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Fundamentos Termodinámicos del Origen de la Vida

Chapter · June 2014

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Karo Michaelian

Universidad Nacional Autónoma de México

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Norberto Santillán Padilla

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Fundamentos Termodinámicos del Origen de la Vida

Karo Michaelian1 y Norberto Santillán Padilla1,2

1Instituto de Física, UNAM. Cto. Interior de la Investigación Científica, Ciudad

Universitaria, México D.F., C.P. 04510

2Facultad de Ciencias, UNAM. Cto. Interior de la Investigación Científica, Ciudad

Universitaria, México D.F., C.P. 04510

1. Introducción

Hay muchas teorías sobre el origen de la vida, desde las que cuentan que la vida y

el mundo mismo fueron creados por un místico ser omnipotente en siete días (la

concepción judeocristiana que ha perdurado en la sociedad humana durante

milenios), hasta las que nos dicen que de algo no vivo como el lodo, la ropa sucia o

un simple charco de agua sucia, puede surgir algo tan vivo como un gusano, una

mosca o una rana (la idea de la generación espontánea del siglo pasado), o unas

más recientes que proponen la generación de organismos vivos por reacciones

químicas autocatalíticas en ventilas hidrotermales al fondo del océano.

Cuando los científicos hablan sobre el origen de la vida se refieren, en primer

lugar, a los fenómenos físicos y a las reacciones químicas que permitieron la

formación de las moléculas primordiales que constituyen a todos los seres vivos,

las que llamamos biomoléculas (proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y

lípidos) y en segundo lugar a cómo tales moléculas interactuaron entre sí para

formar a los primeros seres vivos. Además, como parte muy importante del

problema del origen de la vida, se estudia la transición de la evolución química a la

evolución biológica, es decir que después de formarse las biomoléculas y de haber

interactuado entre sí para formar a los primeros seres vivos, cómo estos seres

primitivos fueron adquiriendo esa característica que es fundamental y que parece

ser exclusiva de los seres vivos: la adaptación al medio en el que viven, es decir, lo

que les permite auto preservarse y auto perpetuarse.

Aún no se cuenta con un panorama completo sobre esos fenómenos y reacciones

que hicieron posible el surgimiento de la vida, sin embargo se tienen buenas pistas

sobre cuáles pudieron ser los mecanismos de reacción y las condiciones bajo las

cuales se llevaron a cabo esos mecanismos (como la composición de la atmósfera,

la temperatura del planeta, el pH de los océanos, etcétera).

Recordemos que el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ribonucleico (ARN) son

las moléculas fundamentales, y probablemente las más antiguas, de la vida. Son

fundamentales por el hecho de que ellas determinan las características de los seres

vivos. Cada ser vivo pasa a su progenie una gran parte de la información genética

que posee. Tanto ADN como ARN están formados por tres tipos de moléculas:

azúcares, fosfatos y bases nitrogenadas. Ya se sabe que estos componentes pueden

obtenerse a partir de ciertos compuestos inorgánicos. Por ejemplo, a principios de

la década de 1960, Joan Oró obtuvo algunas bases nitrogenadas a partir de ácido

cianhídrico y agua. También, a partir de formaldehído obtuvo ribosa y

desoxirribosa, los azúcares que forman el ARN y ADN, respectivamente. Es decir

que hay mecanismos que no involucran a los seres vivos para sintetizar las

moléculas fundamentales de la vida.

Pero de allí empieza el gran problema con el origen de la vida. Sintetizando todas

las moléculas de la vida no es suficiente para darle la vitalidad necesaria para auto

replicarse y evolucionar. Miles de experimentos sobre los 54 años desde los

primeros experimentos de Millar han fallido en su intento de crear la vitalidad de

la vida como conocemos. Sin embargo, a nuestro juicio, el hecho no considerado

con seriedad en investigaciones anteriores es que la vida es un proceso, no un

objeto ó una simple distribución de moléculas en equilibrio. La vida, como

cualquier proceso irreversible macroscópico, requiere la consideración del

potencial químico generalizado impuesto que, al tiempo que es disipado por la

vida misma, sirve también como motor para ella y su evolución. La producción de

entropía debido a esta disipación debe de ser, entonces, el elemento fundamental

en cualquier intento de entender el origen de la vida a nivel físico-químico.

En este capítulo se pretende explicar de manera general una nueva teoría sobre el

origen de la vida propuesto por Karo Michaelian en 2009 que fue elaborada sobre

una base de la termodinámica irreversible que considera la producción de entropía

como característica fundamental y conocido como “la teoría termodinámica

disipativa del origen de la vida”. En particular, la teoría analiza lo que pasa con la

energía de los fotones que la Tierra recibía del Sol (nuestro potencial químico

generalizado) en los tiempos que se cree surgió la vida, y el regreso de esta energía

al espacio en forma degradada (decimos “degradada” porque después de

interactuar con los primeros seres vivos sobre la Tierra, la luz no regresaba al

espacio con las mismas características con las que llegó, sino en forma de fotones

de menor energía). La teoría se basa, principalmente, en dos conceptos: la

absorción y disipación de fotones en el UV por ADN y ARN debido a sus

propiedades ópticas y físicas, y el concepto de la producción de entropía en este

disipación en relación al origen, proliferación y evolución de las moléculas

fundamentales de la vida. Como a toda teoría científica debe corresponder

experimentos que la hagan válida, también explicamos aquí unos avances de un

experimento que esta siendo llevado a cabo para verificar ó falsificar la teoría

propuesta.

Para poder comprender la teoría en profundidad, es necesario que primero

expliquemos algunos conceptos de la termodinámica y propiedades físicas y

químicas del ARN y el ADN.

2. Conceptos básicos de Termodinámica.

Existen dos tipos de estructuras en la naturaleza: estructuras de equilibrio y

estructuras disipativas. Las estructuras de equilibrio son resultado de la tendencia de

la naturaleza a minimizar la energía libre (la energía aprovechable o útil para

realizar trabajo) en sistemas que no intercambian materia ni energía con su

entorno, sujetos a las leyes de conservación. Ejemplos de estructuras de equilibrio

son las formas cristalinas, la esfericidad de la Tierra y las órbitas planetarias. En

cambio, las estructuras disipativas resultan de la tendencia de la naturaleza a

aumentar la producción de entropía global a causa de la disipación de un potencial

químico generalizado. Son sistemas termodinámicamente abiertos, su existencia es

dependiente de intercambios de energía y materia con su ambiente. Ejemplos son

los huracanes, las corrientes de aire o agua, las celdas de convección y la vida

misma.

La entropía podemos entenderla como una medida de la distribución de las

entidades conservadas (la energía, momento, momento angular, etc.) sobre los

grados de libertad microscópicos del sistema. Mientras más repartidas estén estas

entidades sobre los grados de libertad microscópicos, mayor será la entropía del

sistema. (Leopoldo García-Colín explica muy bien el concepto de entropía en su

libro “De la máquina de vapor al cero absoluto” de esta misma colección.) Se

observa que en la naturaleza, los procesos disipativos macroscópicos, como

huracanes ó la vida, dado ciertas condiciones ambientales, puedan aparecer

espontáneamente para facilitar esta repartición de las entidades conservadas sobre

los grados de libertad microscópicos.

La posibilidad de repartición de las entidades conservadas, y por entonces la

aparición espontáneo de la estructura disipativa, está relacionada con las

restricciones sobre el sistema termodinámico, el ambiente externo del sistema. Por

ejemplo, imaginemos un planeta Tierra cubierto con una capa de hielo como en el

periodo criogénico hace 700 millones de años. La capa de hielo representaría una

restricción para nuestro sistema de estudio, que es la Tierra en interacción con el

campo fotónico del Sol, porque la mayor parte de la energía solar que llegaría al

planeta no podría ser repartida sobre nuevos grados de libertad microscópicos sino

que sería simplemente reflejada por el hielo de regreso hacia el espacio.

Ahora imaginemos que quitamos esa restricción, que quitamos la capa de hielo, y

nos permitimos el lujo de tener materia orgánica sobre la superficie, lo cual

absorba la luz mejor que el hielo (en general, la materia orgánica absorba l luz

mejor que la materia inorgánica). Así la energía que llegue del Sol daría pie, como

lo dicta la experiencia, a procesos de absorción en materia orgánica y será

convertida en calor que, a su vez, permitiría el desarrollo de ciertos nuevos

fenómenos irreversibles, como la evaporación del agua de los mares, ríos y lagos

(parte del ciclo del agua), los huracanes, y las corrientes de aire y agua, todo lo cual

aumentaría aun más la repartición de la energía disponible en los fotones

incidentes sobre más grados de libertad microscópicos. Todos estos procesos,

desde la absorción y disipación de fotones en materia orgánica, hasta el ciclo del

agua, cambiaría el espectro de la energía emitida por la Tierra, llevándolo hacia el

infrarrojo, es decir, más fotones de menor energía cada uno. En otras palabras, la

materia orgánica ha logrado repartir la energía que llega del Sol sobre más grados

de libertad microscópicos. He aquí el primer punto importante: la vida es un

proceso irreversible macroscópico que apareció en la Tierra para aumentar la

producción de entropía en el sistema Tierra-Sol (Michaelian, 2012).

Entonces, la teoría propuesta plantea que la vida surge en la Tierra para producir

más entropía. De hecho, toda estructura disipativa, también conocida como

“proceso irreversible”, aparece y persiste sólo por una razón: para producir

entropía. Actualmente en la superficie de los mares se encuentran flotando gran

cantidad de materia orgánica, microorganismos como las cianobacterias y las

diatomeas, además de virus y muchas cadenas de ARN y ADN libres, así como

otros compuestos orgánicos. Todo este conjunto de microorganismos y moléculas

absorben parte de la luz que llega del Sol y la convierten en calor que es

transmitido al agua. De haber sólo agua en los mares, en su superficie absorbería

nada más la luz infrarroja que llega del Sol porque el agua sólo absorbe

fuertemente en ese rango. Pero la existencia de dichos microorganismos y

moléculas orgánicas permite no sólo absorber en el infrarrojo sino también en el

espectro visible y en el ultravioleta. Estamos diciendo entonces que la vida quita

una restricción a la que podemos llamar “sólo absorber en el infrarrojo” para dar

lugar a la absorción y disipación de luz en un rango mucho más amplio, y de

hecho, en un rango donde nuestro Sol es mas intenso.

El calor transmitido al agua por estas moléculas provoca la evaporación de ésta en

la superficie de los mares; la evaporación genera nubes que viajan y hacen llover

en tierra firme. Ya en tierra firme el agua, así como otros minerales, permite el

crecimiento de plantas terrestres que también absorben la luz del Sol por medio de

sus pigmentos orgánicos como la clorofila. Así, la absorción de la luz solar por

medio de moléculas orgánicas promueve el ciclo del agua y el ciclo del agua a su

vez da más posibilidades de generar más vida. A esta conjunto de procesos se les

llama “procesos termodinámicos irreversibles acoplados”. El acoplamiento de la

disipación de luz por moléculas orgánicas en la superficie de la Tierra con el ciclo

de agua produce más del 63% de toda la entropía generada por la interacción

fotónica Sol-Tierra.

Dado que la disipación de fotones es el trabajo termodinámico más relevante que

lleva a cabo la vida actualmente, es probable que también ésta haya sido su función

hace 3.8 mil millones de años, fecha para el cual hay evidencias de que se originó

(Schidlowski et al., 1983). Por falta de oxígeno y ozono, la atmósfera terrestre de

ese entonces permitía el paso libre de la luz con longitudes de onda de entre 220 y

280 nanómetros (nm), o sea la radiación ultravioleta (UV), y al mismo tiempo no

permitía que la luz visible (de entre 400 y 700 nm) pasara con facilidad. El Sol joven

emitía radiación UV con una intensidad hasta diez veces mayor que el Sol actual.

Es concebible, entonces, que la vida haya empezado disipando fotones en el UV y

más tarde, mientras la atmósfera permitía pasar cada vez más la luz visible, haya

desarrollado pigmentos que absorbieran y disiparan en el espectro visible, donde

la luz incidente del Sol era más intensa.

Se sabe que cuando el ARN y el ADN están en agua absorben y disipan

eficientemente los fotones de luz UV con una longitud de onda alrededor de 260

nm, justamente dentro del intervalo en el que la atmósfera era transparente en el

Arqueano (la etapa geológica que comenzó hace 3 800 millones de años y finalizó

hace 2 500 millones de años). Esta propiedad se debe a que, expuestos a la luz UV,

las bases de ARN y ADN (adenina, guanina, citosina y timina o uracilo según se

trate de ADN o ARN) se excitan electrónicamente (excitación de los electrones en

sus anillos aromáticos, conocido como * ) y decaen rápidamente por una

intersección cónica mediante conversión interna, convirtiendo en calor la energía

del fotón absorbido (ver Fig. 1). Esta característica fotoquímica de disipación

rápida hace al ARN y al ADN sumamente estables ante posibles foto-reacciónes

que pudieran modificar su estructura.

Fig. 1: a) Decaimiento rápido (en pico segundos) del estado excitado de adenina, base de ARN y

ADN, irradiado por luz UV a 260 nm. b) Representación esquemática de una intersección cónica

que permite la disipación rápida en calor de excitaciones electrónicas debida a un acercamiento en

energía de los estados vibraciónales del estado electrónico excitado con los estados vibraciónales

del estado base por una ligera deformación de las coordenadas atómicas de las moléculas.

Reproducido con permiso de “Intrinsic Lifetimes of the Excited State of DNA and RNA Bases”,

Hyuk Kang et al.. Copyright (2002) American Chemical Society.

Así que no es descabellado sospechar que el ADN y ARN fungían como

disipadores de la energía de los fotones que llegaban a la superficie en el comienzo

de la vida. Es justamente esta propiedad disipativa de la luz la que trae como

consecuencia, según la teoría propuesta, la proliferación de bases nucleicas sobre la

superficie de la Tierra y la reproducción de las cadenas de ADN y ARN. Veamos

enseguida cómo.

3. Origen de la vida por disipación de energía solar

Hace casi 50 años, Ilya Prigogine (1967) demostró que en las reacciones químicas

autocatalíticas (aquellas en las que uno de los productos de la reacción actúa como

un catalizador para la reacción), llevadas a cabo en sistemas mantenidos fuera de

equilibrio por un gradiente de concentración impuesto, la concentración del

catalizador producto puede aumentar muchos órdenes de magnitud respecto a la

concentración esperada para un sistema cerca del equilibrio. Este hecho es

resultado de un análisis de la termodinámica de no-equilibrio y tiene su origen en

la relación no-lineal entre los flujos y fuerzas (por ejemplo, para reacciones

químicas las fuerzas son la afinidad dividido por la temperatura y el flujo es la

velocidad de la reacción).

En un artículo reciente Karo Michaelian demuestra, a través de un análisis similar,

que para un sistema que se mantiene fuera del equilibrio por un potencial fotónico,

si una molécula producida por una reacción fotoquímica actúa como un

catalizador para la disipación de los mismos fotones, se puede esperar que su

concentración aumente por encima de la concentración esperada cerca de

equilibrio. En consecuencia, los bases de ADN y ARN (adenina, timina, guanina,

citosina y uracilo), además de tener gran estabilidad frente a reacciones

fotoquímicas destructivas, poseen una propiedad catalizadora para la disipación

rápida de la luz UV, la cual, de acuerdo con este análisis, es una razón

termodinámica suficiente para entender su proliferación sobre toda la superficie de

la Tierra durante el Arcaico.

Entonces, la proliferación de pigmentos orgánicos, en particular las bases de ADN

y ARN, sobre la superficie de la Tierra dentro del Arcaico puede ser entendida

como resultado de su naturaleza disipativa de fotones UV, pero ¿cómo podemos

explicar la replicación y evolución de cadenas particulares de ADN y ARN?

Una característica importante que exhiben las cadenas de ADN y ARN es la de

desnaturalización. Recordemos que ambas moléculas, pero en especial el ADN,

forman cadenas de doble hélice que se mantienen así gracias a los enlaces o

puentes de hidrógeno que se forman entre las bases nitrogenadas. Pasa que cuando

estas moléculas están en agua y se va aumentando la temperatura, las dobles

cadenas de ADN se separan en cadenas sencillas a una temperatura particular.

Cuando se separan las cadenas de ADN o ARN decimos que se han

“desnaturalizado”. En general la temperatura de desnaturalización de cada cadena

de ADN y ARN depende de la cantidad de puentes de hidrógeno que la forman, y

por lo tanto, de la cantidad de bases nitrogenadas que posea y la proporción de

bases G-C (con 3 enlaces de hidrogeno entre sí) comparado del numero de enlaces

A-T (con 2 enlaces de hidrogeno entre sí). Pero, en general, la temperatura de

desnaturalización es mayor a los 75 °C.

Por un estudio basado en la razón de concentraciones de los isótopos 16O y 18O

(que finge como termómetro) encontrados en los sedimentos de hace 3.8 mil

millones de años (edad cercana al origen de la vida), se estimó que la temperatura

de la superficie de la Tierra en ese entonces era aproximadamente de 80°C,

coincidentemente cercana a la temperatura de desnaturalización de segmentos de

tamaño intermedio de ARN y ADN. Con tales características ambientales del

Arqueano, es posible sugerir un mecanismo puramente físico para la replicación de

ARN y ADN una vez que la temperatura de los mares disminuyera por debajo de

la temperatura de desnaturalización:

Durante el día, la absorción de luz UV por ARN y ADN y algo de luz

visible por la materia orgánica que flotaba en la superficie del mar,

además de la fuerte absorción de luz infrarroja por el agua, causó que la

temperatura superficial del mar aumentara por encima de la

temperatura de desnaturalización del ARN o ADN, y así una cadena

doble se separaba en dos hebras sencillas. Actualmente, la variación

diurna de la temperatura del primer milímetro de la superficie del mar

puede ser de hasta 5°C.

En la noche, a temperaturas por debajo de su temperatura de

desnaturalización, las hebras sencillas pudieron haber actuado

independientemente como moldes para la formación de una nueva

generación de cadenas dobles. Es decir que a una hebra sencilla de ADN

o ARN pudieron unirse bases complementarias que iban creando una

cadena doble, probablemente con la ayuda de iones magnesio (Mg++) en

lugar de la polimerasa, un enzima que actualmente hace esta extensión

en los interiores de las células (ver Fig. 2).

Este proceso resulta similar a una técnica utilizada comúnmente en el

laboratorio para amplificar (multiplicar) ADN, conocido como Reacción en

Cadena de la Polimerasa o simplemente PCR (ver sección 5).

Fig. 2. Reproducción de ARN y ADN asistido por luz Ultravioleta y Temperatura (UVTAR).

Mecanismo propuesto Michaelian para la replicación de ARN y ADN asistido por el alto flujo de

luz UV, la elevada temperatura de los mares en el Arqueano y un ciclo diurno de calentamiento y

enfriamiento de la superficie del mar. El “hipercromismo” refiere al aumento (hasta 40%) en la

absorción de fotones UV (260 nm) cuando el ARN o ADN están en hebras sencillas. La

termodinámica fuera de equilibrio explica la replicación y proliferación de estas moléculas como

resultado de su propiedad catalizadora en la disipación en calor de fotones, implicando mayor

producción de entropía en el sistema sol-tierra-espacio.

En cuanto a la evolución se refiere, la teoría propuesta sugiere que la selección

natural favorece a los sistemas acoplados biótico-abióticos que dan mayor

producción global de entropía, en acuerdo con evidencia empírica y con un

principio debido a Onsager desarrollado en 1931, el cual enuncia que dos procesos

irreversibles se acoplan sólo si de forma conjunta aumentan la producción de

entropía global. En ese sentido, la atracción físico-química entre el ADN/ARN y

los aminoácidos aromáticos (triptófano, tirosina, fenilalanina e histidina), que

también absorben y disipan luz UV a 280 nm, puede tener razón termodinámica.

Es posible que la primera información codificada en el ARN y ADN fuera la de los

anti-codones que correspondía a estos aminoácidos, permitiendo la disipación de

aun más fotones para el complejo ADN-amino acido y por lo tanto la

desnaturalización y replicación en mares cada vez más fríos.

4. Comparación con otras propuestas para el origen de la vida

Lo que mantiene a los seres vivos con vida son las múltiples reacciones químicas

que les permiten elaborar sus propios alimentos, por ejemplo las plantas, así como

asimilar los nutrientes que ingieren con los alimentos y utilizarlos a su vez para

mantener su buen funcionamiento, como en el caso de los animales. Todas esas

reacciones químicas que permiten la autopreservación de los seres vivos

constituyen el metabolismo. La importancia de esas reacciones químicas radica en

que es por medio de ellas que se puede realizar trabajo. Por ejemplo, el trabajo

mecánico que se hace para la contracción de un músculo resulta de la hidrólisis del

molécula orgánica ATP (adenosintrifosfato); se realiza trabajo también cuando se

está elaborando la queratina que forma nuestras uñas y cabellos, y también cuando

nuestras neuronas se “comunican” entre sí transportando moléculas e iones de

calcio y potasio. Justamente a la energía involucrada en una reacción química útil

para realizar trabajo, le llamamos “energía libre”.

Aun dada la importancia de metabolismo para cada uno de los seres vivos, para el

conjunto global de la vida sobre la Tierra, la energía libre disipada en el

metabolismo representa sólo una parte minúscula de toda la energía libre disipada

por la vida. La gran mayoría de la energía libre que llega en los fotones del Sol se

disipa simplemente en calor por los pigmentos orgánicos en agua, sin algún

aprovechamiento de esta energía por parte del organismo. Sin embargo, como

hemos explicado en las secciones anteriores, esta es precisamente la esencia de la

vida, la razón termodinámica para existir. Las teorías tradicionales del origen de la

vida, que reconocen la necesidad de una fuente de energía libre para mantener el

metabolismo, quizás obtenida a través de gradientes químicos o térmicos (como de

una ventila hidrotermal), ignoran por completo la gran cantidad de disipación que

logra la vida y que no está relacionada con el metabolismo. A estas teorías les falta

una apreciación de la esencia de la vida, la cual sólo puede ser entendida bajo el

formalismo de la termodinámica de no-equilibrio.

Fuentes de energía libre disponibles en gradientes químicos ó térmicos fueron

relativamente muy limitados en tamaño y extensión en los tiempos en que se

originó la vida y esta disipación simplemente no puede competir con la disipación

posible del potencial fotónico solar. Además, una teoría basada en estas fuentes

tendría el problema de explicar la rápida aparición de la disipación de fotones en el

proceso de fotosíntesis que ocurrió muy poco después del surgimiento de la vida.

La teoría aquí propuesta, al igual que la teoría del origen de la vida en ventilas

hidrotermales, apoya un origen termofílico (origen en ambientes de temperatura

elevada) de la vida, justamente lo que está siendo encontrado por un analisis de

genomas de organismos primitivos. Cualquier evidencia irrefutable que indique

que la Tierra estaba fría en los comienzos de la vida, haría la teoría propuesta

inviable.

La teoría aquí expuesta visualiza el origen de la vida como una imposición

termodinámica, un nuevo proceso irreversible que produce pigmentos orgánicos

para la disipación de fotones y el acoplamiento del gradiente de calor resultante a

otros procesos irreversibles, en particular el ciclo del agua y las corrientes de aire o

agua. Este nuevo proceso irreversible, que llamamos “vida”, apareció una vez que

las condiciones ambientales llegaron a ser apropiadas (desde hace 3.8 mil millones

de años y luego jamás apropiadas), con el propósito termodinámico de aumentar la

producción de entropía de la Tierra en su interacción con su ambiente solar.

Por otro lado existe el problema que hace referencia a la homoquiralidad de las

moléculas que constituyen a los seres vivos. Cuando una muestra de ADN o ARN

de un ser vivo interactúa con luz de longitud de onda de entre 250 y 300 nm, estas

moléculas polarizan circularmente la luz hacia la derecha. Decimos entonces que el

ADN y el ARN de los seres vivos son dextrógiros. Algo similar pasa con los

aminoácidos, sólo que éstos en vez de polarizar circularmente la luz hacia la

derecha, en el mismo rango de longitud de onda, lo hacen hacia la izquierda, y por

eso decimos que los aminoácidos que constituyen a los seres vivos son levógiros.

Estas moléculas con actividad óptica se llaman “moléculas quirales”.

El problema de la homoquiralidad de la vida surgió cuando los investigadores

dieron cuenta de que en el laboratorio se pueden sintetizar abióticamente ARN,

ADN y aminoácidos que son tanto dextrógiros como levógiros, esto es que se

puede obtener también ARN y ADN que polaricen circularmente la luz hacia la

izquierda y aminoácidos que lo hagan hacia la derecha. La pregunta es; si en los

comienzos de la vida se sintetizaron abioticamente ambos tipos de ADN, ARN y

aminoácidos (tanto levógiros como dextrógiros), ¿cómo es que en el curso de la

evolución de la vida se adoptó un tipo de quiralidad sobre la otra de tal manera

que hoy en día todos los seres vivos están formados por ARN y ADN dextrógiros

y aminoácidos levógiros?

Las teorías hasta ahora elaboradas sugieren que en los comienzos de la vida pudo

haber reacciones químicas que llevaran a la producción de más ADN y ARN

dextrógiro que levógiro y que otras reacciones producían mucho más aminoácidos

levógiros que dextrógiros o al contrario, que había mecanismos que destruyeron

una quiralidad preferencialmente.

La teoría propuesta aquí no requiere del descubrimiento, poco probable, de un

mecanismo asimétrico que produjera ó destruyera una quiralidad de una molécula

sobre la otra para explicar la homoquiralidad de la vida. La nueva teoría permite

una explicación sencilla de la homoquiralidad dentro del mecanismo de UVTAR

(ver Fig. 2) basado en que la luz vespertina, debajo de la superficie del mar, está

ligeramente polarizada de manera circular. En la tarde, el agua de la superficie del

mar estaba más caliente y entonces era más fácil desnaturalizar el ARN o ADN por

el mecanismo de UVTAR que en la mañana. Coincidentemente, la luz submarina

tiene un componente mayormente polarizado de manera circular hacia la derecha

durante la tarde, implicando que, por su ligera preferencia por esta luz, el ARN y

ADN dextrógiros eran más susceptible a la desnaturalización, y por lo tanto a su

replicación y proliferación. La naturaleza levógira de los aminoácidos, bajo este

misma teoria, tiene que ver con la naturaleza dextrógira de los acoplamientos

ARN-amino ácidos, o ADN-amino ácidos.

Para probar con pasos firmes la veracidad de esta teoría para el origen de la vida,

hemos diseñado un sencillo experimento cuyas características serán descritas a

continuación. El experimento ha sido financiado por la UNAM, proyectos

DGAPA-IN112809 e IN103113 y uno de nosotros (N.S.P.) hará el experimento

como trabajo de tesis de licenciatura.

5. El experimento

El experimento para comprobar esta teoría del origen de la vida consiste en

intentar llevar a cabo una amplificación (multiplicación) de ARN o ADN

utilizando la técnica PCR modificada de manera que un ciclo de luz UV reemplace

el ciclo estándar de temperatura (ver abajo). Si esto funcionara y se viera

amplificada la cantidad de ARN y ADN, el siguiente paso del experimento será

determinar si el proceso pudiera ocurrir con iones de Mg en lugar de la enzima

polimerasa que actualmente cataliza la extensión (ver abajo), aunque se espera que

sin polimerasa la amplificación sea a tasas mucho más reducidas.

El material experimental consiste de una lámpara de deuterio que emita en el UV

con una emisión importante alrededor de 260 nm, un contenedor de cuarzo para

depositar el ARN o ADN en solución acuosa, conectado por medio de una fibra

óptica a un espectrómetro de UV, y un método de “electroforesis en geles de

agarosa” para identificar y cuantificar el ARN o ADN producido (ver Fig. 4), o un

método basado en absorción de luz UV o en fluorescencia de pigmentos con

afinidad solo para hebras dobles de ARN y ADN.

En la siguiente sección se describe el proceso de PCR experimental en general y en

la sección 7 se describe cómo se modificará de acuerdo con la propuesta de

UVTAR.

6. PCR

La Reacción en Cadena de la Polimerasa, PCR, es una técnica de laboratorio que

permite obtener copias de un fragmento de cualquier cadena de ADN. Esto se

puede hacer gracias a una enzima llamada ADN-polimerasa, o simplemente

polimerasa, la cual es una molécula que tiene, entre otras, la importante función de

hacer copias del material genético de los seres vivos para que esa información

genética pase a la progenie de los mismos. La polimerasa, tomando como molde

una hebra de las dos que forman al ADN, coloca los bases nucleicos “ladrillo” por

“ladrillo” para ir formando esa gran construcción en cadena doble que es el ADN.

Los “ladrillos” son en realidad desoxirribonucleótidos, o dNTPs, que están

formados a su vez por fosfatos, desoxirribosas y cualquiera de las bases

nitrogenadas (adenina, guanina, citosina o timina). La técnica PCR se basa en

someter la solución que contiene el fragmento de ADN que se quiere sintetizar a

un proceso cíclico de variaciones de temperatura. Tal solución (acuosa) está

compuesta, además del fragmento de ADN que se quiere sintetizar, por:

1) polimerasa termo-estable (es decir estable a altas temperaturas),

2) oligonucleótidos (también llamados primers y que son cadenas cortas de

ADN o ARN complementarias a los extremos de la cadena que se quiere

multiplicar y sobre los cuales depende la multiplicación),

3) los cuatro desoxiribonucleótidos (dATP, dGTP, dTTP, dCTP),

4) sales de MgCl2 entre otras substancias que definan la salinidad y el pH

necesarios para que la polimerasa realice su función adecuadamente.

Cada ciclo del proceso PCR consta de tres etapas:

1. Desnaturalización. Calentando la solución a 95°C la cadena doble del

fragmento de ADN se separa quedando en cadenas simples complementarias

(ver Fig. 3). Estas cadenas simples servirán como molde para las síntesis de

más fragmentos. En el primer ciclo, ésta etapa puede tomar de 5 a 10

minutos, pero en los ciclos sucesivos sólo entre 30 y 60 segundos.

2. Alineamiento. Se disminuye abruptamente la temperatura a 54°C,

aproximadamente, para permitir que los primers se puedan alinear a su

secuencia complementaria de cada extremo del fragmento de ADN de

interés. La polimerasa se une a esta región de cadena doble y comienza a

amplificarla añadiendo las bases complementarias (dNTPs) a las bases

situadas sobre la cadena molde. El alineamiento lleva también un tiempo de

entre 30 y 60 segundos.

3. Extensión. La temperatura es finalmente elevada a 72°C, temperatura

óptima de la Taq ADN-polimerasa (proveniente de la bacteria termofílica

Thermus aquaticus). Esta es, por antonomasia, la polimerasa utilizada para

llevar a cabo PCR. En esta etapa continúa la amplificación de la cadena doble

para finalizar con la síntesis de dos copias del fragmento original de ADN. El

tiempo para esta etapa depende del número de bases de las cadenas molde.

Por ejemplo para 1000 bases (1 kb) es suficiente con un minuto, para 2 kb

dos minutos y para menos bases se hace una conversión equivalente.

Fig. 3 Ilustración de los tres primeros ciclos del proceso PCR. La amplificación del fragmento

esperado es de forma exponencial mientras que la amplificación de la cadena original de ADN

crece de manera aritmética.

Los cambios de temperatura se logran colocando las soluciones en pequeñas

cubetitas de cuarzo llamadas celdas que a su vez son colocadas dentro de una

máquina termocicladora, cuya función es elevar o disminuir de manera muy

precisa la temperatura de las soluciones.

Dependiendo de la cantidad de producto deseado cada ciclo se repite de 20 a 30

veces. La síntesis de cadenas de ADN es del orden de millones con 20 ciclos y del

orden de miles de millones con 30 ciclos, los cuales pueden ser realizados en

menos de una hora.

7. UVTAR

La reproducción de ARN/ADN Asistido por luz Ultravioleta y Temperatura

(llamado UVTAR, Ultraviolet and Temperature Assisted ARN/ADN Reproduction, por

sus siglas en inglés) es una propuesta de Karo Michaelian para la reproducción

molecular al principio de la vida. UVTAR es una técnica tipo PCR modificada que

pretende reproducir un fragmento de ADN o ARN sometiendo la solución que

contiene a dicho fragmento a un proceso cíclico de incidencia de luz UV con,

quizas, un ciclo de ligeros cambios de temperatura correspondiente al incremento

en temperatura esperada para las superficies de los mares en el Arqueano,

aproximadamente 4°C. En esta técnica, la solución acuosa estaría formada por el

fragmento de ADN o ARN que se quiere multiplicar, los oligonucleótidos o

primers, los correspondientes nucleótidos (dNTPs para ADN y NTPs para ARN), la

polimerasa y sales.

El proceso se realizara usando luz UV, manteniendo relativamente fija la

temperatura (con variaciones máximas de 4°C) de la solución y ligeramente por

debajo a la temperatura de desnaturalización. Las etapas en cada ciclo son las

siguientes:

1. Desnaturalización. Hacer incidir luz UV con longitud de onda de 260 nm

sobre la solución. Existe evidencia experimental de que la irradiación UV

produce en efecto desnaturalización del ADN cuando está en solución acuosa

manteniéndose a una temperatura fija y mientras más próxima sea ésta a la

temperatura de desnaturalización del ADN el efecto de desnaturalización por

luz UV aumenta.

2. Alineamiento. Suspender la irradiación UV para que descienda la

temperatura local (alrededor del ADN ó ARN) de la solución y así permitir la

alineación de los primers a sus cadenas complementarias.

3. Extensión. Estando ya alineados los primers, comenzarán a añadirse, por

complementariedad y con ayuda de la polimerasa, las bases presentes en la

solución y seguirán añadiéndose hasta que se obtengan dos copias del

fragmento original de ADN o ARN.

Un método para identificar y cuantificar el producto de amplificación se

conoce como “electroforesis en geles de agarosa”. La agarosa es un material que

forma una especie de red con diminutos agujeros a través de los cuales pueden

pasar las cadenas de ADN o ARN, y a su vez nos permite separar estas cadenas de

acuerdo a su tamaño. Para esto se someten las cadenas de ácidos nucleicos a un

campo eléctrico que hará que las cadenas de ADN o ARN migren al polo positivo

debido a que tienen carga neta ligeramente negativa. Las cadenas de ADN o ARN

se acumulan a diferentes distancias en el lugar en donde la fuerza de arrastre

eléctrica balancea la fuerza de fricción de movimiento. Si hay muchos fragmentos

del mismo tamaño se formara una banda en el gel de agarosa. Por el hecho de que

los primers delinean una región de largo particular y conocido de la molécula, la

identificación del producto es trivial. La intensidad de la línea bajo fluorescencia

se relaciona con la concentración (ver Fig. 4 (b)).

Otra técnica para la medición de la cantidad de ADN o ARN producido se basa en

la absorción de luz UV. Se coloca en la celda de cuarzo el ADN o ARN que se

quiere multiplicar y se hace incidir luz UV de 260 nm. Luego se mide la absorción

correspondiente. El mismo procedimiento se sigue para luz UV de 280 nm. Con

estos datos se puede calcular la concentración inicial de ADN o ARN y además

saber qué tan puros son éstos (la contaminación de proteínas se puede saber a

partir de su absorción relativamente mayor a 280 nm comparado a 260 nm, donde

ARN y ADN absorben mejor). Terminado el proceso de UVTAR se miden de

nuevo las absorbencias correspondientes a 260 y 280 nm y se calculará con estos

datos la concentración final de hebra doble producida.

Si observamos la amplificación de ADN ó ARN, la siguiente etapa del experimento

consistirá en intentar PCR sin polimerasa pero con luz UV. Se consta que la

extensión de ARN y ADN es facilitada por luz UV e iones Mg++, el cual de hecho

es el cofactor activo de la polimerasa. Los iones de Mg son un componente natural

de las superficies del mar y también un componente, incluido en forma MgCl2, del

“buffer” Tris, solución común de PCR. Aunque esperamos que cualquier

amplificación en esta fase sin polimerasa sea muy reducida y más difícil de

detectar, creemos, sin embargo, que la detección será factible con el mismo equipo.

El experimento propuesto está dibujado esquemáticamente en la figura 4 (a).

Figura 4 (a) Diagrama esquemático del experimento propuesto para probar la viabilidad de la teoría

UVTAR para explicar la reproducción no-enzimático en el origen de la vida. (b) Ejemplo de la

técnica de electroforesis para identificar y cuantificar segmentos de ARN o ADN de diferentes

longitudes. La posición de cada línea representa el número de pares de bases, y su intensidad es

proporcional a su concentración. La amplificación mostrada corresponde a un segmento de 94 pares

de bases.

Hemos logrado aislar el ADN de una fresa y medir su curva de desnaturalización

con el aparato descrito arriba (ver figura 5). El ADN fue extraído de células de

fresas porque son octoploides (es decir, contienen 8 copias de cada cromosoma)

implicando una cantidad grande de ADN en cada núcleo. Empleando presión

mecánica suave sobre las fresas en una solución jabonosa con sal, las paredes de

los núcleos de las células se rompen (un proceso conocido como “lisis”) y dejan

escapar el ADN. Si etanol frió es agregado a la solución, el ADN se precipita hacia

el etanol y puede ser removido del resto de la materia orgánica de manera

relativamente pura, aunque viene envuelta alrededor de los proteína conocidos

como hisotonas que dan suporte para el empaquetamiento del ADN dentro del

núcleo celular. Las histonas puedan ser destruidos con ablandadores de carne,

dejando el ADN completamente libre.

Figura 5. Curva de desnaturalización de ADN de fresa obtenido por la técnica y el aparato

mencionado arriba. La temperatura de desnaturalización es de aproximadamente 86.5 °C (flecha).

Utilizando el ADN de espermatozoide de salmón purificado en el Instituto de

Fisiología de la UNAM, hemos logrado demostrar que, dejando la temperatura del

contenedor de la celda de cuarzo constante, la luz UV desnaturaliza el ADN, como

puede ser observado en la figura 6. Estos datos confirman un paso importante, la

desnaturalización de ADN por luz UV, en la propuesta de la reproducción de ARN

ó ADN asistido por luz UV y temperatura (UVTAR) (ver la parte central de la

figura 2) en la teoría termodinámica disipativa del origen de la vida.

Figura 6. Demostración del efecto de la luz UV en la desnaturalización de ADN de tamaños no

específicos de espermatozoide de salmón. La grafica representa la extinción (casi puro absorbancia

con un poco de dispersión) de ADN en el rango de 255 a 265 nm contra tiempo transcurrido. La

temperatura del baño fue aumentada hasta alcanzar 40 °C a un tiempo de 20 minutos (flecha roja) y

luego fue mantenido a este valor (con fluctuación de magnitud .01 °C) por la duración del

experimento. Las flechas hacia abajo marcan el tiempo en cuando la luz UV fue apagada, y las

flechas por arriba cuando la luz fue encendida. Se observa que la extinción aumenta gradualmente

después de encender la luz (alcanzando aproximadamente 0.3% del absorción total ó un 9% del

incremento en absorción debido a la desnaturalización por temperatura a 40 °C) indicando un

aumento, alrededor de 9%, en la desnaturalización de ADN. El valor cuantitativo del aumento de la

extinción depende de la intensidad de la luz UV y la cantidad relativa de segmentos pequeños de

ADN con temperatura de desnaturalización ligeramente mayor de 40°C.

La obtención de las graficas de figuras 5 y 6 demuestra que hemos logrado la

experiencia suficiente para ver, manipular, y medir las características de ADN.

Además, hemos confirmado el primero suposición de la teoría disipativa del

origen de la vida: desnaturalización de ADN por luz UV. El paso siguiente es

llevar a cabo la técnica PCR y posteriormente intentar UVTAR.

6. Conclusiones

El origen de la vida es una de las preguntas más enigmáticas que ha

ocupado la imaginación humana por milenios. Aunque han pasado más de 150

años desde que Darwin, y más tarde Oparin (1924), hace 90 años, sugirieran un

origen físico-químico de la vida, y más de 54 años desde los primeros

experimentos de Miller y Urey en 1959 que dieran elementos firmes a favor de la

posibilidad, todavía no hay una teoría universalmente aceptada por la comunidad

científica. Su complejidad y la aparente imposibilidad de conciliar procesos

bióticos con procesos físicos ha sido un obstáculo para el progreso. La

termodinámica fuera de equilibrio ofrece un nuevo marco para la unificación de la

biología y la física, a la vez que explica la complejidad que surge de la no

linealidad y las resultantes bifurcaciones de las soluciones dinámicas en sistemas

mantenidos lejos de la rama de la termodinámica lineal.

Hemos presentado una teoría en la cual el origen de la vida es una

imposición termodinámica de no equilibrio, donde el motor de la evolución es la

producción de entropía por la disipación del potencial fotónico impuesto por el

Sol sobre la Tierra y el acoplamiento del gradiente del calor resultante a otros

procesos irreversibles como el ciclo del agua y corrientes de aire o agua. La vida es

un eslabón en este proceso disipativo global. Desde su comienzo, la vida fue, en

esencia, la producción y proliferación de pigmentos orgánicos sobre la superficie

de la Tierra, y esta proliferación puede ser explicada dentro del mismo marco de la

termodinámica no-lineal y fuera de equilibrio por la acción catalizadora que tienen

los pigmentos orgánicos en la disipación de los fotones solares.

Estamos empezando experimentos para verificar la veracidad de ésta teoría

del origen de la vida. Es nuestra intención hacer experimentos UVTAR, tipo PCR,

en el cual se sustituya el proceso cíclico de variaciones de temperatura por un

proceso cíclico de incidencia de luz UV. Si hay amplificación de ARN o ADN, el

siguiente paso será intentarlo sin la enzima de extensión de polimerasa. Cualquier

indicio de amplificación será un elemento importante a favor de la veracidad de la

teoría propuesta.

Si el lector le gustaría leer más sobre la teoría termodinámica disipativa del origen

de la vida y conocer los últimos resultados de los experimentos, vállense al

siguiente liga; http://www.ThermodynamicOriginOfLife.Wordpress.com

Reconocimientos

Los autores están endeudados al Dr. Ernesto Belmont por la prestación de un

espectrometer y al Cristian García Puente por la revisión del manuscrito. La ayuda

financiero de DGAPA-UNAM, proyectos IN112809 e IN103113 esta ampliamente

apreciado.

Bibliografia

Michaelian, K.: The Biosphere: A Thermodynamic Imperative, en The Biosphere,

Dr. Natarajan Ishwaran (Ed.), ISBN: 978-953-51-0292-2, InTech, Disponible de:

http://www.intechopen.com/books/the-biosphere/the-biosphere-a-

thermodynamic-imperative, 2012.

Oparin, A. I.: The Origin of Life, Moscow: Moscow Worker publisher, English

translation: Oparin, A. I., 1968, The Origin and Development of Life (NASA TTF-

488), L GPO, Washington, D. C., 1924.

Prigogine, I.: Thermodynamics of Irreversible Processes, Wiley, New York, 1967.

Schidlowski, M., Hayes, J. M., and Kaplan, I. R.: Isotopic Inferences of Ancient

Biochemistries: Carbon, Sulfur, Hydrogen, and Nitrogen, in: Earth’s Earliest

Biosphere its Origin and Evolution, editado por: Schopf, J. W., Princeton

University Press, Princeton, New Jersey, 149–186, 1983.

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