La sopa primordial , también conocida como sopa prebiótica , es el conjunto hipotético de condiciones presentes en la Tierra hace unos 3.700 a 4.000 millones de años. Es un aspecto de la teoría heterotrófica (también conocida como hipótesis de Oparin-Haldane ) sobre el origen de la vida , propuesta por primera vez por Alexander Oparin en 1924 y JBS Haldane en 1929. [1] [2]
Según la formulación de Oparin, en las capas superficiales de la Tierra primitiva, el carbono , el hidrógeno , el vapor de agua y el amoníaco reaccionaron para formar los primeros compuestos orgánicos . El concepto de una sopa primordial ganó credibilidad en 1953 cuando el " experimento Miller-Urey " utilizó una mezcla altamente reducida de gases ( metano , amoníaco e hidrógeno) para formar monómeros orgánicos básicos, como los aminoácidos . [3]
La idea de que los seres vivos se originaron a partir de materiales inanimados proviene de los antiguos griegos: la teoría conocida como generación espontánea . Aristóteles, en el siglo IV a. C., dio una explicación adecuada al escribir:
Así, en los animales, algunos proceden de padres animales según su especie, mientras que otros crecen espontáneamente y no de un tronco afín; y de estos casos de generación espontánea, algunos proceden de tierra putrefacta o de materia vegetal, como es el caso de varios insectos, mientras que otros se generan espontáneamente en el interior de los animales a partir de las secreciones de sus diversos órganos. [4]
— Aristóteles, Sobre la historia de los animales , Libro V, Parte 1
Aristóteles también afirma que no sólo los animales se originan de otros animales similares, sino también que los seres vivos surgen y siempre han surgido de la materia inerte. Su teoría siguió siendo la idea dominante sobre el origen de la vida (fuera de la deidad como agente causal) desde los filósofos antiguos hasta los pensadores del Renacimiento en diversas formas. [5] Con el nacimiento de la ciencia moderna, surgieron refutaciones experimentales. El médico italiano Francesco Redi demostró en 1668 que los gusanos se desarrollaban a partir de carne podrida solo en un frasco en el que podían entrar moscas, pero no en un frasco con tapa cerrada. Concluyó que: omne vivum ex vivo (Toda vida proviene de la vida). [6]
El experimento del químico francés Louis Pasteur en 1859 se considera el golpe mortal a la generación espontánea. Demostró experimentalmente que los organismos (microbios) no pueden crecer en agua esterilizada, a menos que esté expuesta al aire. El experimento le valió el Premio Alhumbert en 1862 de la Academia Francesa de Ciencias , y concluyó: "La doctrina de la generación espontánea nunca se recuperará del golpe mortal de este simple experimento". [7]
Los biólogos evolucionistas creían que una especie de generación espontánea, pero diferente de la simple doctrina aristotélica, debió haber funcionado para el surgimiento de la vida. El biólogo francés Jean-Baptiste de Lamarck había especulado que la primera forma de vida comenzó a partir de materiales no vivos. "La naturaleza, por medio del calor, la luz, la electricidad y la humedad", escribió en 1809 en Philosophie Zoologique ( La filosofía de la zoología ), "forma la generación directa o espontánea en ese extremo de cada reino de cuerpos vivos, donde se encuentran los más simples de estos cuerpos". [8]
Cuando el naturalista inglés Charles Darwin introdujo la teoría de la selección natural en su libro de 1859 El origen de las especies , sus partidarios, como el zoólogo alemán Ernst Haeckel , lo criticaron por no utilizar su teoría para explicar el origen de la vida. Haeckel escribió en 1862: «El principal defecto de la teoría darwiniana es que no arroja luz sobre el origen del organismo primitivo —probablemente una célula simple— del que descendieron todos los demás. Cuando Darwin supone un acto creativo especial para esta primera especie, no es coherente y, creo, no del todo sincero». [9]
Aunque Darwin no habló explícitamente sobre el origen de la vida en El origen de las especies , sí mencionó un "pequeño estanque cálido" en una carta a Joseph Dalton Hooker fechada el 1 de febrero de 1871: [10]
Se dice a menudo que ahora se dan todas las condiciones para la primera producción de un ser vivo, como nunca antes. Pero si (¡oh, qué gran "si") pudiéramos concebir que en un pequeño estanque cálido con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, se formara químicamente un compuesto proteínico, listo para sufrir cambios aún más complejos, en la actualidad dicha materia sería devorada o absorbida instantáneamente, lo que no habría sucedido antes de que se formaran los seres vivos [...].
— Charles Darwin, Carta a Joseph Dalton Hooker del 1 de febrero de 1871
En 1924, el bioquímico soviético Alexander Oparin introdujo un argumento científico coherente: según él, en la superficie de la Tierra primitiva, el carbono , el hidrógeno , el vapor de agua y el amoníaco reaccionaron para formar los primeros compuestos orgánicos. Sin que Oparin lo supiera, y cuyos escritos se difundieron sólo en ruso, un científico inglés, JBS Haldane, llegó de forma independiente a una conclusión similar en 1929. [11] [12] Fue Haldane quien utilizó por primera vez el término "sopa" para describir la acumulación de material orgánico y agua en la Tierra primitiva [2] [8]
Cuando la luz ultravioleta actúa sobre una mezcla de agua, dióxido de carbono y amoníaco, se forma una gran variedad de sustancias orgánicas, incluidos azúcares y aparentemente algunos de los materiales con los que se construyen las proteínas. [...] antes del origen de la vida, debieron acumularse hasta que los océanos primitivos alcanzaron la consistencia de una sopa caliente y diluida.
— JBS Haldane, El origen de la vida
Según esta teoría, los compuestos orgánicos esenciales para las formas de vida se sintetizaron en la Tierra primitiva en condiciones prebióticas. La mezcla de compuestos inorgánicos y orgánicos con agua en la Tierra primitiva se convirtió en la sopa prebiótica o primordial. Allí se originó la vida y las primeras formas de vida pudieron utilizar las moléculas orgánicas para sobrevivir y reproducirse. Hoy en día, la teoría se conoce como teoría heterotrófica, teoría del origen heterotrófico de la vida o hipótesis de Oparin-Haldane. [13] El bioquímico Robert Shapiro ha resumido los puntos básicos de la teoría en su "forma madura" de la siguiente manera: [14]
Alexander Oparin postuló por primera vez su teoría en ruso en 1924 en un pequeño panfleto titulado Proiskhozhdenie Zhizny ( El origen de la vida ). [15] Según Oparin, la superficie de la Tierra primitiva tenía un líquido espeso y al rojo vivo, compuesto de elementos pesados como el carbono (en forma de carburo de hierro ). Este núcleo estaba rodeado por los elementos más ligeros, es decir, gases, como el hidrógeno. En presencia de vapor de agua, los carburos reaccionaban con el hidrógeno para formar hidrocarburos . Estos hidrocarburos fueron las primeras moléculas orgánicas. Estos se combinaron posteriormente con oxígeno y amoníaco para producir derivados hidroxi y amino, como carbohidratos y proteínas. Estas moléculas se acumularon en la superficie del océano, convirtiéndose en sustancias gelatinosas y creciendo en tamaño. Dieron lugar a los organismos primitivos (células), a los que llamó coacervados . [8] En su teoría original, Oparin consideraba al oxígeno como uno de los gases primordiales; por lo tanto, la atmósfera primordial era oxidante. Sin embargo, cuando elaboró su teoría en 1936 (en un libro con el mismo título, y traducido al inglés en 1938), [16] modificó la composición química del ambiente primordial como estrictamente reductor, consistente en metano, amoníaco, hidrógeno libre y vapor de agua, excluyendo el oxígeno. [13]
En su obra de 1936, impregnada de un pensamiento darwiniano que implicaba una evolución lenta y gradual de lo simple a lo complejo, Oparin propuso un origen heterótrofo, resultado de un largo proceso de evolución química y prebiológica, donde las primeras formas de vida debieron ser microorganismos dependientes de las moléculas y sustancias orgánicas presentes en su medio externo. [8] Ese medio externo era la sopa primordial.
La idea de un origen heterótrofo se basaba, en parte, en la universalidad de las reacciones fermentativas, que, según Oparin, debieron aparecer primero en la evolución debido a su simplicidad. Esto se oponía a la idea, ampliamente aceptada en aquella época, de que los primeros organismos surgieron dotados de un metabolismo autótrofo , que incluía pigmentos fotosintéticos , enzimas y la capacidad de sintetizar compuestos orgánicos a partir de CO2 y H2O ; para Oparin era imposible conciliar los organismos fotosintéticos originales con las ideas de la evolución darwiniana.
A partir del análisis detallado de los datos geoquímicos y astronómicos conocidos en esa fecha, Oparin también propuso una atmósfera primitiva desprovista de O 2 y compuesta de CH 4 , NH 3 y H 2 O; en estas condiciones se señaló que el origen de la vida había sido precedido por un período de síntesis abiótica y posterior acumulación de diversos compuestos orgánicos en los mares de la Tierra primitiva. [11] Esta acumulación dio como resultado la formación de un caldo primordial que contenía una amplia variedad de moléculas.
Allí, según Oparin, se formaron un tipo particular de coloide, los coacervados, debido a la conglomeración de moléculas orgánicas y otros polímeros con cargas positivas y negativas. Oparin sugirió que los primeros seres vivos habían sido precedidos por estructuras precelulares similares a esos coacervados, cuya evolución gradual dio lugar a la aparición de los primeros organismos. [11]
Al igual que los coacervados, varias de las ideas originales de Oparin han sido reformuladas y reemplazadas; esto incluye, por ejemplo, el carácter reductor de la atmósfera en la Tierra primitiva, los coacervados como modelo precelular y la naturaleza primitiva de la glicólisis. De la misma manera, ahora entendemos que los procesos graduales no son necesariamente lentos, e incluso sabemos, gracias al registro fósil, que el origen y la evolución temprana de la vida ocurrieron en cortos lapsos de tiempo geológicos.
Sin embargo, el planteamiento general de la teoría de Oparin tuvo grandes implicaciones para la biología, ya que su trabajo logró la transformación del estudio del origen de la vida desde un campo puramente especulativo a un programa de investigación estructurado y amplio. [8] Así, desde la segunda mitad del siglo XX, la teoría de Oparin sobre el origen y la evolución temprana de la vida ha sufrido una reestructuración que da cabida a los hallazgos experimentales de la biología molecular, así como a los aportes teóricos de la biología evolutiva.
Un punto de convergencia entre estas dos ramas de la biología y que ha sido perfectamente incorporado a la teoría del origen heterotrófico lo encontramos en la hipótesis del mundo ARN .
Esto se vincula con la Hipótesis del Océano de Soda, que caracteriza al océano primitivo con una mayor sobresaturación de minerales carbonatados. [17] Los lagos de soda se consideran entornos que conservan y/o imitan las condiciones de vida antiguas [18] y como "un modelo recreado de la química del océano del Precámbrico tardío " [19] , es decir, el entorno del "lago de soda" que preparó la gran explosión de vida durante el Cámbrico .
JBS Haldane postuló de forma independiente su teoría de la sopa primordial en 1929 en un artículo de ocho páginas titulado "El origen de la vida" en The Rationalist Annual . [8] Según Haldane, la atmósfera de la Tierra primitiva era esencialmente reductora, con poco o ningún oxígeno. Los rayos ultravioleta del Sol inducían reacciones en una mezcla de agua, dióxido de carbono y amoníaco. Se sintetizaban sustancias orgánicas como azúcares y componentes proteínicos ( aminoácidos ). Estas moléculas "se acumularon hasta que los océanos primitivos alcanzaron la consistencia de una sopa caliente diluida". Las primeras cosas que se reproducían se crearon a partir de esta sopa. [20]
En cuanto a la prioridad sobre la teoría, Haldane aceptó que Oparin vino primero, diciendo: "Tengo muy pocas dudas de que el profesor Oparin tiene prioridad sobre mí". [21]
Uno de los elementos experimentales más importantes que respaldaron la teoría de la "sopa" llegó en 1953. Un estudiante de posgrado, Stanley Miller , y su profesor, Harold Urey , realizaron un experimento que demostró cómo las moléculas orgánicas podrían haberse formado espontáneamente a partir de precursores inorgánicos, en condiciones como las postuladas por la hipótesis de Oparin-Haldane. El ahora famoso " experimento de Miller-Urey " utilizó una mezcla altamente reducida de gases (metano, amoníaco e hidrógeno) para formar monómeros orgánicos básicos, como los aminoácidos . [3] Esto proporcionó un apoyo experimental directo al segundo punto de la teoría de la "sopa", y es uno de los dos puntos restantes de la teoría en el que se centra gran parte del debate actual.
Aparte del experimento de Miller-Urey, el siguiente paso más importante en la investigación sobre la síntesis orgánica prebiótica fue la demostración por parte de Joan Oró de que la base púrica del ácido nucleico, la adenina, se formaba calentando soluciones acuosas de cianuro de amonio . [22] En apoyo de la abiogénesis en hielo eutéctico, trabajos más recientes demostraron la formación de s- triazinas ( nucleobases alternativas ), pirimidinas (incluyendo citosina y uracilo) y adenina a partir de soluciones de urea sometidas a ciclos de congelación-descongelación bajo una atmósfera reductora (con descargas de chispas como fuente de energía). [23]
Se propuso que la evolución de los sistemas vivos por selección natural que presumiblemente surgieron en la sopa primordial, y ciertos sistemas físicos no vivos generadores de orden, obedecían a un principio fundamental común que se denominó dinámica darwiniana . [24] Las condiciones básicas necesarias para que la selección natural opere tal como la concibió Darwin son la variación de tipo, la heredabilidad y la competencia por recursos limitados. Estas condiciones pueden aplicarse a moléculas cortas de ARN replicante que presumiblemente estaban presentes en la sopa primordial, y se ha propuesto que tales moléculas de ARN precedieron al surgimiento de vida más compleja (véase el mundo del ARN ). [25] Se demostró que los procesos básicos de selección natural aplicables a moléculas cortas de ARN replicante tenían la misma forma y contenido que las ecuaciones que gobiernan el surgimiento del orden macroscópico en sistemas no vivos mantenidos lejos del equilibrio termodinámico. [24] Sin embargo, actualmente, el grado en que los principios darwinianos se aplican a las presuntas fases prebióticas y protocelulares de la vida, así como a los sistemas no biológicos, sigue siendo un problema sin resolver en los esfuerzos por comprender el surgimiento de la vida . [26] [27]
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