Hoy debería estar en Londres, dando una charla y siendo “chairman” de una reunión en el European Planetary Science Congress. Había sido invitado para hablar del “ice world”, un modelo, o mas bien un modelo en construcción, acerca de los pasos previos al origen de la vida. Lo que llamamos “química prebiótica”, es decir, la química que precedió a la vida.

Pero no estoy en el congreso, cortesía de la política científica de nuestro gobierno y las instituciones científicas españolas (que no todo es culpa de Rajoy, hombre). Otro éxito de la Marca España, aunque sospecho que, aparte de para mí y para las personas que he dejado plantadas en Londres, esto no le importa a nadie demasiado, asi que voy a pasar a contaros un poco de qué va esto de la Química Prebiótica, poniendo como ejemplo una parte de mi trabajo. Así me quito el gusanillo de contarle mis “movidas” a alguien. Igual me sale una entrada algo complicadilla para un blog. Ya me diréis.

¿Alguna vez os habéis preguntado cómo se originó la vida?

Es una pregunta sin respuesta por ahora. De hecho, dadas las dificultades para definir la “vida” y sus límites, yo prefiero hablar de “origen de la evolución” y de “origen de la bioquímica”, ya que concretan dos aspectos mas manejables, sobre todo el segundo: la “bioquímica” tiene unas características químicas y termodinámicas muy concretas que la diferencian de otros procesos químicos. Pero aquí ya estamos avanzando demasiado. En otro post re-enfocaré el problema de un modo mas riguroso.

Simplificando, podemos pensar:

  1. La vida se originó “mágicamente” por intervención de algún poder divino, ya, de alguna manera vivo. Esta explicación, aunque sencilla en apariencia, rompe con el “principio de parsimonia”, es decir, carece de la sencillez necesaria y realmente apunta a una explicación mas compleja e incomprensible. Escapa al escrutinio de la razón, no conlleva ninguna correlación con ningún fenómeno observable y no es coherente con nuestro conocimiento de la realidad. Digamos que hablar de dioses en este tema es “escurrir el bulto”.
  2. Primero se formaron los componentes químicos orgánicos necesarios que componen los organismos vivos: amino acidos, hidroxi ácidos, acidos dicarboxílicos y tricarboxilicos, azúcares, bases nitrogenadas, lípidos… que de alguna manera se organizaron para dar lugar al primer sistema bioquímico. Es lo que yo llamo el escenario clásico, postulado por pioneros como Miller, Urey, Haldane y Oparin. También se llama la “hipótesis de la sopa prebiótica“. 
  3. En un ambiente cálido, de tipo hidrotermal y con ayuda de minerales, especialmente minerales de sulfuro de hierro (pirrotita, mackinawita, pirita), y a partir de CO2 y otros gases, tiene lugar el establecimiento de sistemas químicos proto-bioquímicos, con capacidad evolutiva. Es lo que se suele llamar iron-sulfur world, postulado independientemente en diferentes formas por Mike Russell y Günter Wächtershäuser. Hay otras variantes al escenario mineral, como el clay world de Cairns-Smith.
  4. Una forma intermedia, que es mi propuesta. En un ambiente adecuado, en presencia de hielo, se forman algunos componentes orgánicos esenciales que, en unión con los minerales adecuados y el origen paralelo de otros componentes básicos, conduce al establecimiento de sistemas proto-bioquímicos.
La “sopa primordial”, una forma divertida de aproximarse al origen de la vida. Algunos autores sostienen que, actualmente, y dado el relevante papel de minerales o hielos en el proceso, debería llamarse “gazpacho primordial”. En serio. 
La visión clásica
En ésta idea se lleva trabajando casi un siglo ya. Pero no se han conseguido mas resultados que acumular experimentos que, en las más variadas condiciones, llevan a la formación de diversas moléculas orgánicas, dominadas por amino ácidos y tholin, del que hablaremos después. El esquema podría ser éste:

Observad los interrogantes: son los pasos para los que no hay una respuesta clara. ¿como se llega de los componentes básicos al Dogma Central de la Biología Molecular y a la primera célula? ni idea.


Dogma central: el DNA forma RNA que se traduce a proteína. Es lógico pensar entonces que, en el origen de la vida, primero se formara una molécula como el RNA, que puede al mismo tiempo almacenar información, generar proteínas y eventualmente asumir una función catalítica (ribozimas). Pero, entonces, ¿por que se forman tantos amino ácidos y es tan dificil encontrar un modo en el que se formó el primer RNA? 

Todo este escenario clásico se apoya en experimentos como éste:

En éste tipo de experimentos, tenemos una “atmósfera” coherente con las posibles atmósferas existentes en la Tierra antes del origen de la vida, las sometemos a descargas eléctricas (rayos) o radiaciones (simulando los rayos cósmicos y los ultravioletas del Sol) y se forman una serie de componentes orgánicos, sobre todo amino ácidos, hidroxiácidos, ácidos dicarboxílicos como el succínico, algunos heterociclos nitrogenados. Pero, a diferencia de los que pone en algunos libros generalistas poco informados, en estas condiciones NO se forman bases nitrogenadas (o se forman forzando algunas condiciones), azúcares ni lípidos.

Esquema del diseño clásico del experimento de Miller, ahora mismo obsoleto tanto en diseño como en componentes, pero que supuso la piedra angular del estudio experimental sobre el origen de la vida. Pero, a diferencia de lo que muchos libros simplistas dicen, el experimento de Miller ni se acerca a explicar el Origen de la Vida. Es más,  paradógicamente puede que sea lo contrario: una prueba de cómo NO se originó la vida.

Sobre todo, el compuesto orgánico que más se forma en estos experimentos, de los que el famoso experimento de Stanley Miller en 1953, que veis mas arriba, fué uno de los pioneros (no el primero, como dicen algunos libros: hubo antecedentes) es el tholin.

El tholin es un material macromolecular muy complejo, bautizado así por Carl Sagan, que estudió ampliamente éste fenómeno, que se merece por sí solo un capitulo completo. El tholin es una sustancia interesante: está formada por cadenas muy insaturadas y redes de moléculas que contienen nitrógeno y desvelar sus estructuras ha sido un trabajo largo. Es muy dificil de atacar químicamente y muy estable. De hecho, posiblemente sea de una de las formas mas estables de materia orgánica que podamos imaginar. Pero cuando se consigue atacar en medio acuoso, o en una lenta hidrólisis, libera componentes como cianuro, urea, adenina, ácido succínico…


Carl Sagan en su juventud, en su laboratorio. Quizá el divulgador científico mas importante hasta ahora (con permiso de Neil deGrasse Tyson, que va camino de ello), pero por encima de ello fué un investigador prolífico. Entre sus trabajos, se incluye la definición y estudio del Tholin, la materia orgánica mas abundante del Universo. Pero realizó importantes contribuciones a la naciente Astroquímica y Química Prebiótica.

La validez de estos experimentos para entender la química en planetas y otros objetos astronómicos ha quedado demostrada por las observaciones. Por ejemplo, Titan:

Aquí le veis, acompañado por otro satélite de Saturno, Mimas, al fondo, en una preciosa imagen de la sonda Cassini. Titán debe su color a la presencia de grandes cantidades de tholin, generado gracias a su densa atmósfera de nitrógeno y su superficie llena de metano y otros hidrocarburos. Comparad el color con el de tholin que hemos obtenido en el laboratorio:

Parecido, ¿verdad? Dicen que el tholin es la materia orgánica mas abundante del Universo. Desde luego, es la que mas se forma cuando simulamos las condiciones atmosféricas de lugares como Titán o la supuesta Tierra primitiva.
Pero…¿tuvo algun papel el tholin en el origen de la Vida?. No lo sabemos.

El esquema general de este modelo “atmosférico” para el origen de la bioquímica sería éste:

Que nos plantea la pregunta: Una atmósfera conteniendo nitrógeno y otros componentes menores (metano, oxidos de carbono, hidrógeno y agua), que es la atmósfera que pensamos tuvo la Tierra en tiempos del origen de la vida, con ayudas externas, como materia orgánica aportada por cometas (hechos de hielo), meteoritos…puede dar lugar a una serie de componentes básicos. ¿pueden estos componentes originar la vida?. No lo sabemos.

Sabemos que las atmósferas planetarias primordiales pueden generar tholin y muchos amino ácidos y otros ácidos como el succínico. Pero también sabemos que es muy dificil generar eficazmente las bases nitrogenadas, y que los azúcares y los lípidos no se generan para nada. Algo falta.

Alanina cristalizada. La alanina, un amino ácido, se obtiene en cantidad significativa por Química Prebiótica. Pero…la vida no son sólo mezclas de amino ácidos.

Un mundo de hielo

Sabemos que los cometas y otros objetos, como las condritas carbonáceas, son auténticas “factorías” de compuestos orgánicos. En los hielos extraterrestres se producen muchos compuestos como bases nitrogenadas, urea, formamida, ácido cianhídrico,…cuyo papel en el origen de la vida pudo ser esencial. 
El cometa Hyakutake, visto por el telescopio espacial Hubble, mostrando la “atmósfera” de material, gases y vapores orgánicos, sublimándose de su núcleo helado al pasar cerca del Sol. Algunos autores sugieren que estos materiales, al chocar con la Tierra, debieron aportar componentes esenciales para el Origen de la Vida.
Nosotros nos preguntamos: ¿como se forman estos componentes orgánicos? ¿como será la química de un lugar como Europa, la luna helada de Júpiter, en la que pensamos que existe un océano oculto de agua líquida?. 
Asi que pasamos a la acción en el laboratorio y descubrimos algo interesante:

Un medio helado, en especial hielo de agua en equilibrio con agua líquida y sometido a variaciones térmicas, con congelación y descongelación, es un medio que favorece extraordinariamente la formación de purinas, pirimidinas, otros heterociclos, hidrocarburos aromáticos, ácidos carboxílicos como el succínico, acético, glicólico, oxálico, málico… y en especial del ácido glioxílico.

Las purinas y pirimidinas son muy interesantes, porque son componentes de los ácidos nucleicos, como el ARN, y además componentes de algo quizá mas interesante desde el punto de vista del origen de la vida: los cofactores enzimáticos. Lo interesante es que en ausencia de hielo, estos compuestos no se forman. En cambio, se forman los clásicos amino ácidos y tholin. Así, la temperatura y sobre todo, la presencia de agua helada, cambia completamente la química del sistema.

¿y si el hielo fue esencial en los primeros pasos del proceso de evolución o en el origen de la bioquímica?

Cristales de hielo en forma de prismas hexagonales, obtenidos mediante sublimación. El proceso de cristalización del hielo es fundamental en los experimentos en los que se forman purinas y pirimidinas.

 Estructura de un ácido nucleico: purinas (dos anillos) y pirimidinas (un anillo), unidas a azúcares y fosfato, formando un polímero. El hielo puede ser un factor clave en el origen ancestral de las purinas y pirimidinas. Pero…¿como se originaron los ácidos nucleicos?. Tal vez su origen fué tardío. Tal vez la clave fue la formación de cofactores, que con ayuda de complejos metálicos y superficies minerales, crearon el ambiente catalítico a partir del cual se formaron otras moléculas. Hay autores que sugieren que moléculas como los amino ácidos y péptidos, se produjeron por evolución química, a partir de un sistema proto-metabólico. Es decir, primero fué el metabolismo y después las estructuras. 

Una cosa está clara: un ambiente helado favorece la formación de los precursores ideales para un sistema proto-bioquímico: los heterociclos y el ácido glioxílico. El esquema entonces quedaría de ésta forma:

Resultado de unir el “ice world” que favorece la síntesis de precursores con el escenario del glioxilato, como precursor de los nucleósidos y los primeros azúcares, propuesto por Albert Eschenmoser. El sistema proto-metabólico sería entonces el impulsor de un aumento de complejidad y de la formación de nuevos componentes y estructuras. Compuestos como amino ácidos, proteínas, azúcares y lípidos, serían productos biológicos o proto-bioquímicos, no compuestos presentes originalmente en la “sopa prebiótica”.

Independientemente de las preguntas que se abren, el escenario de hielo nos completa la visión del edificio de la Química Prebiótica, que quedaría condensado en ésta forma:

Esta Química además, nos abre el apetito para explorar un lugar, a priori, muy interesante: Europa, que ya citábamos antes. Europa puede tener un océano acuoso en contacto con hielo. Es posible que contenta una química orgánica muy rica y, tal como vemos, puede deparar interesantes sorpresas: tal vez Europa sea una “fotografía” de las condiciones químicas que se dieron justo antes del Origen de la Vida en la Tierra, ya que el problema no es el origen de los componentes. Es: ¿como pasamos de una mezcla de componentes en equilibrio a un sistema complejo altamente organizado, como es la bioquímica?. Esta es la gran pregunta de la Ciencia del Origen de la Vida.

Una preciosa imagen de Europa, saliendo tras el horizonte de Júpiter. Su superficie de hielo encierra un misterio que quizá nos ayude a entender cómo se origina la vida. La foto fué tomada por la nave New Horizons, en su camino hacia Plutón.

 La propuesta del Ice World no pasaría de una curiosidad de laboratorio o de una manera de entender la química de objetos del Sistema Solar, si no fuera porque el estudio de las condiciones geoquímicas y ambientales que tenía la Tierra hace mas de 3500 millones de años está cambiando sus ideas: algunos autores sugieren que tal vez en esa época la Tierra era mas fría de lo que se pensaba, con presencia de importantes casquetes helados. Es posible que, en un futuro próximo, pensemos que la vida se formó gracias al hielo. 

Lamentablemente, yo no puedo seguir investigando sobre el tema, debido a que la Administración ha cortado toda mi financiación y me ha dejado sin trabajo.

¿quieres saber mas?:

http://issuu.com/hosomichi/docs/c2cs35060b
http://issuu.com/hosomichi/docs/cesar_chem_eur_j_2013
http://issuu.com/hosomichi/docs/chemistry_menor-salvan
http://issuu.com/hosomichi/docs/121-129_la_qu__mica_del_origen_de_l

Esta entrada iba a participar en el XXVII Carnaval de Química, alojado en el blog Educación Química, pero por alguna razón no fué recogida por su anfitrión, asi que, ahora si (espero), participa en el XXVIII Carnaval de Química organizado por Flagellum, un estupendo blog de divulgación científica.

Y también participa en el XXV Carnaval de Biología, alojado en el blog Ser Vivo
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11 Comments

  1. Artículo muy interesante. Me ha sorprendido saber que en el experimento de Miller no se forman bases nitrogenadas, ni lípidos ni glúcidos. Lo que comentas del hielo es también muy interesante. Siempre nos han dicho que la Tierra era una bola de fuego en los primeros tiempos, que estaba enfriándose. Pero pasado un tiempo de su formación quizá pudo acumular hielo.
    Un saludo, Julián

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    1. Muchas gracias!. Pues si, es un mito en torno al experimento de Miller, desarrollado por culpa de libros de texto mal redactados y simplistas. Suelo comentarlo siempre para desmitificar esta idea y puntualizar que realmente no sabemos cómo se originó la vida. Tan solo tenemos un boceto, o mas bien un esbozo, de lo que pudo ocurrir.
      Respecto a las condiciones de la Tierra primitiva en sus inicios, es objeto de discusión muy activa. Pero creo que pronto tendremos una imagen mas clara y habrá que ir cambiando algunas ideas arraigadas.

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  2. Acabo de leer el post ¿Podría la vida haber comenzado en Marte? en el que se comenta que en el experimento de Miller se produjo glucosa y ácido acético . Esto parece contradecir lo de que no se produjeron glúcidos ni lípidos. ¿Cuáles es tu opinión?

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    1. No se a que post te refieres. En el experimento de Miller NO se produce glucosa en absoluto, ni nada parecido. El ácido acético es un producto común en los experimentos de química prebiótica, sin embargo no es especialmente abundante tampoco en el experimento de Miller.

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    1. Si, ya lo he localizado y les he mandado un mensaje echandoles una pequeña reprimenda. Es que los blogs no son el mejor medio para aclararse! jajajja. Hombre, yo se de lo que hablo porque es mi trabajo y en mi blog intento hablar de cosas que he estudiado lo mas profundamente posible.
      Te recomiendo, no obstante, el articulo que te citaba:

      http://issuu.com/hosomichi/docs/121-129_la_qu__mica_del_origen_de_l

      Es muy químico, pero da una visión general del tema y creo que es legible.
      En lineas generales el experimento de Miller fue un gran comienzo, pero no aporta NINGUNA pista sobre el origen de la vida, realmente. Solo que pueden formarse aminoácidos. nada mas. Es como pensar que por el hecho de que haya piedras, se pueden construir casas.

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  3. Gracias, John. Úicamente no estoy de acuerdo contigo en que los blogs no sean el mejor medio para aclararse. En los blogs el conocimiento se hace democrático y no dogmático, sobre todo si se contestan los comentarios y se dan las razones y referencias de lo que se afirma.
    Un saludo

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    1. Sí estas de acuerdo: ¡yo tengo un blog precisamente por eso!. Cuento cosas sobre ciencia que me competen, de un modo abierto, no dogmático y no académico. O lo intento en la medida de lo posible!. Pero en la virtud también está el vicio: cualquiera puede ponerse a hablar sobre temas sin la información adecuada, confundiendo a los lectores, como ha sido este caso :). No es problema de que los blogs no sean buenos, es problema de que el que escribió eso, se puso a escribir sin saber de lo que escribía.

      Es responsabilidad del que escribe no ponerse a hablar de lo que no sabe. Aunque todos saquemos alguna vez los pies del tiesto, si intentamos evitarlo, tu idea del conocimiento democrático de los blogs será mas fuerte.

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  4. El que lee un blog, en general, no sabe si el que lo ha escrito sabe o no sabe. En este caso está escrito en Naukas que presume de criticismo y escepticismo. Por eso con el debate la cosa se aclara . En el caso que comentamos, supongo que te responderá y dará sus razones o admitirá lo que tu dices..

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    1. Efectivamente, por eso decía que es responsabilidad del que escribe el escribir sabiendo lo que dice. Cuando escribimos articulos en revistas científicas, los articulos se someten a un proceso de revisión en el que expertos en la materia leen el texto. Eso no existe en un blog, pero, como bien dices, en un blog hay una sección de comentarios para aclarar o debatir 😉
      Veremos que dicen. En cualquier caso me alegro de que hayas leído cosas y te hayas interesado por el tema, eso anima a escribir mas!

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