Síntesi d’aminoàcids als impactes dels cometes i altres coses de l’origen de la vida

Click here for the english version:  Synthesis of amino acids by impacts of comets, and other things related with life’s origin

Fa uns dies vaig veure el titular següent al “Recercat” (el Butlletí electrònic de la recerca a Catalunya): “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”.    Vaja titular !!!   Em va sorprendre molt, lògicament, i com que aquest tema de l’origen de la vida sempre m’ha apassionat, vaig anar ràpidament a llegir-ho amb calma, i buscar l’article original.

Doncs un cop vist en detall, està clar que el titular és molt, però molt exagerat, com era de suposar a primera vista. Abans de comentar el perquè és exagerat, vull esmentar un altre detall d’aquest titular que crec que no calia:  perquè dir lo de científics ? qui pot estar treballant en l’estudi de la formació de les molècules bàsiques de la vida a banda de científics ?  Els polítics potser ?  o els economistes o els bisbes potser ?  Es evident que han de ser científics, i per tant no calia dir-ho. El titular seria suficient dient “S’ha descobert com es formen ….”. O si de cas, es podria dir d’on són els científics: “Científics anglesos, o americans, o japonesos, o d’on siguin, … descobreixen …”

Bé, anant al descobriment en concret, i tal com el mateix Recercat resumeix, uns investigadors britànics i nordamericans (Martins et al. 2013) han publicat  a Nature Geoscience el seu treball de laboratori, on han simulat l’impacte de cometes sobre la superfície d’un planeta, tot disparant un projectil amb una pistola d’aire comprimit a velocitats de 7 km/s (25000 km/h). Han vist que a causa de l’impacte i amb la calor generada, se sintetitzen aminoàcids a partir d’aigua, CO2 i amoni. Això és el que en diuen “síntesi de xoc”. Entre els aminoàcids detectats, han trobat glicina, D-alanina, L-alanina, aminoisobutíric, isovalina, norvalina i altres compostos precursors d’aminoàcids, tant els isòmers D com els L. Les quantitats detectades foren entre nanograms i algun microgram.

Aquest procès de síntesi mostra que, amb un mecanisme senzill, com és l’impacte dels cometes sobre la superfície rocosa d’un planeta, es pot passar de molècules inorgàniques bàsiques a molècules orgàniques més complexes, com són els aminoàcids, que són els monòmers de les proteïnes, constituents bàsics de tots els sers vius. I per tant, aquesta síntesi de xoc podria haver estat un pas en l’aparició de la vida terrestre.

Ara bé, que potser aquest treball és el primer en demostrar la possible formació de molècules bàsiques de la vida ? Doncs rotundament NO !!  Aquest treball té el seu valor però no es mereix aquest titular tan exagerat.

Per això, anem a repassar breument el que ja se sap, ja que fa més de 50 anys que molt diversos investigadors han treballat en aquest tema i han anat descobrint aspectes que reforcen les hipòtesis científiques de l’abiogènesi. Aquesta, també coneguda com biopoiesi, és el procés natural pel qual els sers vius es van originar a la Terra a partir de molècules senzilles fa uns 3.700 milions d’anys.

Biopoiesi, el procés d’aparició dels sers vius a la Terra

Aquest procès de biopoiesi implicà sens dubte diferents etapes:

1) La formació o aparició de les molècules orgàniques bàsiques dels sers vius, que són els monòmers com els aminoàcids, monosacàrids, àcids grassos i bases nitrogenades.

2) A partir dels monòmers anteriors, la formació de macromolècules biogèniques, o sigui polisacàrids, polipèptids, lipoides etc, per polimerització, segurament sobre suports inorgànics, com argiles o minerals de ferro.

3) I la formació dels primers protobionts, precursors de totes les cèl.lules, a partir de les macromolècules. Aquesta etapa clau, la més difícil de demostrar, probablement va anar lligada a l’adquisició en paral.lel de les 3 propietats bàsiques dels sers vius: una estructura embolcall (membrana) de consistència lipídica, unes reaccions transformadores de nutrients i energia (metabolisme rudimentari) i una capacitat de transferir les característiques a la descendència (mecanisme hereditari) amb alguna molècula portadora d’informació, probablement el RNA.

Deixem de moment les etapes 2 i 3, per reflexionar-hi potser més endavant en un altre post, i centrem-nos en l’etapa 1, relacionada amb l’article que comentava. Aquesta formació o aparició de compostos orgànics a la Terra primitiva pot haver estat per tres mecanismes: a) producció in situ; b) aportacions de l’exterior: i c) síntesi a causa d’impactes.

Aquestes tres categories de mecanismes ja eren plantejades com l’inventari possible dels orígens de la vida el 1992 en un article de Nature d’en Christopher Chyba i en Carl Sagan, el conegut pioner de l’exobiologia i divulgador científic, molt popular per l’extraordinària sèrie de TV Cosmos, autor de la frase “Som pols d’estrelles”, i que casualment fou el primer marit de Lynn Margulis, la que va difondre la teoria endosimbiòtica de l’origen bacterià de mitocondris i cloroplasts.

Síntesi endògena de compostos orgànics a la Terra primitiva

Doncs com deia, ja fa força anys que s’han anat demostrant les possibilitats de la formació de molècules orgàniques in situ, o sigui síntesi endògena sense aportacions externes, a la Terra primitiva. La hipòtesi de Oparin de què les condicions anaeròbiques reductores de l’atmosfera primitiva, junt amb l’energia solar, haurien afavorit la síntesi de molècules orgàniques formant la “sopa prebiòtica”, fou demostrada com a possible pels coneguts experiments de Miller i Urey:

El 1952 l’estudiant de doctorat Stanley Miller amb el seu professor Harold Urey introduiren una barreja d’aigua, hidrogen, metà i amoni en un recipient cíclic, on s’hi aplicaven espurnes elèctriques. Una setmana després, en analitzar els components, trobaren que un 15% del carboni procedent del metà ara era en forma de compostos orgànics diversos, inclosos 5 aminoàcids, tant D- com L-.

1 aqa_chem_miller-urey

Esquema dels experiments de Miller i Urey. Tret de GCSE-Bitesize (BBC).

Recentment (Parker et al 2011) s’han tornat a analitzar els vials dels extractes originals dels experiments de Miller i Urey amb les tècniques analítiques i equipaments actuals i s’han descobert molts més compostos que els detectats originalment els anys 1950, en concret s’han trobat 23 aminoàcids.

La síntesi d’aquestes molècules orgàniques a la Terra primitiva probablement fou facilitada per fonts d’energia d’activitat atmosfèrica com les descàrregues elèctriques que s’utilitzaven als experiments de Miller i Urey, però també n’hi hagué d’altres possibles, com la mateixa radiació solar, amb més radiació UV que l’actual (no hi havia capa d’ozò, formada posteriorment a partir de l’oxigen), més activitat volcànica i més radioactivitat en una Terra més jove, i més impactes de meteòrits o cometes, cosa que lliga amb el treball comentat de Martins et al. (2013).

Una altra aportació important en la recerca de la síntesi orgànica prebiòtica fou la demostració feta pel lleidatà Joan Oró treballant a la NASA (Oró 1961) de què l’adenina pot ser sintetitzada calentant solucions de cianur amònic. De manera similar, recentment s’ha demostrat la síntesi de pirimidines (citosina i uracil), adenina i triazines (unes altres bases nitrogenades) a partir d’urea mitjançant cicles de congelació-descongelació i amb descàrregues elèctriques (Menor-Salván et al. 2007).

2 adenina Oró

Tal com va demostrar en Joan Oró, amb 5 molècules de cianhídric es pot sintetitzar adenina, molècula clau per a la vida, ja que forma part dels àcids nucleics i del ATP.

Aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres

Ara bé, a més de la síntesi de compostos orgànics in situ a la Terra primitiva, aquests també podrien haver vingut de fora. L’aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres, cometes o meteòrits o altres, cada cop es fa més evident científicament. Els estudis més recents suggereixen que l’anomenat bombardeig massiu que va tenir lloc fa 3,5 milers de milions d’anys va aportar una quantitat de compostos orgànics comparable a la produïda in situ.

3 Lluvia-de-meteoritos

Simulació de pluja de meteòrits. Tret de AZ-Revista de Educación y Cultura

S’ha demostrat que els compostos orgànics són relativament comuns a l’espai extraterrestre, sobretot al sistema solar extern on els compostos volàtils no són evsporats pel calor solar. Molts cometes tenen una capa externa d’un material amb apariència de quitrà, que conté compostos orgànics formats per reaccions provocades per les radiacions, sobretot la UV. A banda que feia temps que se n’havien detectat per espectrografia de telescopi, fa pocs anys es va identificar per primer cop in situ l’aminoàcid glicina al cometa Wild-2 en mostres preses per la sonda Stardust de la NASA (Dolmetsch 2006).

El meteòrit Murchison, d’uns 100 kg, va caure a Austràlia el 1969 i es va disgregar en diversos fragments que han estat ben estudiats. Aquest meteòrit és del tipus condrites carbonàcies, que són rics en carboni, i efectivament, conté aminoàcids, tant comuns (glicina, alanina i glutàmic) com dels més inusuals (isovalina, pseudoleucina), amb concentracions de fins a 60 ppm (Kvenvolden et al. 1970). També conté hidrocarburs alifàtics i aromàtics, alcohols i altres compostos orgànics com fullerens i àcids carboxílics.

4 Murchison_crop

Un fragment del meteòrit Murchison, caigut a Austràlia el 1969, del tipus condrites carbonàcies, que conté aminoàcids i altres compostos orgànics. Imatge de wikipedia.

Recentment s’ha vist que la proporció d’isòtops 12C/13C de l’uracil i altres compostos orgànics del Murchison indica un origen no terrestre (Martins et al. 2008). De fet, a més del Murchison, les anàlisis fetes amb força més meteòrits demostren que els compostos orgànics es poden formar a l’espai exterior.

Els estudis de models fets amb ordinador suggereixen que els compostos orgànics prebiogènics es poden haver format al disc protoplanetari de pols que envoltava el Sol abans de la formació de la Terra, i que el mateix procés pot succeir al voltant d’altres estrelles (Moskowitz 2012).

És més, en estudis dels espectres d’emissions d’infraroig (Kwok & Zhang 2011) de la pols còsmica s’ha arribat a la conclusió que a les estrelles tipus supernova es produeixen molècules orgàniques complexes, i que aquestes són expulsades a l’espai interestel.lar per efecte de l’explosió de l’estrella. Sorprenentment, aquesta pols orgànica és similar als compostos trobats als meteòrits. Com que els meteòrits són els romanents del sistema solar primitiu, es pot suggerir que compostos orgànics que ara trobem als meteòrits s’haguessin format en estrelles llunyanes.

5 espectre 111026143721-large

Espectre d’infrarroig de compostos orgànics, superposat a una imatge de la nebulosa Orion on s’han trobat aquests compostos orgànics complexos (amb les fórmules). Imatge treta de NASA (C.R. O’Dell and S.K. Wong, Rice University).

Els darrers anys, s’ha fet un gran avanç en la detecció de molècules orgàniques a l’espai galàctic gràcies als radio-telescopis com el Green Bank (de 100 m de diàmetre) a West Virginia, USA, o el ALMA (Atacama Large Millimeter Array, a 5000 m d’alçada al desert d’Atacama, nord de Xile) que són 66 antenes de 12 m diàmetre conectades entre sí amb fibra òptica. Aquests radio-telescopis o interferòmetres astronòmics capten longituds d’ona al voltant del mm.

Amb aquests telescopis, com comentava en Pere Brunet fa un mes al seu post “Som pols d’estrelles?” (del blog Fractal de Ara-Ciència), s’han detectat al voltant d’altres estrelles compostos com propenal, ciclo-propenona, acetamida, i glicol-aldehid (CHO-CH2OH). Aquest darrer és força significatiu, ja que és el sucre més senzill possible i és necessari per a la formació de RNA, i l’han detectat amb l’ALMA al voltant d’una estrella jove binària tipus solar (IRAS 16293-2422), a 400 anys-llum de la Terra, relativament a prop, dins la Via Làctia (Jørgensen et al. 2012).

Síntesi de compostos orgànics per causa dels impactes

Finalment, ens queda aquest tercer mecanisme, relacionat amb l’article objecte inicial d’aquest post (Martins et al. 2013).  Doncs bé,  com hem dit abans, aquesta possibilitat ja fou revisada per Chyba & Sagan (1992), perquè ja s’havien efectuat experiments en aquest sentit fa força anys. En Sagan mateix amb altres autors (Bar-Nun et al. 1970) ja havien demostrat que en aplicar un xoc tèrmic, simulant impactes de cometes i micrometeòrits, a una barreja de gasos similars a l’atmosfera primitiva, hi apareixien aminoàcids.

Tanmateix, quan es pensa en impactes de cossos extraterrestres el primer que es pensa és justament el contrari, que són antagonistes de la vida a la Terra, ja que recordem els impactes que han causat cataclismes i extincions, com l’asteroide de fa 65 milions d’anys al cràter de Chicxulub al Yucatán, o a una escala molt menor, el meteòrit de 2013 a Chelyabinsk, Rússia, amb l’aparença de boles de foc. Doncs bé, encara que aquestes col.lisions poden causar efectes negatius sobre els sers vius a on cauen, al mateix temps l’energia alliberada pel xoc pot ser una font de reaccions que generen compostos orgànics prebiogènics, com demostra el treball de Martins et al. (2013).

Al mateix temps, s’ha demostrat que els compostos biològics que fossin presents al meteòrit poden “sobreviure” als impactes. En efecte, s’ha vist que aquests compostos poden quedar capturats en els porus de material carbonaci dins el material fos per la temperatura i pressió de l’impacte, en concret en anàlisis fetes amb material del cràter Darwin a Tasmània, d’un meteòrit  que hi va impactar fa 800.000 anys (Howard et al. 2013).

A més de Martins et al., altres treballs també han simulat els efectes dels impactes. Furukawa et al. (2009) van simular l’impacte d’un meteòrit tipus condrita en un oceà primitiu. Van utilitzar una pistola propulsora per crear un impacte d’alta velocitat en una barreja de carboni, ferro, níquel, aigua i nitrogen, i tot seguit van recuperar diverses molècules orgàniques, incloent àcids grassos, amines i un aminoàcid.

Així doncs, aquests experiments suggereixen que els impactes freqüents de cossos extraterrestres a la Terra primitiva devien resultar en una bona contribució a la formació de molt diversos compostos orgànics, i com ja he comentat, afegint-se a l’aportació dels que ja hi venien prèviament sintetitzats a l’espai exterior, i a la síntesi in situ a la mateixa Terra.

Bibliografia

Bar-Nun A, Bar-Nun N, Bauer SH, Sagan C. 1970. Shock synthesis of amino acids in simulated primitive environments. Science 168, 470-472.

Chyba C, Sagan C. 1992. Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life. Nature 355, 125–32

Dolmetsch C. 2006. NASA Spacecraft Returns With Comet Samples After 2.9 Bln Miles. Bloomberg.com. 2006-01-15

Editorial. 2013. The upside of impacts. Nature Geoscience 6, 987.

Furukawa Y, Sekine T, Oba M, Kakegawa T, Nakazawa H. 2009. Biomolecule formation by oceanic impacts on early Earth. Nature Geoscience 2, 62–66

Generalitat de Catalunya. 2014. “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”. Recercat 94, gener 2014.

Howard KT et 12 al. 2013. Biomass preservation in impact melt ejecta. Nature Geoscience 6, 1018-1023.

Jørgensen JK, Favre C, Bisschop SE, Bourke TL, van Dishoeck EF, Schmalzl M. 2012. Detection of the simplest sugar, glycolaldehyde, in a solar-type protostar with ALMA. Astrophysical Journal Letters 757, L4, 1-13.

Kvenvolden KA, Lawless J, Pering K, Peterson E, Flores J, Ponnamperuma C, Kaplan IR, Moore C. 1970. Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite. Nature 228, 923–926

Kwok S, Zhang Y. 2011. Mixed aromatic–aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features. Nature, DOI:10.1038/nature10542

Martins Z, Botta O, Fogel ML, Sephton MA, Glavin DP, Watson JS, Dworkin JP, Schwartz AW, Ehrenfreund P. 2008. Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite. Earth and Planetary Science Letters 270, 130–136

Martins Z, MC Price, N Goldman, MA Sephton, MJ Burchell. 2013. Shock synthesis of amino acids from impacting cometary and icy planet surface analogues. Nature Geoscience 6, 1045-1049.

Moskowitz C. 2012. Life’s Building Blocks May Have Formed in Dust Around Young Sun. Space.com

Menor-Salván C, Ruiz-Bermejo DM, Guzmán MI, Osuna-Esteban S, Veintemillas-Verdaguer S. 2007. Synthesis of pyrimidines and triazines in ice: implications for the prebiotic chemistry of nucleobases. Chemistry 15, 4411–8.

Oparin A. 1952. The origin of life. New York: Dover.

Oró J. 1961. Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under possible primitive Earth conditions. Nature 191, 1193–4.

Parker ET, Cleaves HJ, Dworkin JP et al. 2011. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS 108, 5526–31.

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis  (Molt bona revisió de l’origen de la vida i les diverses hipòtesis)

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Murchison_meteorite

Advertisements

About Albert Bordons

Professor at "Universitat Rovira i Virgili" in Tarragona. Born in Barcelona 1951. Scientific areas: microbiology, biochemistry, biotechnology, oenology. I like: nature, biological sciences, photography, mountains, ... Languages: catalan (first one), spanish, french, english and some italian.

Posted on 14 febrer 2014, in Evolució, origen vida and tagged , , , , , , , . Bookmark the permalink. Deixa un comentari.

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Pols d'estels

El bloc d'Enric Marco

Life Secrets

For my students

All you need is Biology

Blog professional sobre Biologia · Blog profesional sobre Biología · A professional blog about Biology

Rambles of a PA student

Caffeinated forays into biological imaginings.

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Què Qui Com

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

%d bloggers like this: