La sopa primordial , también conocida como sopa prebiótica , es el hipotético conjunto de condiciones presentes en la Tierra hace alrededor de 3.700 a 4.000 millones de años. Es un aspecto de la teoría heterótrofa (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 lo formulado por 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 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 noción 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 y escribió:
Así, en el caso de los animales, algunos surgen de sus padres según su especie, mientras que otros crecen espontáneamente y no de un linaje afín; y de estos casos de generación espontánea, algunos provienen de la tierra o materia vegetal putrefacta, 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 a partir de otros animales similares, sino que también los seres vivos surgen y siempre han surgido de materia sin vida. 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 sólo en un frasco donde las moscas podían entrar, pero no en un frasco con tapa cerrada. Concluyó que: omne vivum ex vivo (Toda vida surge 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 de Ciencias de Francia , y concluyó: "Nunca la doctrina de la generación espontánea se recuperará del golpe mortal de este simple experimento". [7]
Los biólogos evolucionistas creían que para el surgimiento de la vida debía haber funcionado una especie de generación espontánea, pero diferente de la simple doctrina aristotélica. El biólogo francés Jean-Baptiste de Lamarck había especulado que la primera forma de vida surgió de materiales no vivos. "La naturaleza, mediante el calor, la luz, la electricidad y la humedad", escribió en 1809 en Philosophie Zoologique ( La Filosofía de la Zoología ), "forma generación directa o espontánea en aquel extremo de cada reino de los cuerpos vivos, donde el más simple de ellos se encuentran cadáveres". [8]
Cuando el naturalista inglés Charles Darwin introdujo la teoría de la selección natural en su libro de 1859 Sobre 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 ninguna luz sobre el origen del organismo primitivo -probablemente una célula simple- del que han descendido todos los demás. Cuando Darwin asume un acto creativo especial para este primer especie, no es consistente 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]
A menudo se dice que ahora están presentes todas las condiciones para la primera producción de un ser vivo, que alguna vez pudieron haber estado presentes. Pero si (y qué gran si) pudiéramos concebir en algún pequeño estanque cálido con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor y electricidad presentes, que se formara químicamente un compuesto proteico, listo para sufrir cambios aún más complejos. , en la actualidad dicha materia sería devorada o absorbida instantáneamente, lo que no habría ocurrido antes de que se formaran los seres vivos [...].
— Charles Darwin, Carta a Joseph Dalton Hooker el 1 de febrero de 1871
El bioquímico soviético Alexander Oparin presentó un argumento científico coherente en 1924. Según Oparin, 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, cuyos escritos circularon 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 produce una gran variedad de sustancias orgánicas, incluidos azúcares y aparentemente algunos de los materiales a partir de los cuales se forman las proteínas. [...] origen de la vida debieron acumularse hasta que los océanos primitivos alcanzaron la consistencia de una sopa caliente diluida.
— JBS Haldane, El origen de la vida
Según la 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 heterótrofa, teoría del origen heterótrofo 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 folleto titulado Proiskhozhdenie Zhizny ( El origen de la vida ). [15] Según Oparin, la superficie de la Tierra primitiva tenía un líquido espeso 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 hidrógeno para formar hidrocarburos . Estos hidrocarburos fueron las primeras moléculas orgánicas. Estos se combinan además 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 parecidas a geles y aumentando de tamaño. Dieron origen a organismos primitivos (células), a los que llamó coacervados . [8] En su teoría original, Oparin consideraba al oxígeno como uno de los gases primordiales; por tanto, la atmósfera primordial era oxidante. Sin embargo, cuando elaboró su teoría en 1936 (en un libro del mismo título, y traducido al inglés en 1938), [16] modificó la composición química del ambiente primordial como estrictamente reductor, compuesto por 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 lenta y gradual evolución de lo simple a lo complejo, Oparin propuso un origen heterótrofo, resultado de un largo proceso de evolución química y prebiológica, donde surgieron las primeras formas de vida. Han sido microorganismos dependientes de las moléculas y sustancias orgánicas presentes en su medio externo. [8] Ese ambiente externo fue la sopa primordial.
La idea de un origen heterótrofo se basó, en parte, en la universalidad de las reacciones fermentativas, que, según Oparin, deberían haber aparecido por primera vez en la evolución debido a su simplicidad. Esto se contraponía 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 CO 2 y H 2 O; 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 por 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 resultó en la formación de un caldo primordial que contiene una amplia variedad de moléculas.
Allí, según Oparin, se formó 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 aquellos 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 glucólisis. 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 se produjeron en cortos lapsos de tiempo geológico.
Sin embargo, el enfoque 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 de 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 las contribuciones teóricas 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 heterótrofo lo encontramos en la hipótesis del mundo ARN .
JBS Haldane postuló de forma independiente su teoría de la sopa primordial en 1929 en un artículo de ocho páginas "El origen de la vida" en The Rationalist Annual . [8] Según Haldane, la atmósfera de la Tierra primitiva se estaba reduciendo esencialmente, con poco o nada de oxígeno. Los rayos ultravioleta del Sol indujeron reacciones en una mezcla de agua, dióxido de carbono y amoníaco. Se sintetizaron sustancias orgánicas como azúcares y componentes proteicos ( aminoácidos ). Estas moléculas "se acumularon hasta que los océanos primitivos alcanzaron la consistencia de una sopa caliente diluida". Los primeros seres reproductores se crearon a partir de esta sopa. [17]
En cuanto a la prioridad sobre la teoría, Haldane aceptó que Oparin fuera lo primero y dijo: "Tengo muy pocas dudas de que el profesor Oparin tiene prioridad sobre mí". [18]
Uno de los apoyos experimentales más importantes a 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, bajo condiciones como las planteadas por la hipótesis de Oparin-Haldane. El ahora famoso " experimento Miller-Urey " utilizó una mezcla altamente reducida de gases (metano, amoníaco e hidrógeno) para formar monómeros orgánicos básicos, como los aminoácidos . [3] Esto proporcionó apoyo experimental directo para el segundo punto de la teoría de la "sopa", y es uno de los dos puntos restantes de la teoría en el que ahora se centra gran parte del debate.
Aparte del experimento de Miller-Urey, el siguiente paso más importante en la investigación sobre la síntesis orgánica prebiótica fue la demostración de Joan Oró de que la base purínica del ácido nucleico, la adenina, se formaba calentando soluciones acuosas de cianuro de amonio . [19] En apoyo de la abiogénesis en hielo eutéctico, trabajos más recientes demostraron la formación de estriacinas ( 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). [20]