Primera evidencia de que los aminoácidos se formaron poco después del Big Bang

En 1952, los químicos Stanley Miller y Harold Urey reprodujeron las condiciones que existían en la Tierra hace unos cuatro mil millones de años. Mezclaron agua, amoníaco, metano e hidrógeno en un matraz sellado, calentándolo y apagándolo con chispas para simular un rayo. El experimento es famoso porque en unos pocos días, el matraz comenzó a llenarse de moléculas orgánicas complejas como los aminoácidos, que son los componentes básicos de la vida.

Las implicaciones eran claras. Si los componentes básicos de la vida son fáciles de producir, quizás la vida misma no sea tan difícil de crear. Planteó la posibilidad tentativa de que la vida pueda surgir en el universo donde las condiciones lo permitan.

Desde entonces, los astrónomos han encontrado evidencia de las mismas moléculas en otros planetas, en asteroides e incluso en el espacio interestelar.

Y eso plantea algunas preguntas interesantes. ¿Cómo se formaron por primera vez las moléculas en el universo y cuándo surgieron las más complejas? ¿Y qué sugiere esto sobre el origen de la vida?

Hoy recibimos una respuesta del trabajo de Stuart Kauffman en el Instituto de Biología de Sistemas en Seattle y colegas de la Universidad Eotvos en Budapest. Estos muchachos han simulado la forma en que las moléculas deben haberse formado en el universo primitivo y han mostrado cómo esto reproduce la mezcla química que los astrónomos ahora observan en el espacio. El trabajo tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión del origen de la vida y de cómo podríamos recrearla en el laboratorio con biología sintética.

Primero, algunos antecedentes. En la Tierra, la vida parece haber comenzado hace unos cuatro mil millones de años en condiciones muy diferentes a las que existen hoy. Miller y Urey los reprodujeron en su famoso experimento.

Pero, en primer lugar, ¿cómo llegó la Tierra a tener esta mezcla? Los astrónomos pueden ver evidencia en el espacio de moléculas simples, como el agua y el amoníaco, pero también de otras más complejas, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos y los aminoácidos. Entonces, ¿cómo surgió esta mezcla?

La respuesta general es que el Big Bang creó grandes cantidades de hidrógeno y helio, que se fusionaron dentro de las primeras estrellas para crear elementos más pesados ​​como el carbono, el oxígeno y el nitrógeno. Y la formación estelar adicional forjó el conjunto más pesado de elementos que vemos en la Tierra hoy.

Pero la forma en que estos elementos se combinaron para formar moléculas no se entiende claramente. Una de las razones es que el número de moléculas posibles es enorme. El número de moléculas diferentes aumenta superexponencialmente con el tamaño del conjunto [de átomos], dicen Kauffman y compañía.

Así que simplifican el problema mirando solo la masa de las moléculas posibles. Este es un grupo más pequeño y, por lo tanto, más fácil de considerar, porque muchas moléculas diferentes pueden tener la misma masa.

La distribución de moléculas en la Tierra es un buen punto de partida, porque representa el entorno químicamente más diverso conocido por la ciencia.

Así que Kauffman y compañía observaron la distribución de masas moleculares en la Tierra, tomadas de la Base de datos PubChem de más de 90 millones de moléculas, la gran mayoría de las cuales son naturales. Esta distribución alcanza su punto máximo en aproximadamente 290 daltons (equivalente en masa a aproximadamente 24 átomos de carbono).

Sin embargo, muchas moléculas diferentes tienen esta misma masa. La distribución también tiene una cola larga de moléculas de gran masa medidas en miles de daltons.

A continuación, los investigadores compararon esta distribución con la del meteorito Murchison, una gran roca espacial bien estudiada que cayó sobre la ciudad de Murchison, Australia, en 1969.

Diversos análisis muestran que esta roca contiene al menos 58.000 moléculas diferentes. Pero por razones experimentales, las masas por debajo de 200 daltons y por encima de 2000 daltons no se pueden medir, por lo que Kauffman y compañía tienen que corregir esta omisión.

La distribución de la masa en estas moléculas sigue un patrón similar al observado en la base de datos de PubChem. La distribución de Murchison alcanza un máximo de alrededor de 240 daltons y tiene una cola extendida. Eso es útil porque el meteorito de Murchison data de la formación del sistema solar hace unos cinco mil millones de años, lo que lo convierte en una instantánea de la evolución química de un tiempo anterior.

La idea clave de este artículo es que, al comparar las dos distribuciones, es posible determinar cuándo se debieron formar por primera vez las moléculas complejas.

Una parte importante del rompecabezas es cómo surgió este patrón de distribución. Para averiguarlo, Kauffman y compañía estudian el espacio de todas las sustancias químicas posibles y muestran que las moléculas pueden crecer de dos maneras diferentes.

En el primero, se forman moléculas más grandes a partir de las reacciones de moléculas más pequeñas en una acumulación aleatoria. En este proceso, casi todas las moléculas pequeñas y composiciones posibles se crean después de cierto tiempo, dicen los investigadores.

Sin embargo, la acumulación aleatoria no puede explicar la distribución de moléculas muy grandes. Kauffman y compañía dicen que estos deben formarse en un proceso diferente, llamado apego preferencial. Por ejemplo, las cadenas peptídicas o los hidrocarburos aromáticos policíclicos no se construyen mediante la acumulación aleatoria de átomos, sino predominantemente a partir de la acumulación de bloques más grandes, como aminoácidos y anillos aromáticos, dicen.

La clave es que cada proceso conduce a una distribución diferente. La acumulación aleatoria provoca el pico de 240 daltons a partir de moléculas pequeñas que se forman con relativa rapidez. La unión preferencial crea la cola larga de moléculas más grandes, que se forman mucho más tarde.

Al comparar los tamaños relativos de estas dos distribuciones en el meteorito Murchison y en la Tierra, debería ser posible extrapolar hacia atrás para determinar cuándo comenzó el proceso de unión preferencial, en otras palabras, cuándo aparecieron los aminoácidos por primera vez en el universo.

Eso es exactamente lo que hacen Kauffman y compañía. Y la respuesta es que los aminoácidos aparecieron por primera vez unos 168 millones de años después del Big Bang, un mero abrir y cerrar de ojos en términos cosmológicos.

Todo esto pone el experimento Miller-Urey en una perspectiva muy diferente. En lugar de simular las condiciones en las que surgió la vida en la Tierra, este experimento en realidad reproduce las condiciones en las que se formaron los aminoácidos por primera vez en el universo primitivo. De hecho, esto parece haber ocurrido mucho antes de lo que nadie imaginaba.

Eso tiene implicaciones significativas para nuestro pensamiento sobre los orígenes de la vida. Los resultados sugieren que los principales ingredientes de la vida, como los aminoácidos, los nucleótidos y otras moléculas clave, surgieron muy temprano, alrededor de 8 a 9 mil millones de años antes de la vida, dicen Kauffman y compañía.

Dado que las condiciones precisas en las que evolucionó la vida en la Tierra tardaron entre ocho y nueve mil millones de años en surgir, los aminoácidos no pueden ser un signo de potencial de vida en absoluto, como se pensó después del experimento de Urey-Miller. Su existencia en las muestras no es de ninguna manera un precursor inmediato de la vida, dicen Kauffman y compañía.

Esto también explica por qué los intentos de extender experimentos como los de Urey y Miller durante meses y años nunca han arrojado nada interesante. Incluso las simulaciones por computadora del origen de la vida nunca han arrojado evidencia clara de cómo se puede dar el paso de los aminoácidos a las redes químicas autocatalíticas y luego a las moléculas de vida que se reproducen a sí mismas.

Eso pone algunos frenos a la idea de que el universo podría estar repleto de vida. En cambio, los biólogos que estudian el origen de la vida tendrán que observar mucho más de cerca las condiciones especiales en las que se produce la evolución biológica o, como Kauffman y sus colegas, posquímica. Los secretos de la vida están codificados en las interacciones y la evolución posquímica de estas familias de moléculas, dicen.

Claramente, hay mucho trabajo por hacer.

Ref: http://arxiv.org/abs/1806.06716 : El reloj de la evolución química

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