Teorías acerca da orixe da vida

Este artigo trata sobre as distintas teorías da abioxénese ou estudo científico da orixe da vida. Para a evolución histórica anterior á refutación experimental da xeración espontánea véxase Teoría da xeración espontánea. Para os aspectos filosóficos e relixiosos véxase Cosmogonía. A orixe da vida ou abioxénese na Terra é un problema científico que aínda non está resolto. Hai moitas ideas e hipóteses sobre a mesma, pero poucos feitos claros e concluíntes. A maioría dos expertos coinciden en que toda a vida actual evolucionou por descendencia común dunha única forma de vida primitiva. Non se sabe como evolucionou esta primeira forma de vida, pero os científicos cren que foi un proceso natural que ocorreu hai uns 3. 900 millóns de anos.
Non se sabe se o metabolismo foi primeiro ou a xenética; a hipótese principal que apoia primeiro a xenética é a hipótese do mundo do ARN, e a que apoia primeiro o metabolismo é a hipótese do mundo das proteínas.
Outro gran problema é como se desenvolveron as células. Melvin Calvin, gañador do Premio Nobel de Química, escribiu un libro sobre o tema, e tamén o fixo Alexander Oparin. O que vincula a maior parte dos primeiros traballos sobre a orixe da vida é a idea de que antes de comezar a vida debeu haber un proceso de cambio químico. Outra cuestión que foi discutida por JD Bernal e outros é a orixe da membrana celular. Ao concentrar os produtos químicos nun só lugar, a membrana celular realiza unha función vital.
O que chamamos vida só se comprobou en cousas que inclúen ARN, mecanismos para codificar e decodificar ARN e mecanismos para construír proteínas a partir de aminoácidos. A procura dunha teoría verificábel da bioxénese é un campo de investigación separado. Rexistro fósil
A vida máis antiga na Terra
As primeiras formas de vida reivindicadas como tal son os microorganismos fosilizados (ou microfósiles). Foron atopados en rochas ricas en ferro e sílice que antes foron fontes hidrotermais no cinto de pedras verdes de Nuvvuagittuq de Quebec, Canadá.
Estas rochas teñen 4. 280 millóns de anos. As formas tubulares que conteñen móstranse nun informe. Se este é o rexistro de vida máis antigo na Terra, suxire "unha aparición case instantánea de vida" despois de que os océanos se formaran hai 4. 400 millóns de anos. Segundo Stephen Blair Hedges, "Se a vida xurdiu relativamente rápido na Terra. .. entón podería ser común no universo ".
As primeiras formas previas
Un estudo científico de 2002 demostrou que as formacións xeolóxicas de estromatólitos de 3. 450 millóns de anos conteñen cianobacterias fosilizadas. Nese momento estaba moi acordado que os estromatólitos eran as formas de vida máis antigas coñecidas na Terra que deixaran constancia da súa existencia. Polo tanto, se a vida se orixinou na Terra, isto ocorreu nalgún momento entre hai 4. 400 millóns de anos, cando o vapor de auga se licuou por primeira vez, e hai 3. 500 millóns de anos. Estes son os antecedentes do último descubrimento comentado anteriormente.
As primeiras evidencias de vida proceden do cinto supercrustal de Isua, no oeste de Groenlandia, e de formacións similares nas illas Akilia próximas. Isto débese a que alí se atopa un alto nivel do isótopo máis lixeiro do carbono. Os seres vivos ocupan isótopos máis lixeiros porque isto leva menos enerxía. O carbono que entra nas formacións rochosas ten unha concentración de δ 13 C elemental de aproximadamente -5, 5. de 12 C, a biomasa ten un δ 13 C de entre -20 e -30. Estas pegadas isotópicas consérvanse nas rochas. Con esta evidencia, Mojzis suxeriu que xa existía vida no planeta hai 3. 850 millóns de anos. Contra esa visión está a evidencia de que o noso Sistema solar é moi infrecuente en varios aspectos. Por exemplo, está claro que a maioría dos sistemas estelares teñen o seu planeta máis grande preto da súa estrela.
Algúns científicos pensan que a vida puido ser transportada dun planeta a outro mediante o transporte de esporas. Esta idea, agora coñecida como panspermia, foi presentada por primeira vez por Arrhenius. Historia dos estudos sobre a orixe da vida
Até principios do século XIX moitas persoas crían na xeración espontánea regular de vida a partir de materia non viva. Isto chamouse teoría da xeración espontánea, e foi desmentido por Louis Pasteur. Demostrou que sen esporas non crecían bacterias nin virus en material estéril.
Darwin
Nunha carta a Joseph Dalton Hooker o 11 de febreiro de 1871, Charles Darwin propuxo un proceso natural para a abioxénese.
Suxeriu que a faísca orixinal da vida puido comezar nun "pequeno estanque cálido, con todo tipo de amoníaco e sales fosfóricas, luces, calor, electricidade, etc. A continuación formouse quimicamente un composto proteico preparado para sufrir cambios aínda máis complexos". Continuou explicando que "na actualidade tal materia sería devorada ou absorbida ao instante, o que non tería sido o caso antes de que se formasen os seres vivos".
Haldane e Oparin
Non se fixo ningún progreso real até 1924 cando Alexander Oparin razoou que o osíxeno atmosférico impedía a síntese das moléculas orgánicas. As moléculas orgánicas son os bloques de construción necesarios para a evolución da vida. No seu A orixe da vida, Oparin argumentou que unha "sopa primordial" de moléculas orgánicas podería crearse nunha atmosfera sen osíxeno mediante a acción da luz solar. Estes combinaríanse de xeitos cada vez máis complexos até formar pingas ou pequenas gotas. Estas gotículas "crecerían" por fusión con outras gotas, e "reproduciranse" mediante fisión en "gotiñas fillas", tendo así un metabolismo primitivo no que sobreviven aqueles factores que promoven a "integridade celular", os que non se extinguen. Moitas teorías modernas sobre a orixe da vida aínda toman as ideas de Oparin como punto de partida.
Ao mesmo tempo, JBS Haldane tamén suxeriu que os océanos prebióticos da Terra, que eran moi diferentes dos que son os océanos agora, terían formado unha "sopa quente diluída". Nesta sopa poderían terse formado compostos orgánicos, os bloques de construción da vida. Esta idea chamouse biopoiese, o proceso de evolución da materia viva a partir de moléculas autorreplicantes pero non vivas. Condicións temperás na Terra
Case non hai rexistro xeolóxico de antes de hai 3. 800 millóns de anos. O ambiente que existía na época hadeana era hostil á vida, pero non se sabe canto. Houbo un tempo, hai entre 3. 800 e 4. 100 millóns de anos, que se coñece como o Late Heavy Bombardement. Chámase así porque se cre que se formaron moitos cráteres lunares. A situación noutros planetas, como a Terra, Venus, Mercurio e Marte debeu ser similar. Estes impactos probabelmente esterilizarían a Terra (matarían toda a vida), se existise nese momento.
Varias persoas suxeriron que os produtos químicos da célula dan pistas sobre como debían ser os primeiros mares. En 1926, Macallum sinalou que a composición inorgánica do citosol celular difiere drasticamente da da auga do mar moderna: "a célula. .. ten dotes transmitidas desde un pasado case tan remoto como a orixe da vida na Terra". Por exemplo: "Todas as células conteñen moito máis potasio, fosfato e metais de transición que os modernos. .. océanos, lagos ou ríos". "Baixo a atmosfera primordial anóxica, dominada polo CO2, a química das concas interiores nos campos xeotérmicos sería [como a química dentro] das células modernas".
Temperatura
Se a vida evolucionase nas profundidades do océano, preto dun respiradoiro hidrotermal, podería orixinarse hai entre 4 e 4. 200 millóns de anos. Se, pola contra, a vida se orixinou na superficie do planeta, unha opinión común é que só podería telo feito hai entre 3. 500 e 4. 000 millóns de anos.
Lazcano e Miller (1994) suxiren que o ritmo da evolución molecular foi ditado pola taxa de recirculación da auga a través dos respiradoiros submarinos no medio oceánico. A recirculación completa leva 10 millóns de anos, polo que calquera composto orgánico producido para entón sería alterado ou destruído por temperaturas superiores a 300 °C. Estiman que o desenvolvemento dun xenoma de 100 quilobases dun heterótrofo primitivo de ADN/proteína nunha cianobacteria filamentosa de 7000 xenes tería requirido só 7 millóns de anos.
Historia da atmosfera terrestre
Orixinalmente, a atmosfera da Terra case non tiña osíxeno libre. Cambiou aos poucos ao que é hoxe, durante moito tempo (ver Gran evento de osixenación). O proceso comezou coas cianobacterias, os primeiros organismos en producir osíxeno libre mediante a fotosíntese. A maioría dos organismos hoxe en día necesitan osíxeno para o seu metabolismo; só algúns poden utilizar outras fontes para a respiración. Polo tanto, espérase que os primeiros protoorganismos fosen quimioautótrofos e non utilizasen respiración aeróbica, que fosen 'anaeróbicos'. Modelos actuais
Non existe un "modelo estándar" sobre como comezou a vida. Os modelos máis aceptados baséanse en bioloxía molecular e bioloxía celular: Debido a que hai as condicións adecuadas, créanse algunhas pequenas moléculas básicas. Estes chámanse monómeros da vida. Os aminoácidos son un tipo destas moléculas. Isto foi demostrado polo experimento Miller-Urey de Stanley L. Miller e Harold C. Urey en 1953, e agora sabemos que estes bloques básicos son comúns no espazo. A Terra primitiva teríaos todos.
Os fosfolípidos, que poden formar bicapas lipídicas, un compoñente principal da membrana celular.
Nucleótidos que poden unirse en moléculas de ARN aleatorias. Isto podería ter como resultado ribozimas autorreplicantes (hipótese do mundo do ARN).
A competencia polos substratos seleccionaría as miniproteínas en encimas. O ribosoma é fundamental para a síntese de proteínas nas células actuais, pero non temos idea de como evolucionou.
Ao principio, os ácidos ribonucleicos serían catalizadores, pero máis tarde, os ácidos nucleicos están especializados para o seu uso xenómico.
A orixe das biomoléculas básicas, aínda que non está resolta, é menos controvertida que a importancia e a orde dos pasos 2 e 3. As substancias químicas básicas das que se cre que se formou a vida son: metano (CH4),
amoníaco (NH3),
auga (H2O),
sulfuro de hidróxeno (H2S),
dióxido de carbono (CO2) ou monóxido de carbono (CO), e
fosfato (PO43-).
cianuro de hidróxeno (HCN)
Tres etapas
Etapa 1: A orixe dos monómeros biolóxicos
Etapa 2: A orixe dos polímeros biolóxicos
Etapa 3: A evolución das moléculas ás células
Bernal suxeriu que a evolución puido comezar cedo, nalgún tempo entre a etapa 1 e 2. Orixe das moléculas orgánicas
Hai tres fontes de moléculas orgánicas na Terra primitiva: síntese orgánica por fontes de enerxía (como a luz ultravioleta ou as descargas eléctricas).
entrega por obxectos extraterrestres como meteoritos carbonosos ( condritas);
síntese orgánica impulsada por choques de impacto.
As estimacións destas fontes suxiren que o forte bombardeo antes de hai 3. 500 millóns de anos permitiu dispor de cantidades de orgánicos comparábeis ás producidas por outras fontes de enerxía.
O experimento de Miller e a sopa primordial
En 1953, un estudante de posgrao, Stanley Miller, e o seu profesor, Harold Urey, realizaron un experimento que mostraba como as moléculas orgánicas podían formarse na Terra primitiva a partir de precursores inorgánicos.
O xa famoso experimento de Miller-Urey utilizou unha mestura moi reducida de gases (metano, amoníaco e hidróxeno) para formar monómeros orgánicos básicos, como os aminoácidos. Agora sabemos que durante máis da primeira metade da historia da Terra a súa atmosfera case non tiña osíxeno.
Os experimentos de Fox
Na década de 1950 e de 1960, Sidney W. Fox estudou a formación espontánea de estruturas peptídicas en condicións que poderían existir no inicio da historia da Terra. Demostrou que os aminoácidos poden formar pequenos péptidos por si só. Estes aminoácidos e pequenos péptidos poderían estimularse a formar membranas esféricas pechadas, chamadas microesferas. Condicións especiais
Algúns científicos suxeriron condicións especiais que poderían facilitar a síntese celular.
Mundo de barro
Un modelo de arxila para a orixe da vida foi suxerido por A. Graham Cairns-Smith. A teoría da arxila suxire que as moléculas orgánicas complexas xurdiron gradualmente nunha plataforma non orgánica preexistente, é dicir, cristais de silicato en solución.
Modelo de biosfera quente profunda
Na década de 1970, Thomas Gold propuxo a teoría de que a vida non se desenvolveu na superficie da Terra, senón varios quilómetros por debaixo da superficie. O descubrimento a finais da década de 1990 de nanobios (estruturas filamentosas que son máis pequenas que as bacterias, pero que poden conter ADN en rochas profundas) podería apoiar a teoría de Gold.
Agora está razoabelmente ben establecido que a vida microbiana é abundante a poucas profundidades da Terra (até cinco quilómetros por debaixo da superficie) en forma de arqueas extremófilas, en lugar das máis coñecidas eubacterias (que viven en condicións máis accesíbeis).
Gold afirmou que se necesita un chorro de alimento dunha fonte moi profunda para sobrevivir porque é probábel que a vida xurdida nun charco de materia orgánica consuma toda a súa comida e se extinga. A teoría de Gold di que o fluxo de alimentos débese á expulsión do metano primordial do manto terrestre.
Autoorganización e replicación
A autoorganización e a autorreplicación son o distintivo dos sistemas vivos. As moléculas non vivas ás veces mostran esas características en condicións adecuadas. Por exemplo, Martin e Russel demostraron que as membranas celulares que separan os contidos do medio e a autoorganización das reaccións redox autónomas son os atributos máis conservados dos seres vivos. Argumentan que a materia inorgánica como esa sería o último antepasado común da vida. Teorías
Hipótese do mundo do ARN
Nesta hipótese, dise que o ARN funciona tanto como encima como como recipiente de xenes. Máis tarde, o ADN asumiu o seu papel xenético.
A hipótese do mundo do ARN propón que a vida baseada no ácido ribonucleico (ARN) é anterior ao actual mundo da vida baseado no ácido desoxirribonucleico (ADN), ARN e proteínas. O ARN é capaz de almacenar información xenética, como o ADN, e de catalizar reaccións químicas, como un encima. Pode ter soportado a vida precelular e ser un paso importante cara á vida celular.
Hai algunhas probas que apoian esta idea: Hai algúns ARN que funcionan como encimas.
Algúns virus usan o ARN para a herdanza.
Moitas das partes máis fundamentais da célula (as que evolucionan máis lentamente) requiren ARN.
Metabolismo e proteínas
Esta idea suxire que as proteínas traballaron primeiro como encimas, producindo o metabolismo. Despois diso, o ADN e o ARN comezaron a funcionar como recipientes de xenes.
Esta idea tamén ten algunhas evidencias que o apoian. A proteína como encima é esencial para a vida actual.
Algúns aminoácidos fórmanse a partir de produtos químicos máis básicos no experimento de Miller-Urey. Algúns negan esta idea porque as proteínas non poden copiarse.
Lípidos
Neste esquema as membranas feitas de bicapas lipídicas aparecen cedo. Unha vez que os produtos químicos orgánicos están pechados, entón é posíbel unha bioquímica máis complexa. Panspermia
Esta é a idea suxerida por Arrhenius, e desenvolvida por Fred Hoyle, de que a vida se desenvolveu noutro lugar do universo e chegou á Terra na forma de esporas. Esta non é unha teoría de como comezou a vida, senón unha teoría de como podería terse espallado. Puido espallarse, por exemplo, por medio de meteoritos.
Algúns propoñen que o primeiro Marte era un lugar mellor para comezar a vida que a Terra primitiva. As moléculas que se combinaron para formar material xenético son máis complexas que a "sopa primordial" de produtos químicos orgánicos (a base de carbono) que existía na Terra hai catro mil millóns de anos. Se o ARN fose o primeiro material xenético, entón os minerais que conteñen boro e molibdeno poderían axudar na súa formación. Estes minerais eran moito máis comúns en Marte que na Terra. Na relixión
No cristianismo, algunhas persoas rexeitan a idea de evolución. Cren que a Terra só ten uns poucos miles de anos. Isto é coñecido en inglés como Young Earth Creationism. Porén, a Biblia non indica explicitamente a idade da Terra, só que "No principio, Deus creou os ceos e a terra".