Abiogènesi

L'abiogènesi (del grec a, 'no', bios, 'vida' i genesis, 'origen') o biopoesi és la formació de vida a partir de matèria no viva.

L'abiogènesi és una hipòtesi sobre la formació de la vida, i no hauria de ser confosa amb l'evolució, que estudia la manera en què els organismes canvien al llarg del temps.

El terme abiogènesi va ser usat originalment per a referir-se a l'antiquada teoria de la generació espontània, que sostenia que la vida vegetal i animal (vida complexa) sorgia espontàniament de la matèria orgànica no vivent; en oposició a l'origen de la generació per altres organismes vius (biogènesi).

Posteriorment el terme seria utilitzat per a referir-se també al grup d'actuals «teories de l'origen de la vida» que indiquen que la vida va sorgir en processos graduals a partir de molècules orgàniques i inorgàniques.

Els aminoàcids, són sovint anomenats els «blocs de construcció de la vida», i es poden formar a través de reaccions químiques naturals no relacionades amb la vida, com ho demostra l'experiment de Miller-Urey, que va simular les condicions de la Terra primitiva.

Els aminoàcids formen les proteïnes de les quals estan compostos tots els éssers vius, i la informació per formar aquestes proteïnes està codificada dins l'ADN, mitjançant un codi genètic universal, comú a tots els éssers vius. L'abiogènesi tracta, doncs, la manera en què aquestes primeres molècules orgàniques varen sorgir a partir de matèria inorgànica preexistent.

Història

El concepte d'un origen de la vida basat en principis naturals i no en relats mítics o actes creatius ja apareix esbossat en diverses cultures antigues. Així, els filòsofs presocràtics van afirmar que tots els éssers, inclosos els vius, sorgien de l'arkhé. Anaximandre (aprox. 610-546 aC) afirmava que la vida s'havia desenvolupat originalment al mar i que posteriorment aquesta es va traslladar a la terra, mentre Empèdocles (aprox. 490-430 aC) va escriure sobre un origen no sobrenatural dels éssers vius. Posteriorment Lucreci, seguint la doctrina epicureista afirma a De rerum natura, que tots els organismes sorgeixen de Gea sense necessitat d'intervenció divina, i que només els organismes més aptes han sobreviscut per tenir descendència. Encara que aquesta afirmació pugui semblar una anticipació de la teoria de la selecció natural, a diferència d'aquesta els epicuris no admeten un origen comú per a totes les espècies, sinó més aviat generacions espontànies per a cadascuna. Aquestes idees van influir a diversos filòsofs a partir del renaixement.

Condicions inicials

El coneixement de les condicions inicials és d'extrema importància per a l'estudi de l'origen de la vida. Per a això s'empra la teoria geoquímica en l'estudi de les roques antigues i s'efectuen simulacions de laboratori per mitjà d'ordinadors (experiments que s'anomenen in silico). Un dels punts centrals és determinar la disponibilitat d'elements i molècules essencials, especialment metalls, ja que són indispensables com a cofactors en la bioquímica, així com el seu estat redox en les diferents localitzaciones. Així mateix, és essencial datar les primeres manifestacions de la vida per aproximar el lapse de temps en què estem buscant. Segons les evidències, encara que estan subjectes a controvèrsia, la vida va haver d'aparèixer després del refredament del planeta que va seguir al bombardeig intens tardà, fa uns 4.000 milions d'anys. Encara que tots els éssers vius semblen provenir d'un únic organisme ancestral, en aquest apartat cal preguntar-se si hi va haver diverses aparicions «fortuïtes» de formes de vida després de les que només va sobreviure una, o si bé aquestes formes de vida encara sobreviuen potser en ambients extrems com en les profunditats de l'escorça continental o en el mantell.

Models de l'origen de la vida

Hi ha moltes teories, postulades per diferents científics, dintre de la teoria general de la Síntesi Abiòtica o de l'Abiogènesi. Aquestes són les principals teories relacionades amb aquest fet:

Hipòtesi d'Eigen

A principis de la dècada de 1970 es va organitzar una gran ofensiva al problema de l'origen de la vida per un equip de científics reunits al voltant de Manfred Eigen, de l'institut Max Planck. Van intentar examinar els estats transitoris entre el caos molecular d'una sopa prebiòtica i els estats transitoris d'un hipercicle de replicació i entre el caos molecular en una sopa prebiòtica i sistemes macromoleculars autorreproductores simples.

En un hipercicle, el sistema d'emmagatzematge d'informació (possiblement ARN) produeix un enzim, que catalitza la formació d'un altre sistema d'informació en seqüència fins que el producte de l'últim ajuda a la formació del primer sistema d'informació. Amb un tractament matemàtic, els hipercicles poden crear quasiespècies, que a través de selecció natural van entrar en una forma d'evolució darwiniana. Un impuls a la teoria de l'hipercicle va ser el descobriment que l'ARN, en certes circumstàncies, es transforma en ribozims (una forma d'enzim d'ARN) capaços de catalitzar les seves pròpies reaccions químiques.

Hipòtesi de Wächstershäuser

Una altra possible resposta a aquest misteri de la polimerització va ser proposada per Günter Wächtershäuser el 1980, en la seva teoria del ferro–sulfur. En aquesta teoria, va postular l'evolució de les rutes (bio) químiques com el fonament de l'evolució de la vida. Fins i tot va presentar un sistema consistent per rastrejar les petjades de l'actual bioquímica des de les reaccions ancestrals que proporcionaven rutes alternatives per a la síntesi de «maons orgànics» a partir de components gasosos simples.

Al contrari que els experiments clàssics de Miller, que depenien de fonts externes d'energia (com llampecs simulats o radiació ultraviolada), els sistemes de Wächstershäuser venen amb una font d'energia incorporada, els sulfurs de ferro i altres minerals com la pirita. L'energia alliberada a partir de les reaccions redox d'aquests sulfurs metàl·lics, no només estava disponible per a la síntesi de molècules orgàniques, sinó també per a la formació d'oligòmers i polímers. Es llança per això la hipòtesi que aquests sistemes podrien ser capaços d'evolucionar fins a formar conjunts autocatalítics d'entitats autoreplicants metabòlicament actives que serien els precursors de les actuals formes de vida.

Teoria de la platja radioactiva

Zachary Adam, de la Universitat de Washington a Seattle, afirma que processos mareals més grans que els actuals, produïts per una lluna situada a una distància molt menor podrien haver concentrat partícules radioactives d'urani i altres elements radioactius en la marea alta a les platges primordials on van haver d'haver estat els responsables de generar els components elementals de la vida. D'acord amb els models de computació publicats en Astrobiology, un dipòsit d'aquests materials radioactius podria haver mostrat la mateixa reacció nuclear autosostinguda que es troba en el jaciment d'urani d'Oklo, a Gabon. Aquesta sorra radioactiva proporciona suficient energia per generar molècules orgàniques, com aminoàcids i sucres a partir d'acetonitril procedent de l'aigua. La monazita radioactiva també allibera fosfats solubles a les regions que es troben entre els grans de sorra, fent-los biològicament accessibles. Així doncs, els aminoàcids, sucres i fosfats solubles poden ser produïts simultàniament, d'acord amb Adam. Els actínids radioactius, que llavors es trobaven en majors concentracions, van poder haver format part de complexos organometàl·lics. Aquests complexos van poder haver estat importants com a primers catalitzadors en els processos de la vida.

Homoquiralitat

Alguns processos de l'evolució química haurien d'explicar l'origen de la homoquiralitat, és a dir, el fet que tots els components elementals dels éssers vius tenen la mateixa quiralitat, sent els aminoàcids levogirs, els sucres ribosa i desoxiribosa dels àcids nucleics són dextrogirs, així com els fosfoglicèrids quirals. Es poden sintetitzar molècules quirals, però en absència d'una font de quiralitat o d'un catalitzador quiral es formen en una barreja 50/50 de tots dos enantiòmers, la qual la qual s'anomena mescla racèmica. Clark va suggerir que l'homoquiralitat va poder començar en l'espai, ja que els estudis sobre els aminoàcids del meteorit Murchison van mostrar que la l-alanina era dues vegades més freqüent que la forma dextrogira (d), i l'àcid l-glutàmic era tres vegades més prevalent que la seva contrapartida dextrogira. S'ha suggerit que la llum polaritzada va tenir el poder de destruir un dels enantiòmers dins del disc protoplanetari. Noyes ha demostrat que la desintegració beta provocava la destrucció de la d-leucina en una barreja racèmica i que la presència de carboni 14, present en grans quantitats en les substàncies orgàniques de l'ambient primitiu de la terra, podria haver estat la causa. Robert M. Hazen ha publicat informes d'experiments realitzats en diferents superfícies cristal·lines quirals que actuaven com a possibles llocs de concentració i acoblament de monòmers quirals en macromolècules. Un cop estabilitzat el sistema, la quiralitat podria haver estat seleccionada favorablement per l'evolució. Els treballs amb compostos orgànics trobats en meteorits tendeixen a suggerir que la quiralitat és una característica de la síntesi abiogènica, ja que els aminoàcids actuals són levogirs, mentre que els sucres són predominantment dextrogirs.

Un treball dut a terme en 2003 per científics de Purdue van identificar l'aminoàcid serina com la probable arrel causal de l'homoquiralitat de les molècules orgàniques. La serina forma enllaços particularment forts amb els aminoàcids de la mateixa quiralitat, la qual cosa resulta en un grup de 08:00 molècules que han de ser totes o bé dextrogires o levogires. Aquesta propietat contrasta amb altres aminoàcids que són capaços de formar enllaços febles amb els aminoàcids de la quiralitat oposada. Encara que el misteri de per què la serina levogira va acabar sent la dominant encara roman sense resoldre, aquests resultats suggereixen una resposta a la qüestió de la transmissió quiral : com les molècules orgàniques d'una quiralitat mantenen la dominància una vegada que l'asimetria ha estat establerta.

Autoorganització i replicació

Si es considera, com sovint passa, que l'autoorganització i autoreplicació són els processos principals que caracteritzen els sistemes vius, cal dir que hi ha molts tipus de molècules abiòtiques que tenen aquestes característiques en les condicions adequades. Per exemple, Martin i Russel van mostrar que la formació d'un compartiment diferent de l'ambient per membranes cel·lulars i l'autoorganització de reaccions redox autocontingudes són els atributs més conservats entre els éssers vius, i això els porta a argumentar que la matèria inorgànica amb aquests atributs podrien estar entre els atributs més probables de l'avantpassat comú de tots els éssers vius.