Abiogénesis

En biología , la abiogénesis o el origen de la vida es el proceso natural por el cual la vida ha surgido a partir de materia no viva, como compuestos orgánicos simples . La hipótesis científica predominante es que la transición de entidades no vivientes a vivientes no fue un evento único, sino un proceso evolutivo de complejidad creciente que involucró la formación de un planeta habitable , la síntesis prebiótica de moléculas orgánicas , la autorreplicación molecular, la autorreplicación . -ensamblaje , autocatálisis y aparición de membranas celulares. Se han hecho muchas propuestas para las diferentes etapas del proceso.

El estudio de la abiogénesis tiene como objetivo determinar cómo las reacciones químicas anteriores a la vida dieron lugar a la vida en condiciones sorprendentemente diferentes a las de la Tierra actual. Utiliza principalmente herramientas de la biología y la química , con enfoques más recientes que intentan una síntesis de muchas ciencias. La vida funciona a través de la química especializada del carbono y el agua, y se basa en gran medida en cuatro familias clave de sustancias químicas: lípidos para las membranas celulares, carbohidratos como los azúcares, aminoácidos para el metabolismo de las proteínas y ácidos nucleicos ., ADN y ARN para los mecanismos de la herencia. Cualquier teoría exitosa de la abiogénesis debe explicar los orígenes y las interacciones de estas clases de moléculas. Muchos enfoques de la abiogénesis investigan cómo surgieron las moléculas autorreplicantes , o sus componentes. Los investigadores generalmente piensan que la vida actual desciende de un mundo de ARN , aunque otras moléculas autorreplicantes pueden haber precedido al ARN.

El experimento clásico de Miller-Urey de 1952 demostró que la mayoría de los aminoácidos , los constituyentes químicos de las proteínas , se pueden sintetizar a partir de compuestos inorgánicos en condiciones destinadas a replicar las de la Tierra primitiva . Las fuentes externas de energía pueden haber desencadenado estas reacciones, incluidos los rayos y la radiación . Otros enfoques (hipótesis de "primero el metabolismo") se centran en comprender cómo la catálisis en los sistemas químicos de la Tierra primitiva podría haber proporcionado las moléculas precursoras necesarias para la autorreplicación.

Un enfoque de genómica ha buscado caracterizar el último ancestro común universal (LUCA) de los organismos modernos mediante la identificación de los genes compartidos por Archaea y Bacteria , miembros de las dos ramas principales de la vida (donde los eucariotas pertenecen a la rama bacteriana). 355 genes parecen ser comunes a toda la vida; su naturaleza implica que el LUCA era anaeróbico con la vía Wood-Ljungdahl , obtenía energía por quimiosmosis y mantenía su material hereditario con ADN , el código genético y los ribosomas .. Aunque LUCA vivió hace más de 4 mil millones de años (Gya), los investigadores no creen que fuera la primera forma de vida. Las células anteriores podrían haber tenido una membrana con fugas y haber sido alimentadas por un gradiente de protones que ocurre naturalmente cerca de un respiradero hidrotermal de humo blanco en las profundidades del mar .

La Tierra sigue siendo el único lugar en el universo que alberga vida, y la evidencia fósil de la Tierra informa la mayoría de los estudios de abiogénesis. La Tierra se formó hace 4,54 Gya; la evidencia indiscutible más antigua de vida en la Tierra data de al menos 3,5 Gya. Los microorganismos fósiles parecen haber vivido dentro de los precipitados de los respiraderos hidrotermales que datan de 3,77 a 4,28 Gya de Quebec , poco después de la formación del océano 4,4 Gya durante el Hadeano .

La vida consiste en la reproducción con variaciones (heredables). [3] La NASA define la vida como "un sistema químico autosuficiente capaz de una evolución darwiniana". [4] Tal sistema es complejo; el último ancestro común universal (LUCA), que vivió, presumiblemente como un organismo unicelular, hace unos 4 mil millones de años, ya tenía cientos de genes en su ADN , codificados en el código genético que hoy es universal. Eso a su vez implica que tenía un conjunto de maquinaria celular que incluía ARN mensajero, ARN de transferencia y ribosomas para traducir el código en proteínas .. Esas proteínas incluían enzimas para operar su respiración anaeróbica a través de la vía bioquímica Wood-Ljungdahl y, por ejemplo, una ADN polimerasa para replicar su material genético. [5] [6]

Las etapas en el origen de la vida van desde las más conocidas, como la Tierra habitable y la síntesis abiótica de moléculas simples, hasta las más desconocidas, como la derivación del último ancestro común universal (LUCA) con sus complejas funcionalidades moleculares. [1]
La estrategia de astrobiología de la NASA de 2015 tenía como objetivo resolver el rompecabezas del origen de la vida (cómo un sistema vivo en pleno funcionamiento podría surgir de componentes no vivos) a través de la investigación sobre el origen prebiótico de las sustancias químicas de la vida , tanto en el espacio como en los planetas . como el funcionamiento de biomoléculas tempranas para catalizar reacciones y apoyar la herencia . [2]
El experimento de Miller-Urey fue una síntesis de pequeñas moléculas orgánicas en una mezcla de gases simples en un gradiente térmico creado al calentar (derecha) y enfriar (izquierda) la mezcla al mismo tiempo, con descargas eléctricas.
La Nebulosa Pata de Gato se encuentra dentro de la Vía Láctea , en la constelación de Escorpio .
Las áreas verdes muestran regiones donde la radiación de las estrellas calientes colisionó con moléculas grandes y pequeños granos de polvo llamados " hidrocarburos aromáticos policíclicos " (HAP), lo que provocó su fluorescencia .
( Telescopio espacial Spitzer , 2018)
Formación de glicolaldehído en polvo de estrellas
El ciclo catalítico de Breslow para la dimerización de formaldehído y la formación de azúcares C2-C6
Las tres estructuras principales compuestas por fosfolípidos se forman espontáneamente por autoensamblaje en solución: el liposoma (una bicapa cerrada), la micela y la bicapa.
La ATP sintasa utiliza el gradiente de protones quimiosmótico para potenciar la síntesis de ATP a través de la fosforilación oxidativa .
Acoplamiento quimiosmótico en las membranas de una mitocondria
La hipótesis del mundo del ARN propone que la polimerización no dirigida condujo a la aparición de ribozimas y, a su vez, a una replicasa de ARN .
Las formas de vida más antiguas conocidas son microorganismos fosilizados putativos , que se encuentran en los precipitados de las fumarolas hidrotermales blancas. Es posible que hayan vivido tan pronto como 4,28 Gya (hace mil millones de años), relativamente poco después de la formación de los océanos 4,41 Gya, no mucho después de la formación de la Tierra 4,54 Gya. [61]
Célula temprana alimentada por un gradiente de protones externo cerca de un respiradero hidrotermal de aguas profundas. Siempre que la membrana (o los canales de iones pasivos dentro de ella) sea permeable a los protones, el mecanismo puede funcionar sin bombas de iones. [140]
El sitio activo de la enzima acetil-CoA sintasa , parte de la ruta de la acetil-CoA , contiene grupos de níquel-hierro-azufre.
Muchas biomoléculas, como el ácido L-glutámico , son asimétricas y ocurren en los sistemas vivos en solo una de las dos formas posibles, en el caso de los aminoácidos, la forma levógira. La química prebiótica produciría ambas formas, creando un rompecabezas para los investigadores de la abiogénesis. [217]