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18.9: El origen de la vida - Biología


Dar cuenta del origen de la vida en nuestra tierra requiere resolver varios problemas:

  • Cómo las moléculas orgánicas que definen la vida, p. Ej. Se crearon aminoácidos, nucleótidos.
  • Cómo estos se ensamblaron en macromoléculas, p. Ej. proteínas y ácidos nucleicos, - un proceso que requiere catalizadores.
  • Cómo estos pudieron reproducirse a sí mismos.
  • Cómo estos se ensamblaron en un sistema delimitado de su entorno (es decir, una celda).

Varias teorías abordan cada uno de estos problemas. En cuanto al primer problema, se han propuesto cuatro escenarios. Moléculas orgánicas:

  1. fueron sintetizados a partir de compuestos inorgánicos en la atmósfera,
  2. llovió sobre la tierra desde el espacio exterior,
  3. fueron sintetizados en respiraderos hidrotermales en el fondo del océano,
  4. se sintetizaron cuando los cometas o asteroides chocaron contra la Tierra primitiva.

Escenario 1: Experimento de Miller

Stanley Miller, un estudiante de posgrado en bioquímica, construyó el aparato que se muestra en la Figura ( PageIndex {1} ). Lo llenó de agua (H2O), metano (CH4), amoniaco (NH3) e hidrógeno (H2), pero sin oxígeno. Hizo la hipótesis de que esta mezcla se parecía a la atmósfera de la Tierra primitiva. La mezcla se mantuvo circulando hirviendo continuamente y luego condensando el agua. Los gases pasaron a través de una cámara que contenía dos electrodos con una chispa entre ellos.

Al cabo de una semana, Miller utilizó cromatografía en papel para mostrar que el matraz ahora contenía varios aminoácidos, así como algunas otras moléculas orgánicas. Sin embargo, ahora se cree que la atmósfera de la Tierra primitiva era no rico en metano y amoníaco, ingredientes esenciales en los experimentos de Miller. En los años transcurridos desde el trabajo de Miller, se han probado muchas variantes de su procedimiento. Prácticamente todas las pequeñas moléculas que están asociadas con la vida se han formado:

  • 17 de los 20 aminoácidos utilizados en la síntesis de proteínas y todas las purinas y pirimidinas utilizadas en la síntesis de ácidos nucleicos.
  • Pero la síntesis abiótica de ribosa - y así de nucleótidos - ha sido mucho más difícil. Sin embargo, el éxito en la síntesis de ribonucleótidos de pirimidina en condiciones que podrían haber existido en la Tierra primitiva se informó en la edición del 14 de mayo de 2009 de Naturaleza.
  • Y en 2015, químicos en Cambridge Inglaterra dirigidos por John Sutherland informaron que habían podido sintetizar precursores de 12 de los 20 aminoácidos y dos (de los cuatro) ribonucleótidos utilizados por la vida, así como glicerol-1-fosfato, un precursor. de lípidos. Crearon todas estas moléculas utilizando solo cianuro de hidrógeno (HCN) y sulfuro de hidrógeno (H2S) irradiado con luz ultravioleta en presencia de catalizadores minerales.

Escenario 2: moléculas del espacio exterior

Los astrónomos, utilizando espectroscopía infrarroja, han identificado una variedad de moléculas orgánicas en el espacio interestelar, incluido el metano (CH4), metanol (CH3OH), formaldehído (HCHO), cianoacetileno (HC3N) (que en los experimentos de descarga de chispas es un precursor de la pirimidina citosina), hidrocarburos aromáticos policíclicos, así como componentes inorgánicos como el dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), amoníaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y cianuro de hidrógeno (HCN).

Ha habido varios informes de producción de aminoácidos y otras moléculas orgánicas en laboratorios tomando una mezcla de moléculas que se sabe que están presentes en el espacio interestelar, como el amoníaco (NH3), monóxido de carbono (CO), metanol (CH3OH) y agua (H2O), cianuro de hidrógeno (HCN) y exponerlo a una temperatura cercana a la del espacio (cercana al cero absoluto) y una intensa radiación ultravioleta (UV). Ya sea que las moléculas que formaron la vida terrestre llegaron aquí desde el espacio o no, hay pocas dudas de que materia orgánica llueve continuamente sobre la tierra (estimado en 30 toneladas por día).

Alternativamente, las moléculas orgánicas se pueden transportar a la Tierra a través de meteoritos, como se demostró con el Meteorito de Murchison que cayó cerca de Murchison, Australia el 28 de septiembre de 1969. Este meteorito resultó contener una variedad de moléculas orgánicas que incluyen: purinas y pirimidinas, polioles - compuestos con grupos hidroxilo en una cadena principal de 3 a 6 carbonos, como glicerol y ácido glicérico (los azúcares son polioles) y los aminoácidos enumerados en la Tabla ( PageIndex {1} ). Los aminoácidos y sus proporciones relativas eran bastante similares a los productos formados en los experimentos de Miller.

Meteorito Murchison en el Museo Nacional de Historia Natural (Washington). (CC SA-BY 3.0;: Basilicofresco).

Tabla ( PageIndex {1} ): Aminoácidos representativos encontrados en el meteorito Murchison. Seis de los aminoácidos (azules) se encuentran en todos los seres vivos, pero los otros (amarillos) normalmente no se encuentran en la materia viva aquí en la tierra. Los mismos aminoácidos se producen en experimentos de descarga como el de Miller.
GlicinaÁcido glutamico
AlaninaIsovalina
ValinaNorvaline
ProlinaN-metilalanina
Ácido aspárticoN-etilglicina

¿Contaminación?

La pregunta es si estas moléculas identificadas en el meteorito Murchison eran simplemente contaminantes terrestres que entraron en el meteorito después de que cayó a la tierra. Probablemente no:

  • Algunas de las muestras fueron recolectadas el mismo día de la caída y posteriormente manipuladas con mucho cuidado para evitar contaminaciones.
  • Los polioles contenían los isótopos carbono-13 e hidrógeno-2 (deuterio) en cantidades mayores que las que se encuentran aquí en la tierra.
  • Las muestras carecían de ciertos aminoácidos que se encuentran en todas las proteínas terrestres.
  • Solamente L Los aminoácidos se encuentran en las proteínas terrestres, pero los aminoácidos en el meteorito contienen tanto D y L formas (aunque L formas eran un poco más frecuentes).

Escenario 3: respiraderos hidrotermales de aguas profundas

Algunos respiraderos hidrotermales de aguas profundas descargan grandes cantidades de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono a temperaturas de alrededor de 100 ° C. (Estos no son "fumadores negros"). Estos gases burbujean a través de cámaras ricas en sulfuros de hierro (FeS, FeS2). Estos pueden catalizar la formación de moléculas orgánicas simples como el acetato. (Y la vida actual depende de enzimas que tienen átomos de Fe y S en sus sitios activos).

Escenario 4: Síntesis de laboratorio de bases nucleares en condiciones que imitan el impacto de asteroides o cometas en la Tierra primitiva

Investigadores en la República Checa informaron en 2014 que habían tenido éxito en la síntesis abiótica de adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U), las cuatro bases que se encuentran en el ARN (¿un comienzo de ARN?) y tres de los cuatro encontrados en el ADN. Lo lograron bombardeando una mezcla de formamida y arcilla con potentes pulsos de láser que imitaban la temperatura y la presión esperadas cuando un gran meteorito golpea la tierra. La formamida es una sustancia simple, CH3NO, se cree que fue abundante en la tierra primitiva y que contiene los cuatro elementos fundamentales para toda la vida.

Polímeros de ensamblaje

Otro problema es cómo polímeros - la base de la vida misma - podría ensamblarse.

  • En solución, la hidrólisis de un polímero en crecimiento pronto limitaría el tamaño que podría alcanzar.
  • La síntesis abiótica produce una mezcla de enantiómeros L y D. Cada uno inhibe la polimerización del otro. (Entonces, por ejemplo, la presencia de D aminoácidos inhibe la polimerización de L aminoácidos (los que forman las proteínas aquí en la tierra).

Esto ha llevado a la teoría de que los primeros polímeros se ensamblaron en superficies minerales sólidas que los protegían de la degradación, y en el laboratorio se sintetizaron polipéptidos y polinucleótidos (moléculas de ARN) que contienen alrededor de 50 unidades en superficies minerales (por ejemplo, arcilla).

¿Un comienzo de ARN?

Todo el metabolismo depende de las enzimas y, hasta hace poco, cada enzima resultó ser una proteína. Pero las proteínas se sintetizan a partir de información codificada en el ADN y se traducen en ARNm. Así que aquí hay un dilema del huevo y la gallina. La síntesis de ADN y ARN requiere proteínas. Por tanto, las proteínas no se pueden producir sin ácidos nucleicos y los ácidos nucleicos no se pueden producir sin proteínas. El descubrimiento de que determinadas moléculas de ARN tienen actividad enzimática proporciona una posible solución. Estas moléculas de ARN, llamadas ribozimas, incorporan las dos características necesarias para la vida: el almacenamiento de información y la capacidad de actuar como catalizadores.

Si bien todavía no se ha encontrado ninguna ribozima en la naturaleza que pueda replicarse a sí misma, se han sintetizado ribozimas en el laboratorio que pueden catalizar el ensamblaje de oligonucleótidos cortos en complementos exactos de sí mismos. La ribozima sirve tanto como el plantilla en el que se ensamblan pequeñas longitudes de ARN ("oligonucleótidos" siguiendo las reglas de apareamiento de bases y la Catalizador para unir covalentemente estos oligonucleótidos.

En principio, las funciones mínimas de la vida podrían haber comenzado con el ARN y solo más tarde las proteínas asumieron el control de la maquinaria catalítica del metabolismo y el ADN asumió el control como depósito del código genético. Varias otras pruebas respaldan esta noción de un "mundo de ARN" original:

  • Muchos de los cofactores que juegan tantos roles en la vida se basan en la ribosa; por ejemplo:
    • ATP
    • NAD
    • MODA
    • coenzima A
    • AMP cíclico
    • GTP
  • En la célula, todos los desoxirribonucleótidos se sintetizan a partir de precursores de ribonucleótidos.
  • Muchas bacterias controlan la transcripción y / o traducción de ciertos genes con moléculas de ARN, no con moléculas de proteínas.

¿Reproducción?

Quizás la forma más temprana de reproducción fue una simple fisión del agregado en crecimiento en dos partes, cada una con sistemas metabólicos y genéticos idénticos intactos.

¿La primera celda?

Para funcionar, la maquinaria de la vida debe estar separada de su entorno, alguna forma de líquido extracelular (ECF). Esta función la proporciona la membrana plasmática. Las membranas plasmáticas actuales están compuestas por una doble capa de fosfolípidos. Solo son permeables a moléculas pequeñas sin carga como H2O, CO2y O2. Se necesitan transportadores transmembrana especializados para que los iones, las moléculas orgánicas hidrófilas y cargadas (p. Ej., Aminoácidos y nucleótidos) entren y salgan de la célula.

Sin embargo, el mismo laboratorio de Szostak que produjo el hallazgo descrito anteriormente informó en la edición del 3 de julio de 2008 de Naturaleza que los ácidos grasos, los alcoholes grasos y los monoglicéridos, todas moléculas que se pueden sintetizar en condiciones prebióticas, también pueden formar bicapas lipídicas y estas pueden ensamblarse espontáneamente en vesículas cerradas.

A diferencia de las vesículas de fosfolípidos, estos

  • admitir desde el medio externo moléculas cargadas como nucleótidos
  • admitir desde el medio externo moléculas hidrofílicas como la ribosa
  • crecer por autoensamblaje
  • son impermeables y, por tanto, retienen polímeros como los oligonucleótidos.

Estos trabajadores cargaron sus vesículas sintéticas con una hebra única corta de desoxicitidina (dC) estructurada para proporcionar una plantilla para su replicación. Cuando las vesículas se colocaron en un medio que contenía dG (químicamente modificado), estos nucleótidos entraron en las vesículas y se ensamblaron en una hebra de Gs complementaria a la hebra molde de Cs. Aquí, entonces, hay un sistema simple que es un modelo plausible para la creación de las primeras células a partir de la "sopa" primitiva de moléculas orgánicas.

De organismos unicelulares a multicelulares

Esta transición es probablemente la más fácil de entender.

Varias algas verdes flageladas coloniales proporcionan una pista. Estas especies se denominan coloniales porque están formadas simplemente por grupos de células independientes. Si una sola celda de Gonio, Pandorina, o Eudorina está aislado del resto de la colonia, se alejará nadando pareciendo un Chlamydomonas celda. Luego, a medida que sufre mitosis, formará una nueva colonia con el número característico de células de esa colonia.

(Las figuras no están dibujadas a escala. Sus tamaños van desde Chlamydomonas, que tiene unos 10 µm de diámetro, un poco más grande que un glóbulo rojo humano, hasta Volvox, cuya esfera tiene unos 350 µm de diámetro, visible a simple vista).

La situación en Pleodorina y Volvox es diferente. En estos organismos, algunas de las células de la colonia (la mayoría en Volvox) no pueden vivir de forma independiente. Si se aísla una célula no reproductiva de una colonia Volvox, no podrá reproducirse por mitosis y finalmente morirá. ¿Lo que ha sucedido? De alguna manera, aún no está claro, Volvox ha cruzado la línea que separa los organismos coloniales simples de los verdaderamente multicelulares. A diferencia de Gonium, Volvox no puede considerarse simplemente una colonia de células individuales. Es un solo organismo cuyas células han perdido la capacidad de vivir de forma independiente. Si un número suficiente de ellos se daña, toda la esfera de células morirá.

¿Qué ha ganado Volvox? Al renunciar a su independencia, las células de Volvox se han convertido en especialistas. Todas las células ya no cumplen todas las funciones de la vida (como en las formas coloniales); en cambio, ciertas células se especializan para llevar a cabo determinadas funciones, dejando otras funciones a otros especialistas. En Volvox este proceso no va más allá de que ciertas células se especialicen para la reproducción, mientras que otras, incapaces de reproducirse, satisfacen las necesidades de fotosíntesis y locomoción.

En organismos multicelulares más complejos, el grado de especialización se lleva mucho más allá. Cada celda tiene una o dos funciones precisas que realizar. Depende de otras células para llevar a cabo todas las demás funciones necesarias para mantener la vida del organismo y, por tanto, la suya propia.

La especialización y división del trabajo entre las células es el resultado de su historia de diferenciación. Uno de los grandes problemas de la biología es cómo surge la diferenciación entre células, todas las cuales, surgidas por mitosis, comparten los mismos genes.

Se han secuenciado los genomas de Chlamydomonas y Volvox. Aunque uno es unicelular, el otro multicelular, no solo tienen aproximadamente el mismo número de genes que codifican proteínas (14,516 en Chlamydomonas, 14,520 en Volvox) sino que la mayoría de estos son homólogos. Volvox tiene solo 58 genes que no tienen parientes en Chlamydomonas e incluso menos ARNm únicos.

En algún momento, muchos de nosotros hubiéramos esperado que un organismo multicelular como Volvox con sus células diferenciadas y ciclo de vida complejo hubiera tenido muchos más genes que un organismo unicelular como Chlamydomonas. Pero ese no es el caso.

¿Cómo explicar esta aparente paradoja? Supongo que, tal como hemos visto en la evolución de los animales, estamos viendo aquí que la evolución de la complejidad organísmica no es tanto una cuestión de la evolución de los animales. nuevos genes sino más bien la evolución de los cambios en los elementos de control (promotores y potenciadores) que dictan cómo y dónde se expresarán las herramientas básicas de los genes eucariotas.

La evidencia es contundente de que todos estos organismos son parientes cercanos; es decir, pertenecen al mismo clado. Ilustran cómo las formas coloniales pueden surgir de las unicelulares y las formas multicelulares de las coloniales.

¿El último antepasado común universal (LUCA)?

Los 3 reinos de la vida contemporánea (arqueas, bacterias y eucariotas) comparten muchas similitudes de sus sistemas metabólicos y genéticos. Presumiblemente, estos estaban presentes en un organismo ancestral de estos grupos: el "LUCA". Aunque no hay suficientes datos en la actualidad para describir LUCA, la genómica y la proteómica comparativas revelan una relación más estrecha entre arqueas y eucariotas que la que comparten con la bacteria. Excepto, por supuesto, las mitocondrias y los cloroplastos que los eucariotas obtuvieron de los endosimbiontes bacterianos. Aún no se sabe si los endosimbiontes se adquirieron antes o después de que un linaje de arqueas adquiriera un núcleo y, por lo tanto, comenzara el linaje de eucariotas.

¿Creando vida?

Cuando me dirigí a la universidad (en 1949), escribí un ensayo en el que especulaba sobre la posibilidad de que algún día pudiéramos crear un organismo vivo a partir de ingredientes no vivos. Cuando terminé mis estudios formales en biología, habiendo aprendido de la increíble complejidad incluso del organismo más simple, llegué a la conclusión de que tal hazaña nunca podría lograrse.

Ahora no estoy tan seguro.

Varios avances recientes sugieren que podemos estar acercándonos a crear vida. (Pero tenga en cuenta que estos ejemplos representan manipulaciones de laboratorio que no reflejan necesariamente lo que pudo haber sucedido cuando apareció la vida por primera vez).

Ejemplos:

  • La capacidad de crear vesículas encerradas en membranas que pueden absorber moléculas pequeñas y ensamblarlas en polímeros que permanecen dentro de la "célula".
  • La capacidad de ensamblar ribosomas funcionales, las estructuras que convierten la información codificada en el genoma en las proteínas que hacen funcionar la vida, a partir de sus componentes.
  • En 2008, científicos del Instituto J. Craig Venter (JCVI) informaron (en Ciencias 29 de febrero de 2008) que habían logrado sintetizar un cromosoma bacteriano completo, que contiene 582,970 pares de bases, a partir de desoxinucleótidos individuales. Toda la secuencia del genoma de Mycoplasma genitalium ya era conocido. Usando esta información, sintetizaron unos 10,000 oligonucleótidos cortos (cada uno de aproximadamente 50 pb de largo) que representan el genoma completo del genitalium y luego, paso a paso, los ensamblaron en fragmentos cada vez más largos hasta que finalmente obtuvieron la molécula de ADN circular completa que es el genoma. .

    ¿Podría colocarse en el citoplasma de una célula viva y ejecutarlo?

    El mismo equipo mostró el año anterior (ver Ciencias 3 de agosto de 2007) que podían insertar un cromosoma completo de una especie de micoplasma en el citoplasma de una especie relacionada y, a su debido tiempo, el receptor perdió su propio cromosoma (quizás destruido por las enzimas de restricción codificadas por el cromosoma del donante) y comenzó a expresar el fenotipo del donante. En resumen, habían cambiado de una especie a otra. Pero el cromosoma del donante fue creado por la bacteria del donante, no sintetizado en el laboratorio. Sin embargo, no debería haber ningún obstáculo serio para lograr el mismo trasplante de genoma con un cromosoma sintetizado químicamente.

    ¡Lo han logrado! El mismo equipo informó el 20 de mayo de 2010 en el online Ciencias Expresar que habían trasplantado con éxito un genoma completamente sintético, basado en el de Mycoplasma mycoides - en la especie relacionada Mycoplasma capricolum. La cepa receptora creció bien y pronto adquirió el fenotipo de la M. mycoides donante.

  • En el número del 4 de abril de 2014 de Ciencias (Annaluru, N. et al.), un gran grupo de investigadores, incluidos muchos estudiantes universitarios de la Universidad Johns Hopkins, informaron que habían reemplazado con éxito el cromosoma 3 natural en Saccharomyces cerevisiae (que tiene 16 cromosomas) con un cromosoma totalmente sintético.

    Su procedimiento:

    1. Sintetizar químicamente oligonucleótidos de 69 a 79 nt que representan todos los tramos de la secuencia conocida del cromosoma 9 (que contiene 316,617 pares de bases) excepto para ciertas secuencias como transposones, muchos intrones y genes de ARN de transferencia. Además, se incluyeron secuencias nuevas, no nativas, como los sitios loxP, para ayudar a futuras manipulaciones del genoma.
    2. Une estos juntos en bloques de ~ 750 pares de bases. Este paso fue hecho in vitro por estudiantes inscritos en la clase "Build A Genome" en Johns Hopkins.
    3. Introdúzcalos en las células de levadura que los ligó en tramos de ADN que contienen de 2 a 4 mil pares de bases.
    4. Introduzca estos por pasos en las células de levadura para que reemplacen las porciones equivalentes del cromosoma nativo.
    5. El resultado: una cepa de levadura que crece tan bien con su nuevo cromosoma artificial (que ahora contiene solo 272.871 pares de bases) como antes.


Ver el vídeo: TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA (Enero 2022).