En 1952, los químicos Stanley Miller y Harold Urey reprodujeron las condiciones que había en la Tierra hace unos 4.000 millones de años. Para ello, mezclaron agua, amoníaco, metano e hidrógeno en un matraz sellado, lo calentaron y le aplicaron chispas para simular un rayo. El experimento saltó a la fama porque, en pocos días, el matraz comenzó a llenarse con moléculas orgánicas complejas, como los aminoácidos, que son los componentes básicos de la vida.

La conclusión estaba clara. Si los componentes básicos de la vida son sencillos de producir, entonces quizás la vida misma tampoco sea tan difícil de crear. Esta idea planteó la hipótesis de que la vida es capaz de surgir en el universo, allí donde las condiciones lo permitan.

Desde entonces, los astrónomos han encontrado indicios de las mismas moléculas en otros planetas, en asteroides e incluso en el espacio interestelar. Y eso plantea algunas preguntas interesantes. ¿Cómo se formaron las moléculas en el universo, y cuándo surgieron las más complejas? ¿Y qué sugiere esto sobre el origen de la vida?

Hoy sabemos la respuesta gracias al trabajo del científico del Instituto de Biología de Sistemas en Seattle (EE. UU.) Stuart Kauffman y a su equipo de la Universidad de Eotvos (Budapest). Los investigadores simularon el mecanismo que debió dar lugar a las moléculas en el universo primitivo, y demuestran que este proceso reproduce la mezcla química que ahora los astrónomos observan en el espacio. El trabajo tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión del origen de la vida y de cómo podríamos recrearlo en el laboratorio con biología sintética.

Primero, un poco de contexto. Parece que la vida en la Tierra comenzó hace unos 4.000 millones de años bajo unas condiciones muy diferentes a las que existen en la actualidad. Estas fueron las que Miller y Urey reprodujeron en su famoso experimento.

Pero, ¿cómo llegó la Tierra a tener esta mezcla en primer lugar? Los astrónomos han observado pruebas en el espacio de moléculas simples, como agua y amoníaco, pero también de moléculas más complejas como hidrocarburos aromáticos policíclicos y aminoácidos. Entonces, ¿cómo surgió esta mezcla?

La respuesta general es que el Big Bang produjo grandes cantidades de hidrógeno y helio que se fusionaron dentro de las primeras estrellas para crear elementos más pesados ​​como el carbono, el oxígeno y el nitrógeno. Y una formación estelar avanzada forjó el conjunto de elementos más pesados ​​que actualmente vemos en la Tierra.

Pero seguimos sin entender del todo cómo todos estos elementos se combinaron para formar moléculas. Una razón es que la cantidad de moléculas posibles es enorme. "El número de moléculas diferentes aumenta de una forma súper exponencial con el tamaño del conjunto [de átomos]", explican Kauffman y su equipo.

Para simplificar el problema se puede limitar la observación a la masa de las moléculas posibles. Este es un conjunto más pequeño, y es más fácil de considerar, porque muchas moléculas diferentes pueden tener la misma masa.

La distribución de moléculas en la Tierra es un buen punto de partida, ya que representa el entorno más diverso químicamente conocido por la ciencia.

Así que Kauffman y su equipo analizaron la distribución de masas moleculares de la Tierra, tomadas de la base de datos PubChem. Este repositorio contiene más de 90 millones de moléculas, la gran mayoría de las cuales son naturales. Esta distribución alcanza el máximo alrededor de los 290 daltons (equivalente en masa a aproximadamente 24 átomos de carbono). Sin embargo, muchas moléculas diferentes tienen esta misma masa, y la distribución también tiene una larga cola de moléculas de gran masa medidas en miles de daltons.

Los investigadores compararon esta distribución con la del meteorito Murchison, una roca espacial grande bien estudiada, que cayó en la ciudad de Murchison (Australia) en 1969.

Varios análisis muestran que esta roca contiene al menos 58.000 moléculas diferentes. Pero por razones experimentales, las masas por debajo de los 200 daltons y por encima de los 2.000 daltons no se pueden medir, por lo que el equipo tuvo que corregir esta omisión.

La distribución de la masa en estas moléculas sigue un patrón similar al de la base de datos PubChem. La distribución de Murchison alcanza el máximo en 240 daltons y tiene una larga cola. Esta información es útil porque la edad del meteorito de Murchison es similar al nacimiento de nuestro sistema solar, unos 5.000 millones de años. Esto la convierte en una instantánea que refleja la evolución química de la época previa.

La idea clave en este trabajo es que, al comparar las dos distribuciones, es posible determinar cuándo se debieron formar las moléculas complejas.

Una parte importante del rompecabezas es cómo surgió este patrón de distribución. Para descubrirlo, el equipo de Kauffman estudió el espacio de todas las sustancias químicas posibles para demostrar que las moléculas pueden crecer de dos formas diferentes.

En la primera, las moléculas más grandes se forman a partir de las reacciones de moléculas más pequeñas por acumulación aleatoria. "En este proceso, casi todas las pequeñas moléculas y composiciones posibles se crean después de un cierto tiempo", señalan los investigadores.

Sin embargo, la acumulación aleatoria no puede explicar la distribución de moléculas muy grandes. Así que Kauffman y su equipo afirman que deben formarse mediante un proceso diferente, llamado conexión preferencial. "Las cadenas peptídicas y los hidrocarburos aromáticos policíclicos no se construyen a través de la acumulación aleatoria de átomos, sino por la acumulación de bloques más grandes como aminoácidos y anillos aromáticos", explican los investigadores.

La clave es que cada proceso da lugar a una distribución diferente. La acumulación aleatoria causa el pico a 240 daltons a partir de pequeñas moléculas que se forman con relativa rapidez. La unión preferencial crea la cola larga de moléculas más grandes que se forman mucho más tarde.

Al comparar los tamaños relativos de estas dos distribuciones en el meteorito Murchison y en la Tierra, debería ser posible extrapolar hacia atrás para identificar en qué momento apareció el proceso de unión preferencial por primera vez. En otras palabras, cuándo se formaron los primeros aminoácidos del universo.

Eso es exactamente lo que Kauffman y su equipo han hecho. La respuesta es que los aminoácidos aparecieron por primera vez unos 168 millones de años después del Big Bang, un simple abrir y cerrar de ojos en términos cosmológicos.

Todo esto coloca al experimento Miller-Urey en una perspectiva muy diferente. En lugar de simular las condiciones en que surgió la vida en la Tierra, este experimento realmente reproduce las condiciones que dieron lugar a los aminoácidos en el universo temprano. De hecho, parece que ocurrió mucho antes de lo que nadie imaginaba.

Eso tiene implicaciones importantes sobre los orígenes de la vida. "Los resultados sugieren que los principales ingredientes de la vida, como los aminoácidos, nucleótidos y otras moléculas clave, nacieron muy pronto, alrededor de 8.000 a 9.000 millones de años antes de la vida", afirman Kauffman y su equipo.

Dado que las condiciones precisas en que evolucionó la vida en la Tierra tardaron otros 8.000 a 9.000 millones de años en aparecer, los aminoácidos no pueden ser un indicio del potencial de vida en absoluto, como se creía después del experimento de Urey-Miller. "Su existencia en las muestras no es de ninguna forma un precursor inmediato de la vida", indican los investigadores.

Esto también explica por qué los intentos de extender experimentos como el de Urey y Miller durante meses y años nunca han dado lugar a nada interesante. Incluso las simulaciones por ordenador del origen de la vida nunca han arrojado una prueba clara de cómo se puede pasar de los aminoácidos a las redes químicas autocatalíticas y, después, a las moléculas autorreproducidas de la vida.

Eso frena un poco la idea de que el universo podría estar lleno de vida. En su lugar, los biólogos que estudian el origen de la vida necesitarán observar mucho más de cerca las condiciones especiales en las que ocurre la evolución biológica o, como afirman Kauffman y su equipo, "posquímica". "Los secretos de la vida están codificados en las interacciones y la evolución posquímica de estas familias de moléculas", concluyen. Está claro que todavía hay mucho trabajo por hacer.

Ref: http://arxiv.org/abs/1806.06716: The Clock of Chemical Evolution