fotosíntesis, lo que eventualmente llevó a un aumento en los niveles de oxígeno en la atmósfera y permitió el desarrollo de formas de vida más complejas.

16.2. Introducción a la abiogénesis

16.2.1. Definición 

La abiogénesis es el proceso natural mediante el cual la vida se originó a partir de compuestos químicos simples no vivos, sin la intervención de organismos preexistentes. Este concepto se opone a la idea de biogénesis, que sostiene que la vida solo puede surgir de vida preexistente.

16.2.2. Relevancia del concepto de abiogénesis en el estudio del origen de la vida.

La abiogénesis es fundamental para explorar cómo el universo ha evolucionado hacia la complejidad que observamos hoy. Este fenómeno está íntimamente relacionado con conceptos clave como la complejidad, la entropía y la información. En la abiogénesis, sistemas químicos simples comenzaron a autoorganizarse y a manifestar propiedades emergentes (similares a las vistas en sistemas complejos), como la autorreplicación y el metabolismo.

La comprensión de la abiogénesis también conecta con la idea de que la información, un tema central en este trabajo, es una energía fundamental que permite la organización de la materia hacia estados cada vez más complejos, como ocurre en los sistemas vivos.

Esto no solo es crucial para entender la vida en la Tierra, sino también para expandir el concepto de evolución a un marco universal, explorando cómo las leyes de la naturaleza podrían permitir la vida en otros rincones del cosmos.

16.2.3. Postulados de la abiogénesis

1.- Las condiciones en la Tierra primitiva, como la presencia de agua, compuestos orgánicos simples, y fuentes de energía como rayos, radiación ultravioleta o calor geotérmico, permitieron la formación de moléculas orgánicas complejas.

2.-Antes de la vida, se cree que hubo una fase de evolución química donde moléculas simples como aminoácidos y nucleótidos se formaron y se unieron para crear polímeros más grandes, como proteínas y ácidos nucleicos, esenciales para la vida.

3.- Un paso crucial en la abiogénesis fue el desarrollo de moléculas que pudieran replicarse a sí mismas, como el ARN, que se considera un candidato probable para ser una de las primeras moléculas de la vida debido a su capacidad para almacenar información genética y catalizar reacciones químicas.

4.- Una vez que surgieron las primeras moléculas con potencial autoreplicantes, la evolución prebiótica podría haber llevado a la formación de protocélulas, estructuras vesiculares que podían aislar y concentrar componentes químicos, facilitando reacciones más complejas y eficientes.

16.3. Resumen histórico

En términos de abiogénesis moderna, fue Alexander Oparin en la década de 1920 quien propuso una teoría más cercana a la ciencia moderna. Oparin sugirió que la vida pudo haber surgido en los océanos primordiales a través de procesos químicos graduales. Independientemente, En su obra de 1924, "El origen de la vida", Oparin propuso que la atmósfera primitiva de la Tierra contenía gases como metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua (atmósfera reductora. En esa atmósfera, los rayos UV del Sol y la energía de los relámpagos pudieron haber causado reacciones químicas que, a lo largo del tiempo, formaron moléculas orgánicas complejas. Estas moléculas se habrían acumulado en los océanos, formando lo que se llamó la "sopa primordial", de la cual eventualmente surgió la vida. J.B.S. Haldane también llegó a conclusiones similares, postulando que las primeras moléculas vivas surgieron de una "sopa primitiva". 

En los años de 1940,Teilhard de Chardin trató la abiogénesis sosteniendo que la materia viva procedía de la materia inorgánica, de megamoléculas químicas a microorganismos (protocélulas).¹ Sin embargo, fue intensamente criticado y descalificado por Gaylor Simpson,² uno de los fundadores de la teoría sintética o neodarwinismo.

Ignorando la teoría de Oparin, pues era partidario de la biogénesis, teoría que no da una explicación del origen de la vida, sólo afirma que la vida procede de vida preexistente.

En 1953, Stanley Miller, bajo la supervisión de Harold Clayton Urey, llevó a cabo un experimento que simulaba las condiciones de la Tierra primitiva según la teoría de Oparin y Haldane. Utilizaron una mezcla de gases que se creía que constituían la atmósfera primitiva de la Tierra (metano, amoníaco, hidrógeno y vapor de agua), los cuales fueron sometidos a descargas eléctricas para simular la energía proporcionada por los rayos.

En tan solo una semana, el experimento produjo aminoácidos, los bloques fundamentales de las proteínas y, por lo tanto, de la vida. Este fue un descubrimiento crucial porque demostró que era posible formar moléculas orgánicas esenciales bajo condiciones prebióticas.

Las limitaciones de la perspectiva clásica de Oparin y Haldane, centrada en la "sopa primordial" y el origen de la vida a través de reacciones químicas prebióticas, han sido evidentes a la luz de la física moderna y nuevas teorías sobre el origen de la vida. 

16.4. La corriente clásica

La idea de que la atmósfera primitiva de la Tierra era reductora  fue ampliamente aceptada en el siglo XX, especialmente después del experimento de Miller-Urey, que mostró que estas condiciones podrían generar aminoácidos y otros compuestos orgánicos, esenciales para la vida.

Sin embargo, investigaciones más recientes sugieren que esta visión podría ser demasiado simplificada. Hoy se cree que la atmósfera primitiva podría haber sido menos reductora y más neutra o incluso ligeramente oxidante, con una composición dominada por dióxido de carbono (CO₂), nitrógeno (N₂) y vapor de agua, similar a la atmósfera actual de Venus y Marte. Esta teoría sugiere que los gases como el metano y el amoníaco podrían haber estado presentes en cantidades menores, y que los entornos ricos en energía, como volcanes, o impactos de meteoritos, habrían sido claves para la síntesis de compuestos orgánicos.

Se siguen realizando experimentos similares a los de Miller-Urey, pero adaptados a las condiciones más revisadas de la atmósfera primitiva

Algunos estudios también exploran entornos específicos como fuentes hidrotermales en el fondo marino, que podrían haber proporcionado condiciones locales muy favorables para la formación de compuestos orgánicos, incluso en una atmósfera menos reductora. Los resultados han mostrado que, bajo estas condiciones, aún es posible sintetizar una amplia variedad de moléculas orgánicas, incluidos aminoácidos, nucleótidos y otras moléculas esenciales para la vida.

Según la revista Nature Reviews Microbiology, la vida pudo comenzar en respiraderos hidrotermales submarinos que arrojaban elementos clave para la vida, como carbono e hidrógeno.

Las fuentes hidrotermales se encuentran en las profundidades más oscuras de los fondos oceánicos, normalmente en placas continentales divergentes. Estos respiraderos liberan fluidos sobrecalentados por el núcleo de la Tierra a medida que ascienden por la corteza, antes de ser expulsados a las chimeneas. Durante su viaje por la corteza recoge gases y minerales disueltos, como carbono e hidrógeno.

Sus rincones rocosos podrían haber concentrado entonces estas moléculas y proporcionado catalizadores minerales para reacciones críticas. Incluso ahora, estos respiraderos, ricos en energía química y térmica, sustentan vibrantes ecosistemas.

La abiogénesis a través de los respiraderos hidrotermales se sigue investigando como causa plausible de la vida en la Tierra. En 2019, científicos del University College de Londres crearon proto-células (estructuras no vivas que ayudan a los científicos a comprender los orígenes de la vida) en condiciones ambientales alcalinas y calientes similares a las de las fuentes hidrotermales.

Estos nuevos experimentos están ampliando nuestra comprensión del origen de la vida y sugieren que este proceso podría haber sido viable incluso en condiciones menos favorables de lo que inicialmente se pensaba.

Aunque el debate continúa, las nuevas ideas incorporan una visión más dinámica de la atmósfera primitiva, en la que diferentes regiones y procesos geológicos pudieron haber creado microambientes donde las condiciones reductoras permitieran la formación de moléculas orgánicas necesarias para el origen de la vida.

16.5. Nuevas perspectiva computacionales: de la biología a la física de sistemas

16.5.1. Stephen Wolfram:

Wolfram, en su obra A New Kind of Science, aborda el origen de la vida desde una perspectiva computacional. Propone que la vida puede surgir de procesos simples y repetitivos que generan patrones complejos, utilizando el concepto de autómatas celulares y sistemas de reglas simples. Según Wolfram, el origen de la vida podría entenderse como el resultado emergente de estas reglas simples que, cuando se aplican repetidamente, generan estructuras y comportamientos complejos, como los que vemos en los sistemas biológicos.

En lugar de enfocarse en los procesos químicos tradicionales, su enfoque es más abstracto y matemático, sugiriendo que la complejidad de los seres vivos podría ser el resultado inevitable de las leyes fundamentales de la computación. Para Wolfram, la evolución de la vida sería parte de un proceso más amplio de computación natural, en el que los patrones simples dan lugar a estructuras y comportamientos complejos, incluidos los sistemas biológicos.

16.5.2. Addy Pross:

Pross, por otro lado, tiene un enfoque basado en la química y la termodinámica. En su libro What is Life? introduce el concepto de química de sistemas dinámicos y plantea la idea de que la vida surge como un proceso emergente en sistemas químicos alejados del equilibrio. Pross argumenta que los sistemas químicos pueden autocatalizarse y autoorganizarse, lo que los lleva a desarrollar propiedades similares a las de los organismos vivos.

Su enfoque está basado en la química adaptativa, que explica cómo la vida podría haber emergido en la Tierra primitiva a través de un proceso de selección química. Para Pross, la vida es un fenómeno inevitable en el contexto de la termodinámica de no equilibrio. Propone que el origen de la vida es un proceso continuo de autoorganización química, donde las reacciones que llevan a la vida no son solo posibles, sino preferidas en un contexto termodinámico, siempre que se mantenga un flujo de energía adecuado.

16.6 Una perspectiva cuántica de la abiogénesis

El agua es un componente fundamental en la vida tal como la conocemos, y su estructura molecular se puede generar en el laboratorio mediante la unión de dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O). Sin embargo, esta simple reacción requiere energía electromagnética que oriente a los átomos para que interactúen y adquieran sus propiedades como molécula de agua común. . Ahora bien, ¿es posible que en el agua biológica, aquella que se encuentra en las células, exista un tipo especial de energía electromagnética, proveniente de los muones, que le otorgue características únicas, como facilitar la división celular?

Aunque esta idea es innovadora, existe evidencia de que tanto el agua biológica como los átomos muónicos podrían jugar un papel clave en la organización y el funcionamiento de las moléculas dentro de las células. Profundizando un poco en esta hipótesis.

16.6.1. ¿Qué son los átomos muónicos?

Los átomos muónicos son una variante de los átomos convencionales, donde uno de sus electrones es reemplazado por un muón, una partícula subatómica más pesada que el electrón. En este contexto, los átomos muónicos podrían estar presentes en el agua biológica y acentuar el flujo de información necesaria para la organización molecular de las células. Algunas consideraciones clave sobre esta idea incluyen:

1.-Estructura y Dinámica del Agua: La presencia de muones podrían formar la estructura del agua biológica, acrecentando las interacciones moleculares. Es decir, los átomos muónicos podrían influir en la manera en que las biomoléculas se ensamblan y reconocen entre sí.

2.-Energía y Estabilidad: Debido a su mayor masa, los muones podrían afectar la energía y la estabilidad de los enlaces moleculares dentro de las células.

3.-Facilitación de la división celular: Los átomos muónicos podrían haber sido un catalizador clave en la evolución de la división celular.

4.-Base de la Vida: La posibilidad de que los átomos muónicos catalizan la división celular sugiere que los fenómenos cuánticos y subatómicos podrían estar profundamente conectados con la biología desde sus inicios.

16.6.2. Objeciones a la hipótesis

Se puede objetar que los muones tienen una vida media notablemente corta, pero en el caso que nos ocupa, fueron capaces de estabilizarse por un periodo de tiempo prolongado, formando átomos complejos de agua y tal vez también de carbono. Por supuesto que detectarlos es muy difícil, ya que como cualquier partícula subatómica, el simple hecho de observarlas las disturba y en el caso de los muones causa su decaimiento.

Desde 2011 publicamos lo anterior como una suposición, pero hoy en día podemos decir que una posibilidad ya que: “Los átomos muónicos pueden formarse fácilmente deteniendo los muones negativos dentro de un material”.³

16.6.3. Desafíos y perspectivas futuras

Es importante considerar que los muones tienen una vida media muy corta, aproximadamente 2.2 microsegundos, lo que genera preguntas sobre su estabilidad en entornos biológicos. Sin embargo, en condiciones fuera del laboratorio, como la Tierra primitiva, los muones podrían haber interactuado constantemente con otras partículas o campos, extendiendo su estabilidad.

En apoyo a esta idea, en 2022 la Colaboración NNPDF encontró evidencia de que los quarks encanto, que pertenecen a la segunda generación de partículas, existen dentro del protón. Esto sugiere que las partículas de la segunda generación, como los muones, podrían exhibir comportamientos inusuales en contextos biológicos, como una mayor estabilidad. Esta posibilidad abre nuevas líneas de investigación.

16.6.4. Líneas de investigación

1.-Posibilidades experimentales futuras

Una forma de avanzar en la validación de esta hipótesis sería realizar experimentos inspirados en el clásico experimento de Miller-Urey, que simulaba las condiciones de la Tierra primitiva y logró generar compuestos orgánicos simples. En este caso, podríamos introducir una variante significativa: la irradiación del sistema con muones, dentro de un ambiente que emule las condiciones extremas de las chimeneas hidrotermales.

Las chimeneas hidrotermales en el fondo oceánico son ricas en energía térmica y química, lo que proporciona un entorno ideal para que moléculas simples se organicen y evolucionen hacia estructuras más complejas. Irradiar estas moléculas con muones en un laboratorio podría permitirnos explorar si estas partículas subatómicas tienen un efecto catalizador, acelerando o facilitando la formación de enlaces químicos entre compuestos prebióticos.

Al reproducir estas condiciones, podríamos observar si la interacción de los muones con el agua biológica y las moléculas prebióticas tiene un impacto significativo en la creación de aminoácidos, lípidos o incluso en la organización de estructuras que podrían servir como precursores de membranas celulares. Esto proporcionaría una oportunidad única para investigar si los muones jugaron un papel clave en la evolución temprana de la vida, más allá de lo que ha sido considerado hasta ahora en la química prebiótica convencional.

Este tipo de experimentos ofrecería datos empíricos sobre la estabilidad y las propiedades de los átomos muónicos en ambientes biológicos, así como sobre su influencia en las reacciones químicas fundamentales para el origen de la vida. Si se lograra detectar la presencia de átomos muónicos en estas condiciones y su impacto en la formación de moléculas orgánicas, sería un avance importante en la comprensión de cómo las partículas subatómicas pueden haber influido en los primeros pasos evolutivos de la vida en la Tierra.

16.6.5. Conclusión

La idea de que los átomos muónicos podrían haber jugado un papel crucial en la evolución temprana de la vida abre nuevas perspectivas en la intersección de la biología y la física cuántica. Aunque especulativa, esta hipótesis se basa en teorías actuales y observaciones que sugieren que las partículas subatómicas podrían tener roles más complejos en los sistemas biológicos de lo que se ha explorado hasta ahora.

Notas:

1. Teilhard de Chardin en El paso a la vida en El fenómeno humano.

2. Simpson G. Gaylord. The divine non Sequitur en Teilhard de Chardin. In Quest of the Perfection of Man. An International Symposium. Edited and Compiled by Geraldine O. Browning, Joseph L. Alioto, Seymour M. Farber.

3. Knecht A. Skawran y SM Vogiatzi. Study of Nuclear Properties with Muon Atoms. arXiv:2004.03314 nucl.ex. Abril, 2020.