El ser humano es un ente complejo, que además de encargarse de satisfacer sus necesidades básicas, también requiere dar explicación a su existencia y orígenes. De ahí surgen diversos postulados, que abarcan desde los campos religiosos y filosóficos, hasta los científicos. Dentro de la corriente científica, fue postulada una teoría de evolución molecular denominada teoría quimiosintética, basada en los estudios de los científicos Alexander Oparin y John Haldane, quienes a pesar de no haber trabajado en conjunto llegaron a la formulación de una misma hipótesis. Esta hipótesis, formulada por Oparin y Haldane en la década de 1920 (1924 en postulados clásicos), da continuidad a los fundamentos planteados en la teoría del big bang, se opone a la teoría de la generación espontánea y plantea una alternativa frente a las teorías religiosas sobre el génesis de la vida.
¿Qué establece la teoría quimiosintética?
La teoría quimiosintética del origen de la vida establece que el hidrógeno (H2) presente en la atmósfera primordial reaccionó con átomos de carbono, de nitrógeno o de oxígeno formando un caldo nutritivo rico en compuestos orgánicos simples. Este caldo, también llamado sopa primitiva o sopa primogénita, al entrar en contacto con diversas fuentes de energía primitiva (rayos, radiación ultravioleta, calor volcánico) dio origen a varios aminoácidos, los cuales constituyen los bloques básicos de la vida orgánica. A lo largo de inmensos periodos de tiempo, estas moléculas se fueron combinando, organizando y complejando hasta formar agregados moleculares con actividad metabólica, es decir, sistemas capaces de realizar procesos similares a los de los organismos vivos más simples actuales.
En otras palabras, la teoría quimiosintética propone que, bajo las condiciones atmosféricas y energéticas que dominaron la Tierra durante sus primeros miles de millones de años, se inició la síntesis abiótica de moléculas orgánicas. Con el tiempo, estas moléculas formaron estructuras organizadas (coacervados, protobiontes, microesférulas proteicas, sulfobios, según distintos autores) que progresivamente adquirieron propiedades como nutrición, excreción, reproducción y almacenamiento de información genética, permitiendo así el surgimiento de las primeras células.
La teoría quimiosintética: ¿cómo surgió la vida en la Tierra?
De acuerdo con la teoría cosmológica más aceptada, el universo se originó a partir de un estado extremadamente denso y caliente, y con el paso del tiempo se fueron formando las galaxias, estrellas y planetas. En ese contexto, la Tierra primitiva surgió a partir de una gran nube de gas de hidrógeno y otros elementos ligeros. Simultáneamente se originaron el Sol y los demás planetas del sistema solar, y el joven planeta experimentó un periodo de intensa actividad geológica y volcánica.
Al principio, la temperatura de la Tierra era extremadamente alta, pero poco a poco se fue enfriando y comenzaron a formarse los océanos primitivos a partir de la condensación del vapor de agua. En ese entonces, la atmósfera era muy diferente a la actual: predominaban el vapor de agua, el metano (CH4), el amoníaco (NH3), el dióxido de carbono (CO2) y el hidrógeno molecular (H2). Esta mezcla de gases constituía una atmósfera de carácter principalmente reductor, muy distinta de la atmósfera oxidante actual rica en oxígeno.
A diferencia de lo que sucede en nuestros días, en esa fase inicial no existía la capa de ozono que hoy protege a la superficie terrestre de gran parte de la radiación ultravioleta. Por ello, todo tipo de radiaciones llegaba directamente a la superficie de la Tierra, incluyendo rayos ultravioleta e infrarrojos. Además, la actividad volcánica intensa, los impactos de meteoritos y las frecuentes tormentas eléctricas aportaban cantidades enormes de energía. En este escenario altamente dinámico y energético, los primeros compuestos orgánicos en los océanos primitivos -como carbohidratos simples, lípidos y aminoácidos– pudieron formarse y destruirse una y otra vez hasta que, finalmente, algunas combinaciones lograron cierta estabilidad química que favoreció su acumulación y evolución.
Durante millones de años estas sustancias se fueron combinando químicamente entre sí, formando moléculas cada vez más complejas que, según Oparin, quedaron delimitadas por una suerte de membrana espontánea. A estas agrupaciones de moléculas con cierto grado de organización y separación del medio se las denominó protobiontes. La existencia de estos sistemas primitivos se habría prolongado durante largos periodos de tiempo y, con el paso de las generaciones, algunos de ellos adquirieron características propias de los seres vivos, como la capacidad de nutrirse, excretar desechos y reproducirse. Este último proceso implicó la aparición de moléculas capaces de almacenar y transmitir información genética, como los ácidos nucleicos.
Desde una perspectiva evolutiva, estos protobiontes antecedieron a las primeras células simples que aparecieron posteriormente. Se cree que los primeros seres vivos que surgieron en la Tierra eran muy semejantes a determinadas bacterias actuales: organismos unicelulares, procariotas, muy sencillos, que se alimentaban de compuestos orgánicos ya existentes en el medio (heterótrofos) y que con el tiempo fueron diversificándose y complejizándose hasta dar lugar a organismos pluricelulares.
Condiciones en la atmósfera según los postulados quimiosintéticos
La teoría quimiosintética establece que la atmósfera primitiva debía tener características que propiciaran las reacciones reductoras, ya que, de haber existido una atmósfera con tendencias oxidativas semejante a la actual, los componentes de la «sopa primogénita» se habrían degradado con rapidez. Por tal motivo, los científicos que han postulado las diversas teorías evolucionistas afirman que, en las condiciones iniciales del planeta, no pudo haber existido oxígeno libre en cantidades significativas, ya que las reacciones de oxidación no habrían fomentado el desarrollo progresivo de la vida a partir de compuestos orgánicos inestables.
Esta atmósfera reductora se explica, en parte, por el predominio de gases como el hidrógeno, el metano, el amoníaco y el vapor de agua, junto con otros compuestos como el ácido cianhídrico. En ausencia de oxígeno molecular (O2) y de una capa de ozono que filtrara la radiación, la energía solar de alta frecuencia y las descargas eléctricas podían actuar directamente sobre estos gases, rompiendo enlaces y favoreciendo la formación de nuevas moléculas. Así se generó un entorno químico en el que las reacciones de síntesis orgánica eran termodinámicamente posibles y podían sostenerse de manera continuada.
Fundamentos de la teoría quimiosintética
La etapa de la postulación de una serie de teorías que rompían con los precedentes de la teoría de la generación espontánea (ampliamente aceptada en su época) se consolidó a partir de los estudios del científico francés Louis Pasteur, quien en 1864 demostró en sus experimentos que “lo vivo procede de lo vivo”. Estos resultados desmontaron la idea de que los organismos podían surgir de forma inmediata a partir de materia inerte en las condiciones actuales, y abrieron el camino para buscar explicaciones más complejas y coherentes sobre el origen de la vida en un pasado remoto, con condiciones muy distintas.
Entre esas nuevas explicaciones se encuentra la teoría quimiosintética, la cual establece que la vida se originó a partir de la reacción y combinación de elementos químicos básicos presentes en la atmósfera y la hidrósfera primitiva. A continuación se explican en detalle los principales elementos que conforman este postulado:
Composición de la Tierra en sus inicios: esta teoría considera que, al principio, el planeta tenía una atmósfera carente de oxígeno libre, siendo sin embargo rica en otros componentes, principalmente hidrógeno (altas concentraciones), por lo que se trataba de una atmósfera reductora. Esta característica propiciaba la liberación de átomos de hidrógeno en las especies químicas presentes, favoreciendo reacciones de adición y síntesis. Adicional a esto, la atmósfera contenía otros compuestos químicos básicos como el ácido cianhídrico (HCN), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y otras sustancias. Esta mezcla constituía la base desde la cual se desarrollarían las reacciones químicas pre-bióticas que dieron lugar a los primeros compuestos orgánicos.
- Formación del caldo nutritivo: también conocido como sopa primogénita, consistió en la aglomeración de un líquido nutritivo rico en moléculas simples formado por todos estos componentes de la atmósfera primitiva disueltos en agua. Este volumen de líquido dio origen a los primeros mares. ¿Cómo sucedió esto? La teoría quimiosintética establece que, como consecuencia del enfriamiento progresivo de la atmósfera, se produjo una condensación del vapor de agua proveniente de los volcanes y de la superficie caliente del planeta. Las gotas de agua arrastraron consigo gases y partículas, formando el caldo nutritivo, el cual se acumularía en depresiones (océanos y lagos primitivos) donde permanecería por largos periodos de tiempo sin riesgo de descomposición masiva, debido a la ausencia de oxígeno y de organismos degradadores.
- Aparición de estructuras más complejas: en este proceso fue vital la acción de diversas fuentes de energía, como las tormentas eléctricas, las radiaciones solares de alta energía y las erupciones volcánicas. El resultado de estas reacciones fue la formación de componentes complejos como azúcares simples, ácidos grasos, glicerina y aminoácidos. Con el paso del tiempo, la evolución química dio origen a unas estructuras que Oparin llamó coacervados, es decir, agregados coloidales de moléculas orgánicas más resistentes y avanzadas que fueron los precursores de los ácidos nucleicos actuales y, en general, de los sistemas vivos.
Formación de coacervados
Oparin estableció que, en el proceso de evolución de las especies químicas contenidas en ese caldo primogénito, surgieron los coacervados, los cuales eran especies complejas, formadas por la unión de moléculas orgánicas como proteínas sencillas, lípidos y polisacáridos. Durante ciertos procesos de división y separación de fases, estas agrupaciones se unieron en estructuras más grandes y estables, adquiriendo así una especie de membrana que las convertía en entidades relativamente independientes del medio circundante. De este modo, se generaron sistemas con capacidad de autosíntesis de sustancias (habilidad para producir parte de su propio alimento) y con organización interna, que irían evolucionando hacia formas cada vez más estables y complicadas hasta convertirse en verdaderas estructuras vivientes. Según la teoría quimiosintética, estos organismos primordiales fueron el origen del mundo vegetal y animal de nuestro planeta.
Inicialmente, no existía una capa de ozono que protegiera a las células de la radiación directa del sol. Por eso se cree que es posible que las primeras estructuras se creasen y fueran destruidas de forma recurrente por la incidencia directa de la energía solar. Después de millones de años, algunas de esas células primordiales pudieron evolucionar hasta conformar sistemas orgánicos más complejos, lo que les habría permitido multiplicarse con mayor eficacia. Posteriormente, algunas de estas formas de vida comenzaron a sintetizar su alimento a partir de la energía solar, realizando el proceso de la fotosíntesis y liberando oxígeno molecular a la atmósfera. Con el tiempo, ese oxígeno atmosférico posibilitó la formación de la capa de ozono, que modificó de manera radical las condiciones superficiales y permitió la expansión de formas de vida más complejas.
A continuación se define de manera simplificada el proceso de formación de un coacervado:
- Todo inicia con la formación de una molécula orgánica organizada y relativamente estable en el medio acuoso.
- Conforme transcurre el tiempo, se forma una segunda molécula complementaria (una macromolécula, como un péptido o un polímero simple) y la misma pasa a formar parte del coacervado, estabilizando el agregado molecular.
- Esta macromolécula, o conjunto de ellas, puede llegar a separarse del coacervado original, manteniendo parte de su organización química.
- La macromolécula que se ha separado comienza a atraer otros compuestos compatibles y a enlazarlos a su estructura, recreando así un nuevo coacervado con propiedades similares al original. De este modo, se insinúan procesos de replicación rudimentaria y de selección química.
Esta hipótesis sobre los coacervados se considera una base fundamental de la teoría quimiosintética del origen de la vida en los primeros momentos, anteriores a la existencia de protobiontes con RNA o DNA capaces de replicarse mediante mecanismos más parecidos a los de las bacterias procariotas actuales.
Antes de proceder a determinar con mayor detalle el significado del término coacervados, se hace necesario recordar su origen etimológico. Se trata de una palabra que deriva del latín, exactamente del verbo “coacervare”, que puede traducirse como “acumular” o “amontonar”. El término alude precisamente a la acumulación o agrupación de moléculas en gotas coloidales dentro de un medio acuoso.
Los coacervados son, por tanto, sistemas formados por la unión de moléculas complejas como proteínas elementales y aminoácidos, junto con otros compuestos orgánicos. Estos sistemas se consideran modelos de seres vivos extremadamente primitivos, ya que, de acuerdo con muchos biólogos y bioquímicos, resultaron claves en el desarrollo de la vida en el planeta Tierra, aunque no llegaran a ser células completas tal como las conocemos hoy.
Otros modelos precelulares: sulfobios y microesférulas proteicas
A lo largo del tiempo, diversos investigadores han propuesto modelos alternativos o complementarios a los coacervados para explicar las primeras fases del origen de la vida. Aunque estos modelos no necesariamente representan las estructuras reales que existieron en la Tierra primitiva, sí muestran cómo a partir de sustancias sencillas es posible generar sistemas con cierto nivel de organización.
Alfonso Herrera, científico mexicano muy interesado en el problema del origen de la vida, describió unos modelos precelulares a los que llamó “sulfobios”. Estos se obtenían a partir de compuestos inorgánicos como el tiocianato de amonio y la formalina, sin recurrir a sustancias biológicas preexistentes. Aunque es poco probable que los sulfobios representen fielmente estructuras que antecedieron a las primeras células reales, constituyen un ejemplo ilustrativo de cómo la materia puede alcanzar niveles de organización superiores a partir de grados más sencillos. Herrera fue el primer investigador que utilizó exclusivamente sustancias no biológicas para diseñar modelos experimentales relacionados con el origen de la vida.
Sidney Fox propuso otro modelo de sistemas precelulares conocidos como “microesférulas proteicas”. Estas microesférulas se generan mediante una serie de reacciones químicas en las que los aminoácidos se polimerizan por acción del calor, originando cadenas peptídicas simples. Posteriormente, al disolverse en agua bajo condiciones adecuadas de pH y de concentraciones salinas, estos polímeros tienden a agregarse en estructuras esféricas rodeadas por una especie de membrana o cubierta. Aunque las microesférulas muestran cierta similitud morfológica con las células (presentan forma esférica, delimitaron interno y externo e incluso gradientes químicos), no se consideran sistemas vivos completos. No obstante, su formación ofrece una idea valiosa de cómo pudieron originarse los primeros sistemas organizados previos a las células.
Aportes experimentales sobre la “sopa primitiva”
Además de los coacervados, sulfobios y microesférulas, se han desarrollado numerosos experimentos para poner a prueba la plausibilidad de la teoría quimiosintética. Estas investigaciones han buscado reproducir, de manera aproximada, las condiciones de la atmósfera e hidrósfera primitivas y observar qué tipo de moléculas orgánicas pueden formarse de manera espontánea.
Cyril Ponnamperuma realizó experimentos que simulaban la hidrósfera y la atmósfera primitivas, basados en los principios generales del experimento clásico de Miller y Urey. Este científico colocó un matraz en el que el agua se vaporizaba y acumulaba todos los productos de la reacción de una atmósfera reductora que, en contacto directo con ella, formaba lo que denominó una “sopa primitiva”. En una de sus experiencias, expuso una solución de cianuro de hidrógeno (HCN) a la acción de los rayos ultravioleta durante varios días y encontró que se habían formado las bases nitrogenadas adenina y guanina, componentes esenciales de los ácidos nucleicos presentes en los sistemas vivos. Este resultado reforzó la idea de que, en condiciones plausibles de la Tierra primitiva, era posible sintetizar componentes clave del material genético sin necesidad de intervención biológica previa.
Experimento de Stanley Miller y Harold Urey
Si bien los postulados de la teoría quimiosintética fueron sentados inicialmente por Oparin y Haldane, tiempo después dos científicos –Stanley Miller y Harold Urey– recrearon en un experimento de laboratorio a escala las condiciones de la atmósfera primitiva según los modelos de su época. Para ello, sometieron una mezcla de hidrógeno, metano y amoníaco a múltiples descargas eléctricas, con el objetivo de simular las tormentas eléctricas que se cree eran frecuentes en la Tierra temprana. El resultado fue la síntesis de varios ácidos orgánicos, entre ellos aminoácidos.
El propósito fundamental de esta prueba fue la demostración de que la síntesis de compuestos orgánicos podía ser un proceso espontáneo que ocurre a partir de moléculas sencillas presentes en la primera atmósfera, siempre que existan fuentes de energía adecuadas. Este experimento constituyó uno de los apoyos empíricos más influyentes en favor de la teoría quimiosintética.
Para el diseño de su experimento, Miller y Urey utilizaron un recipiente de cristal en circuito cerrado, en el que colocaron cierta cantidad de agua de manera que quedara parcialmente llena y conectada a otra cámara con la mezcla de gases mencionados. El agua se calentaba hasta hervir, produciendo vapor que circulaba hacia la cámara de gases, mientras que un sistema de electrodos generaba descargas eléctricas de alto voltaje que atravesaban la mezcla, simulando las tormentas prehistóricas. Posteriormente, el vapor y los gases se condensaban de nuevo y regresaban al matraz con agua, cerrando así el ciclo. El experimento tuvo una duración aproximada de una semana, transcurso tras el cual se analizaron los productos formados.
El primer indicador de que habían ocurrido reacciones químicas fue el cambio de color del agua, que al inicio era transparente y, con el tiempo, adquirió un tono rosa para finalmente volverse marrón. Este cambio se interpretó como consecuencia de la creciente concentración de aminoácidos y otras moléculas orgánicas sintetizadas en el sistema. Mediante técnicas de análisis químico se identificaron varios aminoácidos, entre ellos glicina y alanina, además de otros compuestos orgánicos esenciales.
Este experimento fue una contribución decisiva que sustenta la teoría de que las primeras formas de vida pudieron haberse formado a partir de reacciones químicas espontáneas en la atmósfera y océanos primitivos, sin necesidad de una intervención sobrenatural directa, sino como resultado de las leyes de la química y la física en un entorno adecuado.
Limitaciones para la comprobación
Los experimentos realizados para comprobar la teoría quimiosintética han logrado demostrar que es plausible que el origen de la vida haya sido tal y como lo expusieron Oparin y Haldane, reforzado por los trabajos de investigadores como Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox y otros. Sin embargo, no puede obviarse el hecho de que todo este proceso sucedió a lo largo de periodos de tiempo inmensos, que abarcaron la transformación gradual de la química del planeta.
Debido a este amplio periodo de tiempo, que abarcó el proceso entero del surgimiento de la vida en la Tierra, resulta imposible reproducirlo en su totalidad y con fidelidad dentro de los laboratorios. Los científicos solo pueden recrear fragmentos del escenario primitivo bajo ciertas suposiciones, y estudiar reacciones específicas que aportan pistas sobre lo que pudo haber ocurrido, pero no reconstruir de manera exacta la historia completa.
El obstáculo del tiempo, sumado a la pérdida casi total de evidencia directa de las primeras etapas de la vida (no se conservan rocas ni fósiles tan antiguos en buen estado), coloca a los investigadores frente a un escenario complejo. Tal vez nunca sea posible saber con absoluta precisión cómo se formaron los primeros organismos que habitaron el planeta ni cuál fue la secuencia exacta de acontecimientos químicos y biológicos.
A pesar de este inconveniente, la teoría quimiosintética ha permitido dibujar una imagen coherente y científicamente fundamentada de lo que pudo haber sido el génesis de la vida en la Tierra. Integrando datos de la geología, la química, la biología molecular y la astrobiología, se ha construido un marco explicativo en el que las moléculas simples dieron paso, de forma gradual y favorecida por el entorno, a sistemas complejos capaces de autorreplicarse, metabolizar y evolucionar. Esta visión, en constante revisión y enriquecimiento, sigue siendo una de las propuestas más sólidas para entender cómo la materia inerte pudo transformarse en vida en nuestro planeta.
Bibliografía:
- Wetto. Milena (n.d.). Teoría Quimiosintética: El Surgimiento de la Vida en la Tierra:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Copyright. (2008-2019) DEFINICIÓN DE COACERVADOS:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (N.d) ¿Qué es la Teoría quimiosintética? Fundamentos y experimento.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (n.d.). Teoría Quimiosintética.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Con todos estos aportes teóricos y experimentales, la teoría quimiosintética se consolida como una de las explicaciones científicas más completas y detalladas sobre el origen de la vida, integrando la química de la Tierra primitiva, la energía disponible en ese entorno y la capacidad inherente de la materia para organizarse y evolucionar hacia formas cada vez más complejas.