L'ésser humà és un ens complex, que a més d'encarregar-se de satisfer les necessitats bàsiques, també requereix donar explicació a la seva existència i orígens. D'aquí sorgeixen diversos postulats, que abasten des dels camps religiosos i filosòfics fins als científics. Dins del corrent científic, va ser postulada una teoria d'evolució molecular anomenada teoria quimiosintètica, basada en els estudis dels científics Alexander Oparin i John Haldane, els qui malgrat no haver treballat en conjunt van arribar a la formulació d'una mateixa hipòtesi. Aquesta hipòtesi, formulada per Oparin i Haldane a la dècada de 1920 (1924 en postulats clàssics), dóna continuïtat als fonaments plantejats en la teoria del big bang, s'oposa a la teoria de la generació espontània i planteja una alternativa davant de les teories religioses sobre el gènesi de la vida.
Què estableix la teoria quimiosintètica?
La teoria quimiosintètica de l'origen de la vida estableix que l'hidrogen (H2) present a l'atmosfera primordial va reaccionar amb àtoms de carboni, de nitrogen o d'oxigen formant un brou nutritiu ric en compostos orgànics simples. Aquest brou, també anomenat sopa primitiva o sopa primogènita, en entrar en contacte amb diverses fonts d'energia primitiva (raigs, radiació ultraviolada, calor volcànica) va donar origen a diversos aminoàcids, els quals constitueixen els blocs bàsics de la vida orgànica. Al llarg d'immensos períodes de temps, aquestes molècules es van anar combinant, organitzant i complexant fins a formar agregats moleculars amb activitat metabòlica, és a dir, sistemes capaços de realitzar processos similars als dels organismes vius més simples actuals.
En altres paraules, la teoria quimiosintètica proposa que, sota les condicions atmosfèriques i energètiques que van dominar la Terra durant els primers milers de milions d'anys, es va iniciar la síntesi abiòtica de molècules orgàniques. Amb el temps, aquestes molècules van formar estructures organitzades (coacervats, protobionts, microesfèrules proteiques, sulfobios, segons diferents autors) que progressivament van adquirir propietats com nutrició, excreció, reproducció i emmagatzematge d'informació genètica, permetent així el sorgiment de les primeres cèl·lules.
La teoria quimiosintètica: com va sorgir la vida a la Terra?
D'acord amb la teoria cosmològica més acceptada, l'univers es va originar a partir d'un estat extremadament dens i calent, i amb el pas del temps es van anar formant galàxies, estrelles i planetes. En aquest context, la terra primitiva va sorgir a partir d?un gran núvol de gas d?hidrogen i altres elements lleugers. Simultàniament es van originar el Sol i els altres planetes del sistema solar, i el jove planeta va experimentar un període de intensa activitat geològica i volcànica.
Al principi, la temperatura de la Terra era extremadament alta, però a poc a poc es va anar refredant i van començar a formar-se els oceans primitius a partir de la condensació del vapor daigua. Aleshores, l'atmosfera era molt diferent de l'actual: predominaven el vapor d'aigua, el metà (CH4), El amoníac (NS3), El diòxid de carboni (CO2) I el hidrogen molecular (H2). Aquesta barreja de gasos constituïa una atmosfera de caràcter principalment reductor, molt diferent de l'atmosfera oxidant actual rica en oxigen.
A diferència del que passa als nostres dies, en aquesta fase inicial no existia la capa d'ozó que avui protegeix la superfície terrestre de gran part de la radiació ultraviolada. Per això, tota mena de radiacions arribava directament a la superfície de la Terra, incloent raigs ultraviolats i infrarojos. A més, l'activitat volcànica intensa, els impactes de meteorits i les tempestes elèctriques freqüents aportaven quantitats enormes d'energia. En aquest escenari altament dinàmic i energètic, els primers compostos orgànics als oceans primitius -com carbohidrats simples, lípids y aminoàcids– van poder formar-se i destruir-se una vegada i una altra fins que, finalment, algunes combinacions van aconseguir certa estabilitat química que en va afavorir l'acumulació i l'evolució.
Durant milions d'anys, aquestes substàncies es van anar combinant químicament entre si, formant molècules cada cop més complexes que, segons Oparin, van quedar delimitades per una mena de membrana espontània. Aquestes agrupacions de molècules amb cert grau d'organització i separació del medi se les va anomenar protobionts. L'existència d'aquests sistemes primitius s'hauria prolongat durant llargs períodes de temps i, amb el pas de les generacions, alguns adquiriren característiques pròpies dels éssers vius, com la capacitat de nodrir-se, excretar deixalles y reproduir-se. Aquest darrer procés va implicar laparició de molècules capaces demmagatzemar i transmetre informació genètica, com els àcids nucleics.
Des d'una perspectiva evolutiva, aquests protobionts van antecedir les primeres cèl·lules simples que van aparèixer posteriorment. Es creu que els primers éssers vius que van sorgir a la Terra eren molt semblants a determinades bacteris actuals: organismes unicel·lulars, procariotes, molt senzills, que s'alimentaven de compostos orgànics ja existents al medi (heteròtrofs) i que amb el temps es van anar diversificant i complexitzant fins a donar lloc a organismes pluricel·lulars.
Condicions en l'atmosfera segons els postulats quimiosintètics
La teoria quimiosintètica estableix que la atmosfera primitiva havia de tenir característiques que propiciessin les reaccions reductores, ja que, si hi ha hagut una atmosfera amb tendències oxidatives semblant a l'actual, els components de la «Sopa primogènita» s'haurien degradat amb rapidesa. Per aquest motiu, els científics que han postulat les diverses teories evolucionistes afirmen que, en les condicions inicials del planeta, no va poder haver existit oxigen lliure en quantitats significatives, ja que les reaccions d'oxidació no haurien fomentat el desenvolupament progressiu de la vida a partir de compostos orgànics inestables.
Aquesta atmosfera reductora s'explica, en part, pel predomini de gasos com l'hidrogen, el metà, l'amoníac i el vapor d'aigua, juntament amb altres compostos com l'àcid cianhídric. En absència d'oxigen molecular (O2) i d'una capa d'ozó que filtrés la radiació, l'energia solar d'alta freqüència i les descàrregues elèctriques podien actuar directament sobre aquests gasos, trencant enllaços i afavorint la formació de noves molècules. Així es va generar un entorn químic on les reaccions de síntesi orgànica eren termodinàmicament possibles i podien sostenir-se de manera continuada.
Fonaments de la teoria quimiosintètica
L'etapa de la postulació d'una sèrie de teories que trencaven amb els precedents de la teoria de la generació espontània (àmpliament acceptada a la seva època) es va consolidar a partir dels estudis del científic francès Louis Pasteur, qui el 1864 va demostrar en els seus experiments que “allò viu procedeix del que és viu”. Aquests resultats van desmuntar la idea que els organismes podien sorgir immediatament a partir de matèria inert en les condicions actuals, i van obrir el camí per buscar explicacions més complexes i coherents sobre l'origen de la vida en un passat remot, amb condicions molt diferents.
Entre aquestes noves explicacions hi ha la teoria quimiosintètica, la qual estableix que la vida es va originar a partir de la reacció i combinació de elements químics bàsics presents a l'atmosfera i la hidròsfera primitiva. A continuació s'expliquen detalladament els principals elements que conformen aquest postulat:
Composició de la Terra als seus inicis: aquesta teoria considera que, al principi, el planeta tenia una atmosfera sense oxigen lliure, sent no obstant rica en altres components, principalment hidrogen (altes concentracions), per la qual cosa es tractava d'una atmosfera reductora. Aquesta característica propiciava l'alliberament d'àtoms d'hidrogen a les espècies químiques presents, afavorint reaccions d'addició i síntesi. Addicional a això, l'atmosfera contenia altres compostos químics bàsics com el àcid cianhídric (HCN), metà (CH4), diòxid de carboni (CO2), aigua (H2O) i altres substàncies. Aquesta barreja constituïa la base des de la qual es desenvoluparien les reaccions químiques prebiòtiques que van donar lloc als primers compostos orgànics.
- Formació de l'brou nutritiu: també conegut com sopa primogènita, va consistir en l'aglomeració d'un líquid nutritiu ric en molècules simples format per tots aquests components de l'atmosfera primitiva dissolts amb aigua. Aquest volum de líquid va donar origen als primers mars. Com va succeir això? La teoria quimiosintètica estableix que, com a conseqüència del refredament progressiu de l'atmosfera, es va produir una condensació del vapor d'aigua provinent dels volcans i de la superfície calenta del planeta. Les gotes d'aigua van arrossegar gasos i partícules, formant el brou nutritiu, el qual s'acumularia en depressions (oceans i llacs primitius) on romandria per llargs períodes de temps sense risc de descomposició massiva, a causa de l'absència d'oxigen i d'organismes degradadors.
- Aparició d'estructures més complexes: en aquest procés va ser vital l'acció de diverses fonts d'energia, com les tempestes elèctriques, les radiacions solars d'alta energia i les erupcions volcàniques. El resultat d'aquestes reaccions va ser la formació de components complexos com sucres simples, àcids grassos, glicerina y aminoàcids. Amb el pas del temps, l'evolució química va donar origen a unes estructures que Oparin va anomenar coacervats, és a dir, agregats col·loïdals de molècules orgàniques més resistents i avançades que van ser els precursors dels àcids nucleics actuals i, en general, dels sistemes vius.
Formació de coacervats
Oparin va establir que, en el procés d'evolució de les espècies químiques que conté brou primogènit, van sorgir els coacervats, els quals eren espècies complexes, formades per la unió de molècules orgàniques com proteïnes senzilles, lípids i polisacàrids. Durant certs processos de divisió i separació de fases, aquestes agrupacions es van unir en estructures més grans i estables, adquirint així una mena de membrana que les convertia en entitats relativament independents del medi circumdant. D'aquesta manera, es van generar sistemes amb capacitat de autosíntesi de substàncies (habilitat per produir part del seu propi aliment) i amb organització interna, que anirien evolucionant cap a formes cada cop més estables i complicades fins a convertir-se en veritables estructures vivents. Segons la teoria quimiosintètica, aquests organismes primordials van ser lorigen del món vegetal i animal del nostre planeta.
Inicialment, no existia una capa d'ozó que protegís les cèl·lules de la radiació directa del sol. Per això es creu que és possible que les primeres estructures es creessin i fossin destruïdes de forma recurrent per la incidència directa de lenergia solar. Després de milions d'anys, algunes d'aquestes cèl·lules primordials van poder evolucionar fins a conformar sistemes orgànics més complexos, cosa que els hauria permès multiplicar-se amb més eficàcia. Posteriorment, algunes d'aquestes formes de vida van començar a sintetitzar el vostre aliment a partir de l'energia solar, realitzant el procés de la fotosíntesi i alliberant oxigen molecular a l'atmosfera. Amb el temps, aquest oxigen atmosfèric va possibilitar la formació de la capa d'ozó, que va modificar de manera radical les condicions superficials i va permetre l'expansió de formes de vida més complexes.
A continuació es defineix de manera simplificada el procés de formació d'un coacervat:
- Tot inicia amb la formació d'una molècula orgànica organitzada i relativament estable al medi aquós.
- Conforme transcorre el temps, es forma una segona molècula complementària (una macromolècula, com un pèptid o un polímer simple) i la mateixa passa a formar part del coacervat, estabilitzant l'agregat molecular.
- Aquesta macromolècula, o conjunt, pot arribar a separar-se del coacervat original, mantenint part de la seva organització química.
- La macromolècula que s'ha separat comença a atraure altres compostos compatibles ia enllaçar-los a la seva estructura, recreant així un nou coacervat amb propietats similars a l'original. D'aquesta manera, s'insinuen processos de replicació rudimentària i de selecció química.
Aquesta hipòtesi sobre els coacervats es considera una base fonamental de la teoria quimiosintètica de l'origen de la vida en els primers moments, anteriors a l'existència de protobionts amb RNA o DNA capaços de replicar-se mitjançant mecanismes més semblants als dels bacteris procariots actuals.
Abans de procedir a determinar amb més detall el significat del terme coacervats, cal recordar-ne el origen etimològic. Es tracta d'una paraula que deriva del llatí, exactament del verb “coacervare”, que es pot traduir com acumular o amuntegar. El terme fa referència precisament a l'acumulació o agrupació de molècules en gotes col·loïdals dins d'un medi aquós.
Els coacervats són, per tant, sistemes formats per la unió de molècules complexes com a proteïnes elementals i aminoàcids, juntament amb altres compostos orgànics. Aquests sistemes es consideren models de éssers vius extremadament primitius, ja que, d'acord amb molts biòlegs i bioquímics, van resultar claus en el desenvolupament de la vida al planeta Terra, encara que no arribessin a ser cèl·lules completes tal com les coneixem avui.
Altres models precel·lulars: sulfobis i microesfèrules proteiques
Al llarg del temps diversos investigadors han proposat models alternatius o complementaris als coacervats per explicar les primeres fases de l'origen de la vida. Encara que aquests models no necessàriament representen les estructures reals que van existir a la Terra primitiva, sí que mostren com a partir de substàncies senzilles és possible generar sistemes amb cert nivell d'organització.
Alfonso Herrera, científic mexicà molt interessat en el problema de l'origen de la vida, va descriure uns models precel·lulars que va anomenar “sulfobis”. Aquests s'obtenien a partir de compostos inorgànics com el tiocianat d'amoni i la formalina, sense recórrer a substàncies biològiques preexistents. Encara que és poc probable que els sulfobis representin fidelment estructures que van antecedir les primeres cèl·lules reals, constitueixen un exemple il·lustratiu de com la matèria pot assolir nivells d'organització superiors a partir de graus més senzills. Herrera va ser el primer investigador que va utilitzar exclusivament substàncies no biològiques per dissenyar models experimentals relacionats amb lorigen de la vida.
Sidney Fox va proposar un altre model de sistemes precel·lulars coneguts com “microesfèrules proteiques”. Aquestes microesfèrules es generen mitjançant una sèrie de reaccions químiques en què els aminoàcids es polimeritzen per acció de la calor, originant cadenes peptídiques simples. Posteriorment, en dissoldre's en aigua sota condicions adequades de pH i de concentracions salines, aquests polímers tendeixen a afegir-se en estructures esfèriques envoltades per una mena de membrana o coberta. Encara que les microesfèrules mostren certa similitud morfològica amb les cèl·lules (presenten forma esfèrica, van delimitar intern i extern i fins i tot gradients químics), no es consideren sistemes vius complets. Tot i això, la seva formació ofereix una idea valuosa de com es van poder originar els primers sistemes organitzats previs a les cèl·lules.
Aportacions experimentals sobre la “sopa primitiva”
A més dels coacervats, sulfobis i microesfèrules, s'han desenvolupat nombrosos experiments per posar a prova la plausibilitat de la teoria quimiosintètica. Aquestes investigacions han buscat reproduir, de manera aproximada, les condicions de l'atmosfera i hidròsfera primitives i observar quin tipus de molècules orgàniques es poden formar de manera espontània.
Cyril Ponnamperuma va realitzar experiments que simulaven la hidròsfera i l'atmosfera primitives, basats en els principis generals de l'experiment clàssic de Miller i Urey. Aquest científic va col·locar un matràs on l'aigua es vaporitzava i acumulava tots els productes de la reacció d'una atmosfera reductora que, en contacte directe amb ella, formava el que en va anomenar una “sopa primitiva”. En una de les seves experiències, va exposar una solució de cianur d'hidrogen (HCN) a l'acció dels raigs ultraviolats durant diversos dies i va trobar que s'havien format les bases nitrogenades adenina i guanina, components essencials dels àcids nucleics presents en els sistemes vius. Aquest resultat va reforçar la idea que, en condicions plausibles de la Terra primitiva, era possible sintetitzar components clau del material genètic sense necessitat dintervenció biològica prèvia.
Experiment de Stanley Miller i Harold Urey
Si bé els postulats de la teoria quimiosintètica van ser asseguts inicialment per Oparin i Haldane, temps després dos científics –Stanley Miller y Harold Urey– recrearen en un experiment de laboratori a escala les condicions de l'atmosfera primitiva segons els models de la seva època. Per això, van sotmetre una barreja de hidrogen, metà y amoníac a múltiples descàrregues elèctriques, amb l'objectiu de simular les tempestes elèctriques que es creu eren freqüents a la Terra primerenca. El resultat va ser la síntesi de diversos àcids orgànics, entre ells aminoàcids.
El propòsit fonamental daquesta prova va ser la demostració que la síntesi de compostos orgànics podia ser un procés espontani que passa a partir de molècules senzilles presents a la primera atmosfera, sempre que hi hagi fonts d'energia adequades. Aquest experiment va constituir un dels suports empírics més influents a favor de la teoria quimiosintètica.
Per al disseny del seu experiment, Miller i Urey van utilitzar un recipient de vidre en circuit tancat, en què van col·locar certa quantitat d'aigua de manera que quedés parcialment plena i connectada a una altra cambra amb la barreja de gasos esmentats. L'aigua s'escalfava fins a bullir, produint vapor que circulava cap a la cambra de gasos, mentre que un sistema d'elèctrodes generava descàrregues elèctriques d'alt voltatge que travessaven la barreja simulant les tempestes prehistòriques. Posteriorment, el vapor i els gasos es tornaven a condensar i tornaven al matràs amb aigua, tancant així el cicle. L'experiment va tenir una durada aproximada de una setmana, transcurs després del qual es van analitzar els productes formats.
El primer indicador que havien passat reaccions químiques va ser el canvi de color de l'aigua, que a l'inici era transparent i, amb el temps, va adquirir un to rosa per finalment tornar-se marró. Aquest canvi es va interpretar com a conseqüència de la creixent concentració d'aminoàcids i altres molècules orgàniques sintetitzades al sistema. Mitjançant tècniques d'anàlisi química es van identificar diversos aminoàcids, entre ells glicina y alanina, a més d'altres compostos orgànics essencials.
Aquest experiment va ser una contribució decisiva que sustenta la teoria que les primeres formes de vida podrien haver-se format a partir de reaccions químiques espontànies a l'atmosfera i oceans primitius, sense necessitat d'una intervenció sobrenatural directa, sinó com a resultat de les lleis de la química i la física en un entorn adequat.
Limitacions per a la comprovació
Els experiments realitzats per comprovar la teoria quimiosintètica han aconseguit demostrar que és plausible que l'origen de la vida hagi estat tal com ho van exposar Oparin i Haldane, reforçat pels treballs d'investigadors com Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox i altres. No obstant això, no es pot obviar el fet que tot aquest procés va succeir al llarg de períodes de temps immensos, que van abastar la transformació gradual de la química del planeta.
A causa d'aquest ampli període de temps, que va abastar el procés sencer del sorgiment de la vida a la Terra, resulta impossible reproduir-lo íntegrament i amb fidelitat dins dels laboratoris. Els científics només poden recrear fragments de l'escenari primitiu sota certes suposicions, i estudiar reaccions específiques que aporten pistes sobre el que podria haver passat, però no reconstruir de manera exacta la història completa.
L'obstacle del temps, sumat a la pèrdua gairebé total d'evidència directa de les primeres etapes de la vida (no es conserven roques ni fòssils tan antics en bon estat), col·loca els investigadors davant d'un escenari complex. Potser mai no és possible saber amb absoluta precisió com es van formar els primers organismes que van habitar el planeta ni quina va ser la seqüència exacta dels esdeveniments químics i biològics.
Tot i aquest inconvenient, la teoria quimiosintètica ha permès dibuixar una imatge coherent i científicament fonamentada del que podia haver estat el gènesi de la vida a la Terra. Integrant dades de la geologia, la química, la biologia molecular i l'astrobiologia, s'ha construït un marc explicatiu on les molècules simples van donar pas, de manera gradual i afavorida per l'entorn, a sistemes complexos capaços d'autoreplicar-se, metabolitzar i evolucionar. Aquesta visió, en constant revisió i enriquiment, continua sent una de les propostes més sòlides per entendre com la matèria inert va poder transformar-se en vida al nostre planeta.
Bibliografia:
- Wetto. Milena (nd). Teoria Quimiosintètica: El Sorgiment de la Vida a la Terra:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Copyright. (2008-2019) DEFINICIÓ DE COACERVATS:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (Nd) Què és la Teoria quimiosintètica? Fonaments i experiment.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (nd). Teoria Quimiosintètica.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Amb totes aquestes aportacions teòriques i experimentals, la teoria quimiosintètica es consolida com una de les explicacions científiques més completes i detallades sobre l'origen de la vida, integrant la química de la Terra primitiva, l'energia disponible en aquest entorn i la capacitat inherent de la matèria per organitzar-se i evolucionar cap a formes cada cop més complexes.