Category Archives: origen vida

Origen dels virus i com ells van “inventar” l’ADN

19 octubre 2020

Click here for the English version: Origin of viruses and how they “invented” DNA

Aquestes setmanes o mesos que malvivim tots pendents d’un virus, el SAR-CoV-2 òbviament, m’ha semblat oportú fer una mica de cerca bibliogràfica repassant aquest tema intrigant de l’origen d’aquests organismes tan singulars i tan diferents dels altres sers vius.

Recordem QUÈ SÓN els virus

Els virus són organismes no cel·lulars, o sigui, no són cèl·lules: ni procariotes com els bacteris i arqueus, ni eucariotes com protistes, fongs, plantes i animals. Per tant, els virus no tenen una estructura interna complexa amb molt diversos components com tenen les cèl·lules, i sobretot no tenen tota l’activitat metabòlica que comporta el manteniment i reproducció dels organismes cel·lulars. 

Del punt de vista funcional, els virus són agents infecciosos submicroscòpics, que només es poden reproduir dins de cèl·lules, d’altres organismes hostes és clar. Per tant, són paràsits intracel·lulars, i n’hi ha de tots els organismes cel·lulars possibles, des dels arqueus i bacteris a tots els tipus d’eucariotes. Els virus es troben en qualsevol ecosistema i són les entitats biològiques més abundants a la Terra (Edwards & Rohwer 2005).

Els organismes cel·lulars tenen les característiques pròpies de la definició de sers vius, com tenir un cicle biològic, metabolisme, créixer, adaptar-se al medi, respondre als estímuls, reproduir-se i evolucionar. El concepte de ser viu també ha estat definit com a qualsevol sistema autònom amb capacitats evolutives (Peretó 2005). En principi, els virus no tenen bastants d’aquests trets, motiu pel qual a vegades es qüestiona si es poden anomenar “sers vius”. Tanmateix, sí que poden reproduir-se, a expenses d’altres, i evolucionar, i en estar íntimament relacionats en el seu cicle biològic als organismes cel·lulars, no veig com podrien ser considerats com “sers no vius”. Seria com dir que són organismes no biològics, que evidentment no és cert.

En la seva fase extracel·lular són partícules inerts, els virions, quasi tots de mides entre 20 i 300 nm, més petits que la majoria de bacteris. L’estructura dels virions es limita a una capa protectora de proteïna, la càpsida, i el material genètic dins, o RNA o DNA. La càpsida pot ser helicoïdal, polièdrica o esfèrica, i dóna la morfologia que s’observa al microscopi electrònic. Addicionalment, els virions d’alguns virus (d’animals sobretot) tenen una estructura externa, un embolcall, tipus membrana, amb proteïnes i fosfolípids. Altres virus tenen estructures més complexes, com alguns bacteriòfags (Figura 1).

L’adherència i/o entrada dels virions a la cèl·lula hoste té lloc per diversos mètodes, per tal que el seu material genètic entri dins. Allà la informació d’aquest material genètic s’expressarà, gràcies a la maquinària biosintética de la cèl·lula i farà més còpies del virus, les quals un cop fora la cèl·lula, seran més virions que podran infectar altres cèl·lules.

Figura 1. Alguns dels diferents tipus morfològics de virus (esquerra a dreta): helicoïdals (ex. virus del mosaic del tabac), polièdrics (ex. adenovirus), esfèrics (ex. grip), i complexes com els bacteriòfags.

La classificació dels virus es basa sobretot en el tipus de material genètic dels virus, o sigui el genoma, si és DNA o RNA, si aquest és de cadena senzilla o doble, i de l’estratègia de replicació d’aquest genoma i de biosíntesi del mRNA (Figura 2). Alguns exemples d’aquestes 6 classes de virus són (Madigan et al, 2019):

  • Classe I            bacteriòfags lambda i T4, herpes animal
  • Classe II           bacteriòfag fX174
  • Classe III          rotavirus gastrointestinal
  • Classe IV         poliovirus, coronavirus
  • Classe V          grip, ràbia
  • Classe VI         retrovirus com el HIV

A vegades s’afegeix una classe VII (a la classificació de Baltimore, el descobridor dels retrovirus), que són virus de DNA parcialment de doble cadena i que fan un RNA intermediari per replicar-se. Ex: el de l’hepatitis B.

Figura 2. Els sis tipus de virus segons el seu genoma (DNA o RNA, cadena doble o única) i el sistema de replicació i de generació del mRNA. Per convenció el mRNA és d’orientació (+) (tret de Madigan et al., 2019).

Possibles TEORIES DE L’ORIGEN dels virus

El seu origen sempre ha estat una mica enigmàtic, donades les característiques d’aquests organismes no cel·lulars. Encara que els virus són molt diversos i per tant es pot pensar en diferents punts d’origen independents, la similitud de les seves estructures i una càpsida de proteïna que embolcalla un àcid nucleic suggereixen com a mínim un mecanisme comú per explicar el seu origen.

Les 3 hipòtesis més referenciades per explicar com es van originar els virus són: 

a) Serien formes derivades d’organismes unicel·lulars paràsits d’altres, que evolutivament s’haurien reduït al mínim.

b) Serien fragments de material genètic que haurien escapat al control cel·lular esdevenint paràsits.

c) Serien relíquies de formes precel·lulars, o sigui dels protobionts.

De fet, la hipòtesi a) té com a argument a favor de l’existència de paràsits intracel·lulars com els Mycoplasma (bacteris Tenericutes) o els Microsporidia (fongs eucariòtics), però aquests microorganismes mantenen algunes característiques cel·lulars, com la síntesi de proteïnes, i mai arriben a l’extrem dels virus. A més, no es coneix cap estadi intermedi entre cèl·lules i virus.

La hipòtesi b) té a favor l’existència dels plasmidis i els transposons, que poden ser considerats com a precursors virals i el fet que sovint els virus poden integrar gens cel·lulars. Però és difícil d’explicar com aquests àcids nucleics alliberats haurien incorporat un embolcall proteic. A més, aleshores caldria esperar afinitats evolutives entre els virus i els hostes del mateix domini. Per exemple, bacteriòfags (fags) i bacteris, amb la qual cosa els fags haurien de tenir algunes semblances evolutives amb els bacteris, i en canvi hi ha proteïnes dels fags (com del T4) més semblants a proteïnes eucariotes que als seus homòlegs bacterians (Gadelle et al, 2003). És més, la majoria de proteïnes virals no tenen homòlegs cel·lulars a cap dels 3 dominis (Forterre 2006).

La hipòtesi c) té en contra el fet que tots els virus actuals són paràsits obligats, i requereixen un estadi de desenvolupament intracel·lular per al seu desenvolupament. Tanmateix, com veurem a continuació, és la hipòtesi que cada cop va guanyant més reconeixement.

Dos arguments clars a favor de l’hipòtesi c) i en contra les altres són:

  • Hi ha virus de tots els grups d’organismes cel·lulars, la qual cosa fa que la hipòtesi b) sigui difícil d’explicar.
  • Hi ha virus de DNA i de RNA, la qual cosa fa que la hipòtesi a) sigui inversemblant.

De totes maneres, cal tenir en compte que les crítiques fetes a qualsevol d’aquestes hipòtesis es fan en el context de la biosfera actual, on els virus “moderns” necessiten cèl·lules “modernes” per replicar-se, on les cèl·lules actuals no poden revertir a formes virals, o on el DNA lliure no pot captar proteïnes de les cèl·lules actuals per formar càpsides, etc. Però les coses podrien haver estat molt diferents abans de la formació de les cèl·lules “modernes” d’arqueus, bacteris i eucariotes. En aquest sentit, estem menys constrets per la realitat actual a l’hora de proposar escenaris evolutius nous per a l’origen dels virus (Forterre 2006).

Ràpid repàs de l’ORIGEN DE LA VIDA

Per veure les possibilitats de la hipòtesi c) d’origen dels virus a partir de les formes protocel·lulars, anem a repassar la que avui dia és la més probable hipòtesi de l’origen dels sers vius a la Terra. Podeu veure unes bones revisions de tot això que ara sintetitzaré als llibres de Zubay (2000), de Schopf (2002)i de Ribas de Pouplana (2004), i a l’article de Peretó (2005), entre altres.

La química prebiòtica fou el conjunt de reaccions per les quals s’originaren els components biològics per síntesi abiòtica. Com és conegut, en una primera fase, que els anys 1920-30 ja van postular Oparin (Miller et al., 1997) i Haldane (Tirard 2017), i que els experiments de Urey i Miller el 1953 (Bada & Lazcano, 2003) en van aportar el suport experimental, se suposa que a partir de les molècules bàsiques de l’atmosfera primitiva (aigua, metà, amoni, nitrogen i altres) se sintetitzaren els monòmers orgànics com aminoàcids, monosacàrids i àcids orgànics, amb les fonts d’energia de la Terra primitiva. També s’està evidenciant cada cop més la importància de l’aportació de matèria orgànica procedent de cometes i meteorits (Oró 2001). En una segona fase, les macromolècules biogèniques es podrien haver format per polimerització dels monòmers, segurament sobre un suport inorgànic.

Un cop hi hagueren suficients compostos orgànics prebiòtics (no confondre amb els “prebiòtics”, terme de nutrició per als substrats utilitzats per la microbiota que donen beneficis per a la salut), les fases de protobionts prèvies a les cèl·lules hagueren d’estar relacionats amb les 3 propietats bàsiques dels sers vius: 

  • l’establiment d’estructures embolcall, o sigui membranes
  • la transformació de nutrients i energia, o sigui un mínim metabolisme
  • un mecanisme hereditari, o sigui la capacitat de replicar-se i transferir les característiques als descendents.

Com veiem a l’esquema de la Figura 3, la hipòtesi actual és que aquestes fases foren en aquest ordre, de tal manera que dins unes estructures amb embolcall (vesícules amfifíliques) començaren a generar-se mecanismes de reaccions protobioenergètiques que esdevingueren sistemes autònoms, els quals començaren a adquirir característiques hereditàries basats en el RNA (el món RNA), i que posteriorment el DNA, més estable, acabaria substituint al RNA com a molècula gènica. El paper del RNA és suportat per la varietat de RNAs existents a les cèl·lules i per les característiques catalítiques d’alguns d’aquests, els ribozims, a més de ser molècula gènica (Peretó 2005). 

Figura 3. Esquema de la hipotètica transició de la química prebiòtica a les cèl·lules, sense escala temporal però que podria haver estat al voltant de fa 4000 M anys. Aquestes fases de protobionts inclouen (d’esquerra a dreta) l’origen de sistemes autònoms amb protometabolisme sense material genètic, les primeres protocèl·lules amb pre-RNA i després RNA més proteïnes (el món RNA, amb “ribòcits”), i a continuació la incorporació del DNA, fins arribar al LUCA (últim avantpassat universal comú) amb les característiques biològiques conegudes. B: bacteris; A: arqueus; E: eucariotes (tret de Peretó 2005).

L’origen dels VIRUS: relíquies dels protobionts

Com hem comentat abans, aquesta és la hipòtesi més versemblant actualment.

Reprenent el que ara comentàvem de l’origen de la vida, de fet, en aquest món RNA es podrien distingir com dues fases (Figura 4). La primera començaria quan el RNA com a tal hauria esdevingut el material genètic portador d’informació però com veiem segur que abans (el món “pre-RNA”) hi podria haver hagut protobionts (o protocèl·lules) amb altres molècules “genètiques”, ja siguin àcids nucleics o altres molècules, i aquest primer protobiont amb RNA hauria suposat un coll d’ampolla o punt de trencament, que hauria començat a predominar sobre els anteriors, que s’haurien anat extingint. Com sabem, aquest fenomen és molt usual a l’evolució. En una segona fase del món RNA, haurien aparegut els ribosomes com a màquines de síntesi de proteïnes, que haurien permès una ràpida evolució cap a formes cel·lulars més eficients, enfront de l’ús de pèptids o altres maneres de sintetitzar proteïnes menys eficients (Forterre 2005). Finalment en alguna de les línies de protobionts, el DNA hauria acabat substituint el RNA com a material genètic, essent també un punt de trencament en la línia evolutiva.

Doncs bé, com veiem (Figura 4), alguns dels llinatges podrien sobreviure parasitant els individus exitosos de la següent fase: serien els virus. A cada fase hi hauria un punt crític d’origen (punts de trencament o colls d’ampolla, línies negres) a partir d’un organisme novedós que originaria molts llinatges. Alguns d’aquests, enlloc d’extingir-se, podrien sobreviure com a llinatges vírics (línies blanques) en parasitar els llinatges protocel·lulars exitosos de la següent fase (Forterre 2005).

Figura 4. Hipòtesi de les fases de l’evolució dels protobionts del món RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

En ambdues fases del món RNA molt diversos organismes (els llinatges representats a la Figura 4) haurien coexistit: preses, predadors, de vida lliure i paràsits. Per tant és probable que protocèl·lules i entitats semblants a virus haguessin coexistit, i d’aquesta manera s’haurien originat els virus RNA (Figura 5). Veiem com a la primera fase coexistirien diferents llinatges de protobionts RNA, amb diversos mecanismes de producció de proteïnes (els petits cercles interns ratllats, Fig. 5A), inclòs l’avantpassat del sistema de ribosomes actual (les 2 subunitats negres). Aquest llinatge (en blau, Fig. 5B) hauria eliminat els seus competidors. Alguns llinatges d’aquesta primera fase (verd i vermell) haurien sobreviscut com paràsits intracel·lulars amb una fase extracel·lular al seu cicle biològic. Finalment aquests paràsits haurien perdut la seva pròpia maquinària de síntesi de proteïnes i esdevingut virus RNA (Fig. 5C). 

A més, actualment hi ha virus RNA de cadena senzilla i de doble cadena i amb diferents maneres de replicar-se (Figura 2), com devia passar en aquest món RNA amb molt diversos llinatges. I més encara, els virus RNA de doble cadena de bacteris i de eucariotes tenen estructures similars i les seves RNA-polimerases-RNA-dependents són homòlogues. Aquest model implica un origen polifilètic per a les diferents superfamílies de virus RNA, i quan els protobionts haurien passat a ser de DNA, el parasitisme d’aquests virus s’hauria mantingut, donant lloc a tots els diversos virus RNA que actualment observem als organismes cel·lulars. Aquest model pot ser acomodat per explicar els virus DNA a partir de llinatges de protobionts DNA (Forterre 2005).

Figura 5. Hipòtesi de l’origen dels virus RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

El DNA, inventat per alguns virus ?

Se sap que el DNA acabà substituint al RNA com a material genètic al llarg d’aquests primers estadis de l’evolució per dos motius: a) El DNA és més estable que el RNA perquè el 2’O d la ribosa és molt reactiu, podent trencar l’enllaç fosfodièster; i b) La desaminació de la citosina a uracil és una reacció química espontània freqüent que pot ser reparada al DNA però no al RNA, per raons òbvies: l’uracil és propi del RNA.

Als sers vius actuals, els precursors del DNA, els desoxiribonucleòtids (dNTPs) es formen sobretot gràcies a les ribonucleòtid reductases que redueixen la ribosa dels ribonucleòtids (rNTPs) a desoxiribosa. Se sintetitzen a partir dels gràcies a enzims complexos, que degueren aparèixer a la segona fase del món RNA, ja que el DNA no es pogué formar només a partir de RNAs, encara que fossin ribozims.

Però què passa amb la timina del DNA enlloc de l’uracil del RNA ?

El fet que actualment el dTMP es produeix a partir del dUMP i no per reducció del TTP suggereix que el U-DNA podria haver estat un intermediari en la transició de RNA a DNA i per tant hi hauria hagut un “món U-DNA”. Doncs resulta que alguns virus bacterians tenen DNA amb uracil, o sigui U-DNA enlloc de l’usual T-DNA. De fet, als virus actuals podem trobar força diversitat de DNAs, alguns amb U-DNA, molts altres amb T-DNA i alguns altres amb hidroximetilcitosina-DNA (Figura 6), i a més els virus DNA tenen una gran varietat de mecanismes de replicació i d’enzims per passar d’un tipus a l’altre. Seria el que es pot anomenar “virosfera”, que dóna peu a pensar en el seu origen en aquestes etapes de protobionts. Per tant, el DNA tal com el veiem amb timina, podria haver estat un invent d’alguns virus (Forterre 2006).

Figura 6. Esquema de l’evolució dels genomes des del RNA als genomes modificats de DNA. Tots els tipus són presents a la “virosfera” però als organismes cel·lulars només hi es el T-DNA. RNR: ribonucleòtid reductasa; TdS: timidílic sintasa; HmcT: hidroximetilcitosina transferasa. (tret de Forterre 2006). 

Hipòtesi de la transferència del DNA dels virus DNA als organismes cel·lulars

Un virus DNA (Figura 7A, genoma vermell) podria haver infectat una protocèl·lula RNA (genoma blau) i podria haver coevolucionat (Fig. 7B), de tal manera que els gens RNA haurien estat progressivament transferits al DNA d’origen viral per retrotranscripció (Fig. 7C, fletxa blanca) i el genoma viral hauria evolucionat esdevenint un plasmidi DNA dins una protocèl·lula RNA, però finalment (Fig. 7D) el plasmidi DNA predominaria sobre el genoma RNA, per la seva major eficàcia genètica i acabaria essent un precromosoma de DNA. 

Per un mecanisme similar (Figura 7 E-G) es podria explicar la formació de plasmidis DNA en protocèl·lules de DNA. En qualsevol cas, aquestes protocèl·lules resultants serien procariotes. Tenint en compte tot això, la formació de cèl·lules eucariotes, a banda de la coneguda teoria de la simbiosi d’arqueus i bacteris, també es podria hipotetitzar com la formació del nucli, en protocèl·lules RNA, a partir de la captació de virus DNA embolcallats per la formació de membranes intracel·lulars, donant lloc a la membrana nuclear, de forma similar a la formació dels embolcalls dels virus animals (Forterre 2005, idem 2006).

Figura 7. Models hipotètics de la transferència del DNA dels virus a les protocèl·lules RNA (esquerra A-D) per formar cèl·lules DNA, i de la formació de plasmidis (dreta E-G) a partir de virus DNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

Hi ha altres explicacions possibles per explicar l’origen dels virus, amb arguments a favor de les altres hipòtesis comentades al principi, però crec que la que hem vist, on els virus serien formes que provenen dels protobionts, cada cop té més pes. Una altra hipòtesi curiosa és que els virus s’haurien originat a partir de proteïnes autoreplicants com els prions que s’haurien acoblat amb RNA. Vegeu Lupi & Dadalti (2007) per a més informació.

CONCLUSIÓ

Com hem vist, els virus, amb la seva gran diversitat i essent presents a tots els organismes cel·lulars, serien els descendents o romanents o relíquies d’aquestes formes de protobionts dels primers temps de la vida a la Terra. Com en altres sers vius, l’evolució impulsada pel conjunt de factors de variabilitat genètica, i sobretot la selecció natural, hauria donat resultat al que ara veiem. Els virus porten molt més temps evolucionant que nosaltres, són presents en tots els ecosistemes del planeta i són les entitats biològiques més abundants. Per tant podríem dir que en principi deuen ser més espavilats que nosaltres. Haurem de seguir aprenent a conviure amb ells, com aquest 2020 estem veient amb el SARS-CoV-2, i tot plegat malgrat que dubtem de la seva inclusió en la definició de sers vius.

BIBLIOGRAFIA

Bada JL, Lazcano A (2003) Prebiotic soup – Revisiting the Miller experiment. Science 300, 745-746.

Edwards RA & Rohwer F (2005) Viral metagenomics. Nature Rev Microbiol 3, 504-510

Forterre P (2005) The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. Biochimie 87, 9–10, 793-803. 

Forterre P (2006) The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions. Virus Research 117, 1, 5-16.

Gadelle D, Filée J, Buhler C, Forterre P (2003) Phylogenomics of type II DNA topoisomerases. Bioessays 25, 232-242

Lupi O, Dadalti P, Cruz E, Goodheart C (2007) Did the first virus self-assemble from self-replicating prion proteins and RNA? Medical Hypotheses 69, 4, 724-730.

Madigan MT, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA (2019) Brock biology of microorganisms. Pearson Ed Ltd.

Miller SL, Schopf JW, Lazcano A (1997) Oparin’s “Origin of Life”: sixty years later. J Mol Evol 44, 351-353.

Oró J (2001) Cometary molecules and Life’s origin. In: Chela-Flores J, Owen T, Raulin F (eds) First steps in the origin of life in the universe. Springer, Dordrecht.

Peretó J (2005) Controversies on the origin of life. Internat Microbiol 8, 23-31

Ribas de Pouplana L (2004) The Genetic Code and the Origin of Life. Ed. Kluwer Academic – Landes Bioscience, ISBN 0-306-47843-9. 

Schopf JW (ed.) (2002) Life’s Origin. The beginnings of biological evolution. Univ. California Press, ISBN 0-520-23390-5.

Tirard S (2017) J.B.S. Haldane and the origin of life. J Genetics 96, 735-739.

Zubay G (2000) Origins of life on the Earth and in the Cosmos. Academic Press, ISBN 978-0-12-781910-5.

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

14 febrer 2014

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

Lluís Rabell

Activista, polític, company

Blog Cátedra de Historia y Patrimonio Naval

“Quien domina el mar, domina todas las cosas” (Temístocles)

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Life Secrets

For my students

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"

Quèquicom

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

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

A %d bloguers els agrada això: