Los orígenes de la vida "basada en el silicio"

por Wavefunction

Cada hombre o mujer pensante parece tener su propia teoría favorita sobre los orígenes de la vida. Como las modas de ropa y los peinados, en este caso uno a veces se reduce a un mero favoritismo irracional al final, desprovisto de una lógica sustancial real. La razón es sencilla; Los orígenes pueden ser el mayor problema sin resolver en química y biología de todos los tiempos, pero se trata de cosas miles de millones de años atrás en el tiempo que difícilmente podemos imitar, y mucho menos observar directamente. La vida moderna con su maquinaria de ADN, ARN y proteínas proporciona pistas tentadoras pero sin respuestas. ¿Cuál vino primero? ¿Genes, proteínas o algo más?

Desde hace muchos años, he apostado por una teoría de los orígenes sobre la que leí por primera vez en el amplio estudio del matemático John Casti sobre los grandes problemas a los que se enfrenta la ciencia moderna: Paradigms Lost. La teoría que Casti dice que es su favorita es la mía también debido a una razón cuerda que Casti proporciona: el venerable (quizás demasiado) principio en la ciencia llamado La navaja de Ockham, que simplemente dice que "las entidades no deben multiplicarse innecesariamente" o " Simple es mejor". Cuando uno se enfrenta a varias explicaciones que conducen a la misma conclusión, es probable que la más simple sea la correcta. Bueno, en realidad no, pero si de todos modos vamos a proceder con corazonadas, ¿por qué no elegir la más simple? La premisa es simple aquí; El ADN, el ARN y las proteínas son demasiado complicados para que pensemos en cómo pudieron surgir en nuestro planeta primordial. Es mejor comenzar con sustancias simples, posiblemente inorgánicas, que abundaban en la Tierra primitiva.

Aquí presento al bioquímico británico Alexander Graham Cairns-Smith (CS de ahora en adelante) a quien se le ocurrió la teoría de la "vida a partir de la arcilla". CS conjeturó que tiene mucho más sentido pensar que la vida evoluciona a partir de materiales inorgánicos simples, especialmente cristales, en lugar de moléculas orgánicas. Su hipótesis era sencilla y se ocupaba de dos propiedades familiares de los cristales que son muy similares a lo que creemos que son propiedades esenciales para que cualquier cosa se llame "vivo": la reproducción y la selección natural. Los cristales por su propia naturaleza son periódicos, extendiéndose regularmente en planos infinitos, "reproduciéndose" si se quiere en tres dimensiones. Los cristales también están sujetos a defectos e impurezas. La belleza de la cristalización es que siempre existen impurezas o defectos. El principio clave que reconoció CS fue que estas impurezas o defectos, si confieren algún beneficio como una mejor "pegajosidad" o propiedades mecánicas, se propagarían de la misma manera que las mutaciones beneficiosas se propagan a través de la evolución. Poco a poco, el cristal viejo y decrépito quedará atrás y este cristal impuro con sus propiedades superiores tomará el control. Ergo evolución del cristal.

¿Qué cristal sería preponderante en la tierra primitiva para posiblemente hacer tal trabajo? La arcilla ordinaria, por supuesto. Dióxido de silicio en sus innumerables manifestaciones. Por un lado, siempre ha sido extremadamente abundante durante miles de millones de años en la tierra. En segundo lugar, se presenta en una asombrosa variedad de polimorfos, alótropos y geometrías. El silicio es un elemento maravilloso. Puede mezclarse y combinarse con una cantidad incalculable de cationes y aniones y formar estructuras tridimensionales quijotescas. Puede actuar como andamio para muchas otras sustancias. Uno puede pasar toda la vida estudiando silicatos. Los escritores de ciencia ficción han fantaseado desde hace mucho tiempo con una biosfera basada en silicio. Pero aquí se ha teorizado que el silicio es la semilla de la vida de otra manera.

Según CS, los cristales de silicio albergan fácilmente impurezas orgánicas. Con el tiempo, estas impurezas crecerán junto con el cristal. En algún momento, como se señaló anteriormente, las moléculas orgánicas tendrán un beneficio evolutivo posiblemente debido a su mayor flexibilidad, poder de ramificación, pegajosidad debido a interacciones hidrófobas y múltiples características de unión. Gradualmente, como una serpiente que muda su vieja piel, las moléculas orgánicas simplemente crecerán más rápido y más fuertes y dejarán atrás su antiguo linaje silicónico. Con el tiempo, lo que tendrás será un cristal orgánico. Ahora piense en ADN, ARN, proteínas y cosas similares que se forman a partir de entidades orgánicas. Al menos es un poco más fácil que antes, donde uno tenía que evocar estas maravillas bioquímicas de la suciedad inorgánica.

CS tiene un artículo (citado al final) que expone su teoría de la "vida a partir de arcilla". La hipótesis más convincente que encontré en este artículo es que si los cristales van a servir como plantilla para hacer copias, la replicación debería ser en los bordes y no en otras direcciones. CS cita el ADN como ejemplo y considera una versión simplificada del mismo con la columna vertebral de azúcar-fosfato eliminada y también eliminados los enlaces de hidrógeno. Ahora es sólo una pila de platos de colores, y cada color corresponde a una base. Es bastante obvio que la copia solo puede tener lugar a lo largo del borde, como muestra la figura de CS:

A continuación, CS da un ejemplo de minerales de silicato que podrían tener bordes que actúen como plantillas. Los bordes podrían unirse debido a interacciones electrostáticas o no polares. Pueden ser irregulares o lisos. Por último, no es necesario tener sólo un tipo de ventaja. Toda una panoplia de silicatos con sus variados tipos de bordes podría competir por la formación de láminas y la consiguiente duplicación. Después de eso, las impurezas y defectos antes mencionados podrían asegurar la selección natural y la formación de cristales orgánicos. Entonces, la vida podría aprovecharse de las superficies de estos cristales.

CS también reflexiona sobre si uno podría tener enzimas inorgánicas que posiblemente podrían acelerar la llegada de la vida. No se imagina que tales enzimas tengan la flexibilidad de las orgánicas. Por otro lado, como dice CS, las enzimas inorgánicas ya se utilizan en la industria como catalizadores superiores. Los cristales de arcilla podrían actuar de manera similar como catalizadores y acelerar todo tipo de reacciones. Por cierto, CS pertenece al campo de los "genes primero" en contraposición al campo del "metabolismo primero". Sin embargo, la idea de CS es una de metabolismo facilitado por "genes inorgánicos" que se replican y mejoran su stock. Personalmente, encuentro muy atractiva la idea de superficies de cristal; después de todo, tantas reacciones se aceleran en las superficies, inmediatamente me viene a la mente la síntesis de amoníaco de Haber, que en parte condujo al último Premio Nobel para Gerhard Ertl. Si uno está buscando entidades químicas simples que puedan impulsar y acelerar las reacciones, las superficies de cristales inorgánicos seguramente parecen ser buenos candidatos.

Los pensamientos más tentadores de CS son acerca de tales reacciones inductoras de vida basadas en la arcilla que suceden incluso en la actualidad, tranquilamente en los rincones y recovecos de la naturaleza. Si bien estas reacciones serían difíciles de descubrir y comparadas con nuestras vidas serían triviales y temporales, es fascinante pensar que los ecos de los orígenes de la vida aún resuenan a nuestro alrededor.

Cairns-Smith, A. (2008). La química y la era perdida de la evolución. Química: una revista europea, 14 (13), 3830-3839. DOI: 10.1002 / quím.200701215