L’experiment de Miller o com se sintetitzaren les primeres molècules orgàniques abans de l’aparició de la vida

Química orgànica: Des de Lazzaro Spallanzani (1729-1799) fins a Louis Pasteur (1822-95), la ciència biològica s'esforçà per desmentir la noció de generació espontània: fins i tot el microorganisme més senzill era fill d'un altre microorganisme de la seva mateixa espècie. O, com ho expressà Rudolf Virchow (1821-1902), omnia cellula ex cellula. El problema teòric no es va acabar de plantejar llavors: suposava això que la vida havia existit per sempre? Però la física moderna assenyalava que el Sol i la Terra no eren pas eterns. Hi havia, és clar, la possibilitat d'una panspèrmia, d'una colonització de la Terra primitiva per part de microorganismes alienígenes, tal com defensava, per exemple, Svante Arhenius (1859-1927). Però si l'univers tampoc no és etern, llavors la panspèrmia simplement trasllada la qüestió de l'origen de la vida a un altre indret. En l'abiogènesi, entesa com a procés de formació d'éssers vius de novo, hi han de participar diferents fases: de primer cal la síntesi abiòtica de substàncies químiques orgàniques senzilles; de segon la polimerització d'aquestes substàncies en macromolècules; i de tercer l'agregació d'aquestes macromolècules en sistemes auto-sostenibles i auto-reproductibles. El 1828, Friedrich Wöhler (1800-82) ja demostrava que era possible sintetitzar una molècula orgànica com la urea per mitjans purament inorgànics (síntesi de Wöhler). Però en el medi natural la síntesi de matèria orgànica recau gairebé exclusivament en[@more@]

El repte més gran de l'experiment de Stanley Miller i Harold Urey era assegurar unes condicions perfectament estèrils. En qüestió d'una setmana de funcionament, el matrau superior havia adquirit una coloració groguenca, com a resultat de l'acumulació de matèria orgànica sintetitzada abiòticament

L'experiment del 1953

El punt de partida teòric de l'experiment es trobava en les especulacions d'Aleksandr Oparin (1894-1980) i JBS Haldane (1892-1964), els quals havien defensat que les condicions de la Terra primitiva afavorien la formació espontània i la persistència de molècules orgàniques. Seria, després, amb la formació d'una atmosfera rica en oxigen, com a conseqüència de la fotosíntesi de les primeres algues, que s'estroncà aquest procés.

La idea era reproduir les condicions de la Terra primitiva i comprovar fins quin punt s'hi podrien formar complexos orgànics. Miller comptava amb les idees de Harold C. Urey (1893-1981). Urey havia estat clau en la descoberta i aïllament del deuteri, a partir de la destil·lació d'hidrogen líquid, i en el disseny de mètodes d'enriquiment d'urani. Amb el bagatge de l'estudi dels isòtops, Urey fou un dels fundadors de la cosmoquímica. Pels volts del 1952 considerava que l'atmosfera de la Terra primitiva devia consistir en una barreja reductora d'amoníac (NH3), metà (CH4) i hidrogen (H2). Aital atmosfera devia ser molt més inestable elèctricament, i les llampegades hi devien sovintejar molt més que no pas amb la nostra (amb un 78% de nitrogen, un gas bastant poc reactiu).

Miller, llavors un estudiant post-graduat de 23 anys, dissenyà l'experiment corresponent en base a les assumpcions de Urey.

Esquema de l'experiment de Miller. En un sistema tancat s'introdueix aigua i una barreja de CH4 i NH3, prèviament esterilitzades. La circulació del vapor d'aigua i dels altres gasos s'aconsegueix mitjançant sistemes d'escalfament i refredament situats en dos punts diferents del circuit. En un matrau principal s'hi col·loquen dos electrodes.

En qüestió de dies el matrau principal del circuit prenia una coloració groguenca. Després d'unes proves inicials i diferents comprovacions sobre el manteniment de l'esterilitat del circuit, es deixà en marxa l'experiment durant una setmana. De tot el carboni inicialment introduït en forma de CH4 un 10-15% es trobava ara en forma de material orgànic (el responsable del dipòsit groguenc en la superfície del matrau).

Un exam més detingut de la matèria orgànica formada, va evidenciar que la immensa majoria consistia en hidrocarburs. Però un 16% del carboni orgànic es trobava en forma d'aminoàcids, en l'estructura dels quals, a més del carboni i de l'hidrogen, també hi ha oxigen i nitrogen. Els aminoàcids són els monòmers de les cadenes de proteïna, i les proteïnes són, com ja ho intuïa Berzelius a principis del segle XIX, la matèria bàsica de les estructures i funcions biològiques. Les proteïnes, tal com les sintetitzen les cèl·lules, són formades per una combinació linial de centenars a milers d'aminoàcids, amb 20 tipus d'aminoàcids diferents. Doncs bé, d'aquests 20 aminoàcids, 13 s'havien format espontàniament en l'experiment de Miller-Urey.

El resultat fou, en certa manera sorprenent. No per la síntesi de matèria orgànica, sinó per la diversitat de substàncies que havien aparegut amb tan sols una setmana d'experiment. Un aspecte interessant de l'experiment és que dels aminoàcids formats hi havia quantitats gairebé iguals de D-aminoàcids i L-aminoàcids. En els éssers vius, són els L-aminoàcids els que són sintetitzats i metabolitzats. Els D-aminoàcids tenen un paper marginal, per bé que apareixen en les proteïnes de certs gasteròpodes i també en les parets cel·lulars bacterianes.

En aquesta animació veiem dues molècules d'alanina. Una d'elles és la D-alanina i l'altra és la L-alanina. En l'experiment de Miller es formen quantitats similars de totes dues. En les proteïnes, però, pràcticament tan sols trobem L-alanina i la quantitat de L-alanina en la superfície terrestre és immensament superior a la D-alanina.

L'experiment de Miller mostrava com es podia formar l'esquelet simple de carboni i hidrogen, i com s'hi podien incorporar a més àtoms d'oxigen i de nitrogen en grups amino. El 1961, Joan Oró (1923-2004), amb un experiment similar, mostrava com es podia incorporar també nitrogen a molècules heterocícliques, com les que constitueixen els nucleòtids.

Però i si l'atmosfera primitiva no era com la pensava Urey?

Les idees de Urey sobre l'atmosfera primitiva, com les defensades per Oparin o per JD Bernal (1901-71), foren revisades a partir dels anys 1970. Assumpcions vulcanològiques i la comparació amb les atmosferes de Venus i de Mart convidava a pensar en una atmosfera molt més rica en CO2 i en N2. El 1983, Stanley Miller va repetir el seu experiment amb aquesta composició atmosfèrica (Miller i Schlesinger, 1983). La quantitat de matèria orgànica fou fins i tot insuficient per tenyir el matrau. S'hi obtingueren aminoàcids, sí, però amb una quantitat i diversitat clarament inferior a la de l'experiment del 1953.

A l'experiment del 1983, hi hauríem de sumar els estudis de la Viking sobre la presència de matèria orgànica en el sòl marcià. La radiació ultraviolada que arriba sense impediments a la superfície marciana escurça enormement la vida mitjana de qualsevol molècula orgànica que s'hi formi.

I no podrien haver vingut els aminoàcids de fora?

Davant aquesta hostilitat de les superfícies planetàries, s'obria de nou la possibilitat que la matèria orgànica s'hi formés en d'altres localitzacions. Estudis acurats del meteorit de Murchison, caigut el 28 de setembre del 1969, van mostrar la presència de 90 aminoàcids diferents, inclosos 19 dels 20 aminoàcids que trobem en les proteïnes.

Jeffrey Bada repeteix l'experiment amb les assumpcions actuals

Jeffrey Bada ha explorat justament la possibilitat d'una importació de substàncies orgàniques a la Terra primitiva, a través d'asteroides. De totes formes, la taxa de bombardeig necessària, tenint present concentracions plausibles d'aquestes substàncies en els asteroides i nuclis cometaris, ha refermat la idea que la major part de la matèria orgànicaprimordial havia de formar-se en la superfície terrestre

En una comunicació a la reunió anual de l'American Chemical Society, celebrada la setmana passada a Xicago, Jeffrey Bada presentava els resultats de l'experiment que realitzà el seu grup fa uns mesos a la Scripps Institution of Oceanography (La Jolla, Califòrnia).

En l'experiment de Bada resulta clau la formació de nitrits (NO2), que reaccionen ràpidament amb els aminoàcids que resulten de l'agregació del CO2, del CH4 i de l'NH3. D'aquesta forma la producció neta d'aminoàcids resulta minsa. A més, concentracions elevades de nitrits en els oceans primigenis provocarien unes condicions acidesa que dificultarien encara més la taxa de síntesi abiòtica d'aminoàcids.

Ara bé, l'experiment de Miller tenia en compte únicament la interelació entre l'atmosfera i la hidrosfera primitives. Bada inclou en l'equació la litosfera primitiva: el ferro podria captar si més no part dels nitrits (formació de nitrits de ferro), mentre que els carbonats podrien contrarestar l'acidesa.

Amb l'afegit de ferro i de carbonats a l'aigua, l'experiment de Bada dóna la mateixa substància incolora que Miller i Schlesinger s'havien trobat el 1983. Però ara la quantitat i la diversitat d'aminoàcids és tan elevada com la de l'experiment del 1953.

Una seqüència d'esdeveniments atmosfèrics i hidrosfèrics

Hom calcula l'edat de la Terra en 4.567 milions d'anys. En aquell moment el procés d'acreció de planetèssims era encara en marxa. Fa uns 4.533 milions d'anys es va produir l'impacte de la Terra amb un planeta Theia, que s'havia format en la mateixa òrbita de la Terra. A resultes de l'impacte la Terra va absorbir Theia, però una part del mantell terrestre fou ejectada per donat lloc a l'actual Lluna.

Fa uns 4.450-4.400 mlions d'anys, l'escorça terrestre ja s'havia solidificat. En aquell moment l'atmosfera de la Terra devia consistir bàsicament en hidrogen i heli. El creixent vent solar arrossegava aquesta primera atmosfera, però aviat sorgirien els elements que la substituirien. Fa uns 4.100-3.800 milions d'anys s'hi va viure un bombardeig d'asteroides cap al sistema solar interior. Aquest bombardeig i el vulcanisme, provocaren una emissió de gasos (CO2, N2, etc.), que donaria lloc a l'atmosfera de segona generació (que és la que entra en joc en els experiments de Miller). Els asteroides i cometes procedents del sistema solar exterior foren vitals en l'aport d'H2O. Fa uns 3.800 milions d'anys, el vapor d'aigua acumulat en part pel vulcanisme i per aquestes aportacions va precipitar per donar lloc als primers oceans.

És en aquest moment que es forma la sopa primordial postulada per Oparin. Les aportacions dels cometes també serien clau en un altre sentit: en fornir el cianur d'hidrogen (HCN) que, per la reacció d'Oró, és necessari per la síntesi prebiòtica dels constituents dels nucleòtids.

La sopa d'aminoàcids, nucleòtids i d'altres biomolècules monomèriques va evolucionar a formes més complexes. Però aquesta és una altra història.

Lligams:

A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Miller SL. Science 117: 528. (1953).

Primordial Soup's On: Scientists Repeat Evolution's Most Famous Experiment, de Douglas Fox (Scientific American).

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada