Origen de la vida y su inicio en la Tierra: Hipótesis del ARN primitivo y la panspermia. 2ª parte Divulgación 33 | Veterinaria Digital

Origen de la vida y su inicio en la Tierra: Hipótesis del ARN primitivo y la panspermia. 2ª parte Divulgación 33

VD | 20 AUG 2012 - 00:00

Origen de la vida y su inicio en la Tierra: Hipótesis del ARN primitivo y la panspermia. 2ª parte Divulgación 33

"En la primera parte de este blog señalábamos 11 hechos y el tiempo en que sucedieron, desde la formación de nuestra nebulosa protosolar (-5000 millones de años) hasta la aparición de los primeros organismos multicelulares en la Tierra (-1700 millones de años). La explicación, sobre como sucedieron y cuando sucedieron, no presenta dificultades grandes salvo las propias de su datación, sin embargo hay dos hechos que son de difícil explicación tanto sobre como, cuando y porque sucedieron.

Los dos principales objetivos de este blog son analizar los hechos:

1. En primer lugar la aparición de compuestos orgánicos complejos en la Tierra para que se formasen el ARN primitivo y las membranas

2. En segundo como se organizaron estos elementos hasta dar lugar a la formación de las primeras formas de vida

Para iniciar nuestra exposición debemos detenernos en la definición del ácido ribonucleico o ARN. Se trata un ácido nucleico formado por una cadena de ribonucleótidos y que a su vez está formado por una molécula de monosacárido de cinco carbonos (pentosa) llamada ribosa, un grupo fosfato, y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases: adenina, guanina, uracilo y citosina.

Por tanto para buscar el origen del ARN debemos centrarnos en el origen de sus tres componentes principales: Las pentosas, las bases nitrogenadas y los grupos fosfatos.

Las pentosas son monosacáridos formados por una cadena de cinco átomos de carbono (C5H10O5). En la composición del ARN encontramos una pentosa conocida como ribosa mientras que en la composición del posterior ADN se encuentra furanosa (forma de desoxirribosa derivada de la ribosa por pérdida de un átomo de oxígeno en el hidroxilo de 2 y de formula C5H10O4).

Las bases nitrogenadas son compuestos orgánicos cíclicos, que incluyen dos o más átomos de nitrógeno. Se clasifican en tres grupos: bases puricas, bases pirimidinicas y bases isoaloxazinicas. En el ARN se encuentran las bases puricas adenina (A) y guanina (G) las bases pirimidinicas citosina (C) y uracilo (U) mientras que en la composición del posterior ADN el uracilo ha sido substituido por la tiamina (T). Las bases isoaloxazinicas representadas por la flavina no forman parte de la composición de ARN pero tienen especial importancia en las mitocondrias, células oxidativas endosimbióticas, como flavina mononucleótido o bien unida por el grupo fosfato a un nucleótido de Adenina (flavín adenín dinucleótido).

De la unión de la pentosa ribosa con las bases puricas (A y G) y pirimidinicas (C y U) se producen unas macromoléculas llamadas nucleosidos: adenosina, guanosina, citidina y uridina

Cada una de estas macromoléculas pueden combinarse con un grupo fosfato, ion compuesto de un átomo central de fosforo rodeado de cuatro átomos de oxigeno en disposición tetraédrica, produciendo otras macromoléculas llamada nucleótidos. Esta combinación puede no haber sido directa ya que requiere de la presencia de unas proteínas llamadas quinasas que transfieren fosforo mediante el intercambio con magnesio o manganes.

Cuando las macromoléculas nucleótidos forman cadenas de si mismas, mediante enlaces fosfodiester, dan lugar a un polímero llamado acido nucleico (ARN si contiene ribosa y uracilo o ADN si contiene furanosa y tiamina)

En conclusión la aparición de ARN primitivo en la Tierra requería de la formación previa de la pentosa ribosa, de las bases puricas adenina y guanina, de las bases pirimidinicas citosina y uracilo, posiblemente de la proteína quinasa (y por tanto aminoácidos previos) y de grupos fosfatos. Todas estas moléculas combinadas dan lugar a los productos intermedios nucleosidos: adenosina, guanosina, citidina y uridina, a los nucleótidos y finalmente a los ácidos nucleicos que son los responsables del almacenamiento de la información genética de los seres vivos y de la transmisión hereditaria.

Estas consideraciones sobre la composición química y los integrantes del ARN nos llevan a preguntarnos cuando, como y porque se formo y para ello debemos adentrarnos en tres hipótesis: hipótesis del mundo del ARN, hipótesis del mundo del pre-ARN y la hipótesis de la panspermia

Cada una de ellas busca explicaciones a la existencia del ARN pero hasta ahora ninguna ha podido superar experimentalmente todas las cuestiones planteadas y por tanto al carecer de demostración no pueden constituirse en una teoría solida que de explicación al fenómeno.

La hipótesis del mundo de ARN defiende la posibilidad de que el ARN pudo formarse en la Tierra primitiva a partir de compuestos orgánicos de producción local, pero choca con algunas dificultades derivadas de las características químicas de la ribosa y la citosina. La hipótesis del mundo del pre-ARN busca una explicación alternativa a estas dificultades y considera que el ARN primitivo, también de producción local, estaba formado por una tetrosa, diferente a la pentosa ribosa, llamada treosa y otro nucleótido derivado del glicerol. Esta hipótesis también sigue sin demostración. Ante la dificultad de sintetizar ARN primitivo surgió la hipótesis de la panspermia que sostiene que el ARN primitivo no se pudo formar en la Tierra y que llego en forma de ARN libre transportado por meteoritos o dentro de estructuras celulares primitivas y que se desarrollo en la Tierra al encontrar un medio ambiente adecuado. Sin embargo esta hipótesis tampoco explica ni propone mecanismo bioquímico concreto.

La hipótesis del mundo del ARN se basa en el concepto de la abiogénesis, termino griego, que acepta la posibilidad del origen de la vida a partir de la no existencia de esta. En este sentido la opinión mas extendida es que la vida comenzó su existencia a partir de materia inerte en algún momento comprendido entre -4.400 millones de años, cuando se dan las condiciones de existencia constante de agua liquida, y -2.700 millones de años. Según esta hipótesis la materia orgánica compleja se pudo formar con mayor probabilidad en dos ambientes:

a) En el mar o en agua dulce el aldehído fosfato con hidróxidos puede producir azúcar fosforilado que podría ser el precursor del ARN

b) En calderas de agua caliente el CO y los grupos metilos, en presencia de pirita, pueden ocasionar acido acético.

Sin embargo se presentan serias dificultades puesto ,primero, que no existen rutas químicas para la síntesis abiogénica de nucleótidos a partir de las bases pirimidínicas de citosina y uracilo bajo condiciones prebióticas, segundo, el nucleósido citosina tiene una vida media de 19 días a 100 °C y 17.000 años en agua helada, lo cual es muy corto para los tiempos a escala geológica, tercero, el enlace éster entre la ribosa y el ácido fosfórico en el ARN es propenso a la hidrólisis y , cuarto, la ribosa tiene que ser toda del mismo enantiómero, porque cualquier nucleótido con una quiralidad diferente actuaría como terminador de la cadena.

Consecuencia de los nulos avances en la síntesis de las substancias orgánicas necesarias en las condiciones de la tierra primitiva la comunidad científica ha presentado una hipótesis alternativa denominada la hipótesis del mundo del pre-ARN que si bien acepta el concepto abiogénesis se inclina a pensar que el primer ARN tenia una composición química mas simple basada en la unión de una tetrosa (mas sencilla y por tanto mas estable que la pentosa ribosa) con un nucleósido derivado del glicerol producido desde el acido acético.

Esta hipótesis simplifica alguno de los problemas planteados pero finalmente tampoco explica como se pudo llegar a la composición del ARN primitivo.

Consecuencia de las 4 dificultades de la hipótesis del mundo del ARN y de la hipótesis del mundo del pre-ARN se retomo la idea que las materias orgánicas no se pudieron formar en la Tierra y que este material orgánico llego al planeta, al igual que a otros planetas y sistemas planetarios, desde un origen foráneo. La hipótesis de la panspermia rechaza por tanto el concepto abiogénesis y considera que el material orgánico aislado u organizado llego a la Tierra en el mismo momento de la formación junto con otros materiales o posteriormente durante la época de los meteoritos entre -4500 y -3700 millones de años. Esta hipótesis tiene como precursores a Herman Richter , Fred Hoyle y Svante Arrhenius de forma que entre 1865 y 1908 se formo un primer esquema, sobre el concepto del origen de la vida procedente del espacio exterior, que recibió desde el principio criticas basadas en, primero, las células morirían en el espacio a causa de la radiación , segundo, las células no pueden permanecer viables durante los millones de años necesarios para un viaje interestelar , tercero, la entrada a través de la capa de la atmósfera, o el impacto con la tierra, esterilizaría cualquier material, cuarto, hay insuficientes evidencias de que organismos complejos puedan componerse en el espacio y , quinto, hay muy poca agua en otras lunas y planetas.

Sin embargo todas esas cuestiones han sido rebatidas, y cada vez son más numerosas las evidencias sobre la posibilidad de que la panspermia sea posible. Citaremos brevemente algunas de ellas

1) En los cometas se encuentran agua, amoniaco, formaldehido y acido cianhídrico que pueden producir aminoácidos. Se considera que los cometas pudieron aportar, durante 800 millones de años, estos materiales a la Tierra

2) Un meteorito conocido como Murchison, que contiene uracilo y xantina, dos precursores de las moléculas que configuran el ARN y el ADN

3) meteorito ALH84001, generalmente considerado como originado en el planeta Marte, sugiere que contiene estructuras que podrían haber sido causadas por formas de vida microscópica. Se desprendió de Marte hace 16 millones de años y cayo en la Antártida hace 13.000 años.

4) Streptococcus mitis que fueron llevadas a la Luna por accidente en la Surveyor 3 en 1967, pudieron ser revividas sin dificultad cuando llegaron de vuelta a la Tierra tres años después

5) Experimentos en los que se recrea las condiciones de los cometas cuando bombardearon la Tierra, los aminoácidos no sólo no se destruyen, sino que comienzan a formar péptidos.

6) En los anillos de varios planetas de nuestro sistema solar se han detectado compuestos orgánicos incluyendo metano, etano, diacetileno, metilacetileno, cianoacetileno, acetileno, propano, junto con anhídrido carbónico, monóxido de carbono, cianógeno y cianuro de hidrógeno.

7) La atmosfera de algunas lunas de nuestro sistema solar presentan unas diferencias de concentraciones de hidrogeno y acetileno entre las capas altas y la superficie que solo pueden explicarse por la existencia de procesos bioquímicos relacionados con la vida primitiva que también se han demostrado en algunos organismos terrestres.

Para concluir señalaremos que esta hipótesis no explicaba, hasta ahora, como se formaban ni donde se formaron en los compuestos orgánicos que llegaron a la Tierra pero en los últimos años han tenido lugar dos descubrimientos de vital importancia en esta dirección:

1) Se ha demostrado que el polvo interestelar, formado por partículas de menos de un micrómetro, contiene grandes cantidades de hidrogeno, carbono, silicatos, agua y compuestos orgánicos tales como hidrocarburos aromáticos alifáticos que contienen anillos bencénicos

2) El estudio de emisiones infrarrojas detectadas en las estrellas, espacio interestelar y galaxias, conocidas como firmas espectrales han permitido concluir al Observatorio Espacial Infrarrojo Spitzer que otras substancias, mas complejas que los hidrocarburos aromáticos alifáticos, son las generadoras de dichas emisiones y que por lo tanto en estos espacios se producen grandes cantidades de compuestos orgánicos en escalas de tiempo muy cortas.

Por tanto se considera comprobado que compuestos orgánicos simples y complejos relacionados con el origen de la vida, se pueden sintetizar en el espacio, incluso en ausencia de formas de vida. Esta fuente de material orgánico ha podido llegar a todo el Universo desde el primer momento del Big Bang hace 13.700 millones de años pero ha necesitado de condiciones adecuadas para desarrollarse siguiendo las leyes de la selección natural a escala universal."

 

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