Interview with the Dr. Günter Wächtershäuser.
Entrevista con el
Dr. Günter Wächtershäuser.
David Serquera



During one month Dr. Wächtershäuser has maitained an interview by e-mail with Huygens about most relevant principles of autotrophic theory of origin of life. Dr. Wächtershäuser makes a thorough analysis of his theory since origins until nowadays. Moreover we treat important questions concerning Astrobiology.

Gunter Wachtershauser

Question 1: When did you start thinking about the origin of life? Which were your inspiration sources?
Answer: I began thinking about the origin of life about 1972/3, when as a patent attorney I read an article by my former teacher in physical chemistry, Professor Hans Kuhn (RNA world in the pores of rocks). It was published in "Angewandte Chemie". At that point I believed naively in the soup theory and that Kuhn had essentially solved the problem. Beginning about 1973 I became intensely interested in the epistemology of Karl Popper. Later, in 1982 I met Popper personally. In the years that followed Popper became my close friend and mentor. My thinking has been profoundly influenced by Popper. According to Poppers philosophy of knowledge cultural evolution, including scientific discoveries and technical inventions, proceeds in the same basic manner as biological evolution: as an unending concatenation of problems and "attempted" solutions giving rise to new problems and so forth. I recognized that by going backwards in this concatenation we arrive at the origin of life as the origin of all problems. I then started an attempt to develop a general theory of problem evolution, which later was laid aside. In 1982 William W. Bartley III, a pupil of Popper, invited me to give a lecture in a philosophical symposium in New York. In the lecture (1983) I related the work of Hans Kuhn methodologically to the epistemology of Karl Popper. Inspired by papers by Bartley and the psychologist Donald Campbell I then (1983/4) wrote a manuscript with the title "Light and Life" in which I traced the origin of visual perception to photosynthesis. Popper included the thesis in an address to the Alpbach summer school in 1984. The paper was later published in a philosophical volume (Wächtershäuser, G. (1987) Light and Life: on the nutritional origins of sensory perception. In: Evolutionary Epistemology, Rationality and the Sociology of Knowledge (Radnitzky, G. & Bartley III, W.W. eds.) pp. 122-138. La Salle: Open Court). This paper marks the beginnings of my methodology of biochemical retrodiction. In 1982 and 1984 I met Carl Woese, one of the founders of the RNA world theory. I was introduced to Woese by one of his coworkers, George Fox, who had looked us up in Munich and with whom I became related when his widowed father married my wife's widowed mother. From Carl Woese I learned that the soup theory was seriously flawed and that the problem of the origin of life was anything but solved. However, at that time I could see no alternative to the soup theory and so remained captive to that theory.

Question 2: Which was the methodology employed in the construction of your theory?
Answer: The conventional methodology of evolutionary reconstruction, called "backward projection" by Fritz Lipman, is used by almost everybody. It consists of postulating one-to-one relations of extant functions and precursor functions. It leads inevitably to an ever increasing collection of precursor functions, since there is no mechanism of restriction. This means that given the presence of water we have a prebiotic broth with a chaos of possibilities. I was able to overcome the weakness of the method of backward projection by developing a methodology, which I call "biochemical retrodiction". It postulates many-to-one relations between several disparate extant functions and one common precursor function. Thereafter several disparate precursor functions are again related to one still deeper common precursor function and so forth. In this manner, as we go deeper and deeper, a pattern of overall convergence is generated. Thus this method leads to one definite primordial organism and not to a primordial soup. My methodology is a derivative of Poppers principle of "relative explanatory power". Of two theories the one is selected that explains the most facts by the fewest assumptions. It is at the same time a derivative of Poppers philosophy of historic understanding, which he called "situational logic". It consists of the reconstruction of objective historic problem situations. I may add that in patent law it has been ruled a long time ago that inventions can only be understood as solutions to objective problems, which is the reason for my original excitement about Popper.

Hans Kuhn (1919-1990)


Question 3: Which are the major pillars of your theory?
Answer: The methodology of biochemical retrodiction is the main pillar. It is in essence a methodology of rational theory evolution. By this methodology my theory has greatly evolved over the years. Some of the main features of my theory, which presently I consider to be very important, may be summarized as follows. Life began as an autocatalytic, chemo-autotrophic surface metabolism of low-molecular organic compounds. These were formed first by CO fixation and later by CO2 fixation, in a volcanic setting (CO, CO2, H2S, NH3) on the surfaces of colloidal inorganic precipitates of sulfides of iron, nickel and other transition metals. The surface metabolism was driven by the oxidative conversion of CO to CO2 and by a cascading oxidative conversion of colloidal FeS with the end member FeS2. The primordial metabolism generated organic constituents that became surface bonded in statu mascendi and that were activated for further reaction. The surface metabolism evolved (self-expanded) by the addition of autocatalytic feedback loops. This means that the dynamic analogue information of feedback loops preceded the structural digital information of sequences. In detail, the early evolution of life proceeded notably by self-lipophilization, which later led to cellularization; and by ligand replacement notably by peptides and later by coded proteins, which led to enzymatization. The enzymatization occurred one by one. This means that the pre-enzymatic metabolic pattern was conserved throughout the process of enzymatization and this is the reason why the method of biochemical retrodiction is applicable down to the very origin of life.

Karl Popper (1902-1994)


Question 4: Which are the weak points of the heterotrophic theory of the origin of life?
Answer A: For the following reasons a soup of organic compounds could never have existed. (1) The atmosphere that would have been required for synthesis by discharges never existed. (2) The presumptive organics in comets, meteors or the like could not have survived the melting of the young Earth. (3) An ocean with organics could not have survived the intense percolation through the very hot primordial crust nor could an ocean with organics have survived the very intense volcanism or plate tectonics creating massive sedimentation of volcanic dust.

Question 4.1 Nevertheless, there is a moon in our solar system with an atmosphere quite similar to that used in Miller's experiments and with low temperatures. I am talking about the moon Titan. Do you think that life could have started heterotrophically on this moon.
Answer: I have to apologize. My knowledge about moon Titan is very limited to say the least. For solving the problem of the origin of life we have to solve a large number of problems in a coherent manner. Your question about the moon Titan refers only to a small partial problem. Let us assume that the atmosphere of the moon Titan is as in Millers experiments (H2O, NH3, CH4). Let us further assume that the Miller reactions do go on in this atmosphere. Where does this bring us? Only one question would be answered but none of the other problems of a heterotrophic origin of life would be solved. What is worse, moving from the Earth to moon Titan makes the other questions much more difficult to answer or even unanswerable.
Answer B: More importantly, the notion of a heterotrophic origin is paradoxical: At the moment of cellularization the formation of a closed lipid membrane envelope would have hindered access of hydrophilic or ionic organic nutrients. As a way around this problem it is frequently assumed that the first lipid membranes were instable and leaky and somewhat permeable for low molecular hydrophilic or ionic organic compounds. Since nutrition is undoubtedly the most important requirement of an organism, subsequent evolution of the heterotrophic cellular organisms would have been driven in the direction of more and more leaky lipid membranes, which would have improved nutrition, but countermanded cellular stability. Evolution in the opposite direction of less and less leaky, more and more self-supporting lipid membranes would have improved cellularization, but countermanded nutrition. This means that the cellularization of a heterotrophic organism would have been a self-defeating process and therefore counter-selective, unless jointly with cellularization a variety of membrane units for the membrane transport of the various organic nutrients would have been ushered in, which is improbable. So, no matter how we put it, cellularization of a heterotrophic organism is a nutritional impossibility. An autotrophic origin with CO and/or CO2 as nutrients does not run into this paradox. Evolution toward less and less leakiness would not have hindered nutrition, since a lipid membran is permeable for CO and CO2. Therefore the retaining function of the cell membrane could have been improved by evolution without impairment of nutrition.
Answer C: Another paradox concerns the activation of soup constituents. If they are reactive enough for undergoing the reactions in the origin of life they are not stable in the soup due to hydrolysis (at whatever temperature). If they are stable in the soup they are not reactive for the origin.

Question 5: Which are the main experimental findings supporting your theory?
Answer: The main experimental findings: (1) Formation of H2 from FeS and H2S (Taylor et al. J. inorg. nucl. Chem., 1979; Drobner et al., Nature, 1990 (2) Formation of CH3SH from CO2 by FeS, if it holds (Heinen & Lauwers, Origins of Life, 1995); (3) CO fixation to acetylthioester in the presence of (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser Science, 1997); (4) Pyruvate formation from FeS and CO at high pressure, if it holds (Cody et al, Science, 2000); (5) Nitrogen fixation by FeS (Weigand's group, Angewandte Chemie, 2003); (6) Reductive amination of alpha-keto acids with NH3 on FeS in the absence of carbonate (Huber & Wächtershäuser, Tetrah. Lett., 2003, revising Hafenbradl et al. Tetrah. Lett. 1995); (7) Formation of peptides from amino acids with CO and (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser, Science, 1998); (8) Metabolic peptide cycle with anabolic and katabolic segments through purine-related hydantoin and urea derivatives on (Fe,Ni)S, catalytic for and driven by the conversion of CO to CO2 (Huber et al., Science, 2003).

Question 6: Which is the significance of bacteria with internal pyrite grains? Has any hybrid metabolism been discovered?
Answer: In the days of early over-enthusiasm there was a precipitous report about bacteria with internal pyrite, but it has been retracted.

Question 7: Which is the coupling system proposed to use free energy of sulfide oxidation?
Answer: Oxidative pyrite formation from FeS and H2S is an electron source and energy source. I suggested that the electrons would be available for reduction reactions of the metabolic autotrophic origin of life (Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol., 1988). Coupling would have occurred by electron transfer to generate first Fe3+ with a later conversion to pyrite. Incidentally, the long known formation of pyrite from FeS and elemental sulfur, sometimes observed in microbial culture chambers (Stetter et al. Syst. Appl. Microbiol. 1983; discussed in Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol. 1988), is not an electron source. Recently, and importantly, CO as nutrient and the oxidative conversion of CO to CO2 have assumed center stage. Coupling mechanisms have been suggested in Science 1998 and Science 2003.

Question 8: How do you overcome the Donnan effect? A constant internal and external osmolality could exert an effect against evolution of semicellular organism towards cytoplasmic metabolism, specially, it could stop the emergence of the genetic machinery in this phase. Do you consider the posibility of non coded peptides synthetized during the first phase acting as ionic channels?
Answer: Cellularization must have occurred first by the lipophilization of the mineral (colloidal) surfaces and later by mineral-supported membrane patches and still later by self-supporting membranes with frequent fusions and fissions. As soon as stable membranes arose, concentration gradients were the automatic result, which added another energy source.

Question 9: From your point of view, which is the role of temperature gradients formed in hydrothermal ambients? Could it have been the origin of selforganized processes relevant for the origin of life?
Answer: Micro-organisms are too small to exploit a temperature difference or gradient like a steam engine does. Everything depends on the presence of a chemical potential, and later a chemical gradient across the cell membrane. The chemical potential (non-equilibrium) is generated by fluid quenching from high temperature (e.g. 1500C) to low temperature (e.g. 100C).

Question 10: The L-amino acid excess discovered in many meteorites has moved the biochirality problem towards stellar radiation. Is this finding strong enough to damage irreversibly your theory of bio-homochirality?
Answer: I now favor the view that biochirality is due to feedback cycles on mineral surfaces in the course of the evolution of the metabolism toward macromolecular structures (cf. Wächtershäuser, Microbiol. Rev., 1988).

Louis Pasteur (1822-1888)

Question 11: During recent past years biomarkers have raised strong controversy, specially since McKay's ALH84001 results. Could we deduce some biomarkers from your theory?
Answer: Presently no theory is mature enough to suggest primordial biomarkers that would justify spending very large sums of money. This would be a wild goose chase with totally unpredictable results.

Question 12: Why, until this date, can we not drive any successful assay to create life in the laboratory as we think it is emerging currently? Because you think that currently life is born as pyrite in anoxic way, is it not?
Answer: The recipe for the origin of life is not complete in terms of catalysts. There has not been enough experimental capacity for studying the catalyst systems for an autotrophic origin of life as compared to the hundreds of millions that have been wasted in 60 years of soup experiments by hundreds of groups. Extremely high pressure may be required. There is presently no way to carry out experiments under CO flow conditions at extremely high CO pressures, since CO is highly corrosive and since extremely compressed CO gas is very dangerous.

Question 13: In such case, how is the genetic code conserved? I mean, is P-Ser always associated with same codons at the beginning?
Answer: I would like to rephrase your question as follows: If the origin of life occurred continuously, why is there the astounding unity of biochemistry? Due to the extreme simplicity of the pathways of an autotrophic origin (1+1=2; 2+1=3; 2+2=4 etc.) the number of chemical possibilities at the origin is extremely limited, virtually deterministic. This original unity of chemistry is the basis for the later unity of biology. The next stage after the surface metabolism is the stage of semi-cells that are still dependent on inorganic surfaces. The semi-cells are not stably isolated from each other. They share their endowments notably during the formation of the genetic machinery. The next discernable stage is Otto Kandler's famous pre-cell stage. Pre-cells are independent of a mineral support. They have a self-supporting lipid membrane, but they still undergo a wholesale exchange of genetic endowments during fusion-fission processes within now a greatly enlarged biosphere. This is the basis for the continued unity of life up to and beyond the division into the three domains of life: Bacteria, Archaea and Eukarya (see Wächtershäuser, Molecular Microbiology, 2003, 47, 13-23).

Question 14. So, the universality of the genetic code would be the result of homogenizing processes applied to heterogeneous (diverse) immature genomes, restricted by the unity of the autotrophic biochemistry in multiple origins. It would not be a clue to a single (or common) origin fixed by an historic contingency. Is it not?
Answer: I believe that the extreme simplicity of an autotrophic origin of life forces a chemically deterministic origin, which will be the same in all places and at all times. The synthetic nature of the autotrophic processes is the reason for the increase of complexity in the subsequent evolution. The increasing complexity means an increase of reaction possibilities. The explosion of possibilities occurred with the emergence of the genetic machinery. Let me use a metaphor. Life originated in a narrow canyon of possibilities. At some point this canyon opened into a flat terrain of genetic possibilities. These however are not totally free. They remain somewhat restricted to the nature of the canyon and they remain in the area where it opened into the plane.
Due to the important work by Wong we have to assume that the genetic code emerged in a multi-step process in coevolution with the evolution of the biosynthetic pathways to the amino acids. There is nothing that forces us to assume that this protracted evolution ever led to "heterogeneous (diverse) immature genomes". It might even have been chemically deterministic all along. We simply do not know. All the precipitous statements about "frozen accidents" or "historic contingency" in early evolution are premature and perhaps have the effect of erecting walls against thinking.

Question 15. Therefore, this implies that life in other Earth-like planets as Mars or Europa, if it exists or existed, will be very similar in terms of the genetic machinery. What about the universal nature of the theories of the origin of life? If we think the origin of life is an evolutionary chemical process, we need a universal approach. Do you agree?
Answer: I fully agree. Chemistry is a universal science. The laws of chemistry hold in all places and at all times. They are independent of geography and calendar. They are not historic. This is one of the fascinating difficulties: How did the universal chemical process turn into an historic process?

Question 16.You based your theory of the emergence of the two prokaryotic domains Bacteria and Archaea (Wächtershäuser, Molecular Microbiology, 2003, 47, 13-23) on a lipid incompatibility. Briefly could you explain what lipid incompatibility is?
Answer: When Pasteur crystallized tartaric acid from a solution he noticed that the racemic 50:50 mixture of the tartaric acid separated into two homochiral crystal types, which he separated with pincers under a microscope. Similarly it has been found that a 50:50 racemate of lipids, when converted to a membrane separates into a 50:50 pattern of two types of intermeshed homochiral membrane domains. This occurs by physico-chemical forces alone and deterministically!

Question 17.Is there any group working on experiments you proposed to potentially falsify your lipid membrane evolution theory?
Answer: I do not know of any such group. But the group of Koga in Japan is the best in the field and would be highly competent.

Question 18.Following Kandler's hypothesis is it possible for new domains (other than Bacteria, Archaea or Eukarya) to emerge or have all the possibilities already been explored with the three domains Bacteria, Archaea and Eukary?
Answer: In my reading all possibilities have been explored. The domains Bacteria and Archaea are due to the two lipid enantiomers. There are only two. The question of the Eukarya is a little more difficult to answer. One might ask, if alternative "Eukarya" could have come about by the endosymbiosis of Archaea and pre-cells with a predominance of archaeal lipids. I tend to think that the structure of the archaeal lipids made this impossible, while the structure of the bacterial lipids made it possible.

Question 19.To finalize, from your point of view, which are the most relevant unanswered questions concerning the origin of life?
Answer: The answer depends on the theory you have in mind. In my theory the most pressing question concerns the combination of parameters (temperature, pressure, pH, ionic strength, nutrient types and concentrations as well as composition and history of the catalysts) that would support an autocatalytic carbon fixation process and its subsequent evolution. Once this is explored, the main problems will be analytical.

D.S- Thank you very much. I hope this interview will be the begining of a productive and lovely debate in Huygens and beyond.

G.W- Thank you so much for your interest. Your questions have been very stimulating. It was a pleasure working with you.



A lo largo de un mes el Dr. Günter Wächtershäuser y yo hemos mantenido una entrevista por correspondencia electrónica tratando los principales argumentos sobre la hipótesis autotrófica del origen de la vida. El Dr. Wächtershäuser hace un completísimo repaso desde los orígenes de su teoría hasta los más recientes argumentos sobre el origen de los tres dominios de la vida. Abordamos también cuestiones relevantes para la Astrobiología.

Gunter Wachtershauser

D.S.- Muchas gracias Dr. Wächtershäuser por acceder a contestar mis preguntas. Estoy muy orgulloso y espero que todo marche sobre ruedas. En primer lugar ¿Cuándo comenzó a interesarse por el origen de la vida? ¿Cuáles fueron sus fuentes de inspiración?
G.W- Comencé a interesarme por el origen de la vida durante 1972/3, cuando como abogado de patentes leí un artículo de mi primer profesor de física-química, Profesor Hans Kuhn (RNA en rocas porosas). Fue publicado en "Angewandte chemie". Entonces yo creía de forma ingenua en la teoría de la sopa primigenia y que Kuhn fundamentalmente había resuelto el problema. A principios de 1973 me interesé profundamente por la epistemología de Karl Popper. Tiempo después, en 1982 conocí a Karl Popper en persona. En los años que siguieron a aquel primer encuentro Popper llegó a ser mi más cercano amigo y mi mentor. Mi pensamiento ha estado profundamente influenciado por Popper. De acuerdo con la filosofía del conocimiento de Popper, la evolución cultural, dentro de la que se incluyen los descubrimientos científicos y las invenciones técnicas, procede básicamente de la misma manera que lo hace la evolución biológica: Como una concatenación interminable de problemas e "intentonas" de solución dando lugar a la emergencia de nuevos problemas, y así hacia delante. Me di cuenta de que yendo hacia atrás en esta concatenación llegábamos al origen de la vida como origen de todos los problemas. Entonces comencé a desarrollar una teoría general de la evolución de los problemas, la cual dejé apartada tiempo después. En 1982 William W. Bartley III, pupilo de Popper, me invitó a dar una conferencia en un simposium filosófico en Nueva York. En la conferencia (1983) relacioné el trabajo de Hans Kuhn, desde un punto de vista metodológico, con la epistemología de Karl Popper. Inspirado por los artículos de Bartley y el psicologista Donald Campbell poco después (1983/4) escribí un manuscrito con el título "Luz y vida" en el cual analizaba el origen de la percepción visual y la fotosíntesis. El artículo se publicó en un volumen filosófico (Wächtershauser, G. (1987) Light and life: on the nutrition origins of sensory perception. In: Evolutionary Epistemology, Rationality and the Sociology of Knowledge (Radnitzky, G. & Bartley III, W.W. eds.) pp. 122-138. La Salle: Open Court). Este artículo marca los comienzos de mi metodología de la "retro-dicción bioquímica". En 1982 y 1984 me encontré con Carl Woese, uno de los fundadores de la teoría del mundo de RNA. Fui presentado a Woese por uno de mis colaboradores, George Fox, quien había venido a vernos a Munich y con quien llegué a estar emparentado cuando su padre, que había enviudado, se casó con la madre de mi esposa, también viuda. De Carl Woese aprendí que la teoría de la sopa prebiótica estaba seriamente viciada y que el problema del origen de la vida estaba lejos de estar resuelto, sin embargo, en aquella época no podía ver ninguna alternativa a la teoría de la sopa y por lo tanto permanecí cautivo por ella.

D.S- ¿Cuál fue la metodología empleada en la construcción de su teoría?
G.W- La metodología de la reconstrucción evolutiva, llamada "backward projection" por Fritz Lipman, es utilizada por casi todo el mundo. Consiste en postular relaciones "una a una" entre funciones existentes y funciones precursoras. Esto conduce inevitablemente a una colección creciente de funciones precursoras, ya que no hay mecanismo restrictivo. Esto significa que existiendo agua tenemos un caldo prebiótico con un caos de posibilidades. Fui capaz de superar esta debilidad intrínseca al método de "backward projection" desarrollando una nueva metodología, a la cual llamo "biochemical retrodiction". Esta metodología postula "varias a una" relaciones entre varias funciones existentes dispares y una función común precursora. A partir de aquí varias funciones precursoras y dispares son de nuevo relacionadas con una función precursora todavía más anterior y así hacia atrás. De esta manera, conforme profundizamos se genera un patrón de convergencia global. Así, este método nos conduce a un organismo primordial definido y no a una sopa primordial. Mi metodología es una variante del principio de "capacidad explicativa" de Popper. De entre dos teorías se selecciona aquella que explica el mayor número de hechos con la menor cantidad de asunciones. Es también al mismo tiempo una variante de la filosofía de Popper sobre el conocimiento histórico, la cual él llama "lógica situacional". Consiste en la reconstrucción de situaciones problemáticas históricas y objetivas. Debo añadir que en la ley de patentes se asumió mucho tiempo atrás que las invenciones solamente podían ser entendidas como soluciones a problemas objetivos, lo cual es el motivo de mi entusiasmo inicial por Popper.

Hans Kuhn (1919-1990)


D.S- ¿Cuáles son los principales pilares en los que se sustenta su teoría?
G.W- La metodología de la retrodicción bioquímica es el pilar principal. Es en esencia una metodología de la evolución racional de la teoría. Gracias a esta metodología mi teoría ha evolucionado enormemente a lo largo de los años. Algunas de las principales características de mi teoría, las cuales hoy en día considero muy importantes, pueden ser resumidas como sigue. La vida comenzó como un metabolismo autocatalítico, quimioautotrófico de superficie de compuestos orgánicos de bajo peso molecular. Éstos se formaron en origen mediante la fijación de CO y posteriormente por fijación de CO2 a partir de un acervo volcánico (CO, CO2, H2S, NH3) sobre superficies de precipitados coloidales de sulfuros de hierro, níkel y otros metales de transición. El metabolismo de superficie fue conducido mediante la conversión oxidativa de CO a CO2 y por una cascada de conversión oxidativa de FeS coloidal hasta el FeS2. El metabolismo primordial generó constituyentes orgánicos que llegaron a estar unidos a la superficie en "status nascendi" y activados para llevar a cabo reacciones consecutivas. El metabolismo de superficie evolucionó (auto-expandió) mediante la suma de loops de feedbacks autocatalíticos. Esto significa que la información dinámica de loops de feedback precedió a la información digital estructural de las secuencias. En detalle, la evolución temprana de la vida procedió notablemente mediante autolipolificación, que más tarde condujo a la celularización; y mediante remplazamiento pricipalmente por péptidos y más tarde por proteínas codificadas, lo cual condujo a la enzymatización. La enzymatización ocurrió una a una. Esto significa que el patrón metabólico preenzymático se conservó a través del proceso de enzymatización y esta es la razón de por qué el método de retrodicción es aplicable hasta el mismo origen de la vida.

Karl Popper (1902-1994)


D.S- ¿Cuáles son los puntos débiles de la teoría heterotrófica del origen de la vida?
G.W- Respuesta A: Por las siguientes razones una sopa de compuestos orgánicos nunca podría haber existido. (1) La atmósfera que se habría requerido para la síntesis por descargas nunca existió. (2) Las pruebas de moléculas orgánicas en cometas, meteoritos o similares no habrían podido superar la fusión de la Tierra en sus primeras etapas. (3) Un océano con moléculas orgánicas no podría haber resistido la intensa percolación a través de la caliente corteza primordial ni podría un océano con moléculas orgánicas haber superado el muy intenso vulcanismo o la tectónica de placas creando una sedimentación masiva de polvo volcánico.

D.S- Permítame un breve inciso. Existe una luna en nuestro sistema solar con una atmósfera similar a la utilizada en experimento de Miller y con bajas temperaturas. Estoy hablando de Titán. ¿Cree que este modelo podría ser válido para este satélite saturniano?
G.W- Tengo que disculparme. Mi conocimiento sobre Titán es muy limitado. Para resolver el problema del origen de la vida tenemos que resolver una amplia variedad de problemas de manera coherente. Su cuestión acerca de Titán se refiere únicamente a un problema parcial pequeño. Asumamos que la atmósfera de Titán fuera como la utilizada por Miller en sus experimentos (H2O, NH3, CH4). Asumamos todavía más que las reacciones de Miller tuvieran lugar en esta atmósfera. A dónde nos llevaría esto, sólo una pregunta podría ser contestada, pero ningún otro problema sobre el origen heterotrófico de la vida podría ser resuelto. Lo que es peor, al desplazarnos de la Tierra hasta Titán el resto de preguntas se hacen más difíciles de contestar o incluso imposibles.

Vision artística de la Nave Cassini y la sonda Huygens, con Saturno al fondo.


G.W-Respuesta B: Más importante, la noción de un origen heterotrófico es paradójica: En el momento de la celurarización la formación de una envuelta membranosa podría haber dificultado el acceso de nutrientes hidrofílicos o iónicos. Un camino para superar esta dificultad asume que las primeras membranas eran inestables y agujereadas, permeables de alguna manera para los compuestos iónicos orgánicos o hidrofílicos de bajo peso molecular. Ya que la nutrición es indudablemente el requerimiento más importante para un organismo vivo, la evolución subsiguiente de los organismos celulares heterotróficos podría haber sido conducida en la dirección de membranas lipídicas cada vez más agujereadas, las cuales podrían haber facilitado la nutrición, pero a expensas de la estabilidad celular. La evolución en la dirección opuesta en la que las membranas lipídicas son cada vez menos agujereadas y más auto sostenidas podría haber favorecido la celularización, pero a expensas de la nutrición. Esto significa que la celularización de un organismo heterotrófico podría haber sido un proceso autodestructivo y por lo tanto contra selectivo, a menos que junto con la celularización una variedad de unidades de membrana para el transporte a través de membrana de varios nutrientes orgánicos hubieran sido utilizados, lo cual es improbable. Por lo tanto, no importa el orden en que lo pongamos, la celularización de un organismo heterotrófico es una imposibilidad nutricional. Un origen autotrófico con CO y/o CO2 como nutrientes no caería en esta paradoja. La evolución hacia membranas menos agujereadas no habría dificultado la nutrición ya que una membrana lipídica es permeable para CO y CO2. Por consiguiente, la función de retención de la membrana celular podría haber sido estimulada por la evolución sin impedir la nutrición.
Respuesta C: Otra paradoja atañe la activación de los constituyentes de la sopa. Si son lo suficientemente reactivos para llevar a cabo las reacciones en el origen de la vida no son estables en la sopa debido a reacciones de hidrólisis (a cualquier temperatura). Si son estables en la sopa no son lo suficientemente reactivos para el origen.

D.S- ¿Cuáles son los principales hallazgos experimentales que apoyan su teoría?
G.W- Los principales hallazgos experimentales: (1) Formation of H2 from FeS and H2S (Taylor et al. J. inorg. nucl. Chem., 1979; Drobner et al., Nature, 1990 (2) Formation of CH3SH from CO2 by FeS, if it holds (Heinen & Lauwers, Origins of Life, 1995); (3) CO fixation to acetylthioester in the presence of (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser Science, 1997); (4) Pyruvate formation from FeS and CO at high pressure, if it holds (Cody et al, Science, 2000); (5) Nitrogen fixation by FeS (Weigand's group, Angewandte Chemie, 2003); (6) Reductive amination of alpha-keto acids with NH3 on FeS in the absence of carbonate (Huber & Wächtershäuser, Tetrah. Lett., 2003, revising Hafenbradl et al. Tetrah. Lett. 1995); (7) Formation of peptides from amino acids with CO and (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser, Science, 1998); (8) Metabolic peptide cycle with anabolic and katabolic segments through purine-related hydantoin and urea derivatives on (Fe,Ni)S, catalytic for and driven by the conversion of CO to CO2 (Huber et al., Science, 2003).

D.S- ¿Cuál es la importancia de las bacterias con granos de pirita en su interior? ¿Se ha descubierto algún metabolismo híbrido?
G.W- En los primeros días de euforia hubo un informe precipitado sobre la existencia de bacterias con gránulos de pirita en su interior, pero esto ha sido desmentido.

D.S- ¿Cuál es el sistema de acoplamiento propuesto para utilizar la energía libre de la oxidación de los sulfuros?
G.W- La formación oxidativa de la pirita a partir de FeS y H2S es una fuente de energía y de electrones. Sugerí que los electrones podrían estar disponibles para las reacciones de reducción del origen autotrófico (Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol., 1988). El acoplamiento podría haber ocurrido mediante transferencia de electrones para generar primero Fe3+ con una posterior conversión a pirita. Incidentalmente, la amplia conocida formación de la pirita a partir de FeS y azufre elemental, algunas veces observada en cámaras de cultivo (Stetter et al. Syst. Appl. Microbiol. 1983; discussed in Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol. 1988), no es una fuente de electrones. Recientemente y de manera importante, el CO como nutriente y la conversión oxidativa de CO a CO2 han asumido un papel central. Los mecanismos de acoplamiento se han expuesto en Science 1998 y Science 2003.

D.S- ¿Cómo se supera el efecto Donan? Una osmolaridad constante e igual externa e interna podría ejercer un efecto contra la evolución de los organismos semicelulares hacia el metabolismo citoplasmático, especialmente, podría detener la emergencia de la maquinaria genética en esta fase. ¿Considera la posibilidad de péptidos no codificados genéticamente sintetizados durante la primera fase que actuaran como canales iónicos?
G.W- La Celularización debe haber ocurrido inicialmente por lipofilización de superficies minerales (coloidales), más tarde por parches de membranas soportadas por minerales y posteriormente mediante membranas auto sostenidas con fusiones y fisiones frecuentes. Tan pronto como una membrana estable emerge, los gradientes de concentración son el resultado automático, lo cual añadió otra fuente de energía.

D.S- Según su opinión ¿Cuál es el papel de los gradientes de temperatura formados en los ambientes hidrotermales? ¿Podría haber sido relevante para el origen de la vida la emergencia de procesos autoorganizados a partir de estos gradientes?
G.W- Los Microorganismos son demasiado pequeños para aprovechar una diferencia o un gradiente de temperatura de la forma que lo hace un motor a vapor. Todo depende de la presencia de un potencial químico, y más tarde de un gradiente a través de la membrana celular. El potencial químico (no equilibrio) se genera por enfriamiento del fluido desde las altas temperaturas (1500 AC) hasta las bajas temperaturas (100ºC).

D.S- El exceso de L-aminoácidos descubierto en varios meteoritos ha desplazado el problema de la homoquiralidad biológica hacia la radiación estelar. ¿Es este hallazgo lo suficientemente fuerte para dañar irreversiblemente su teoría de la biohomoquiralidad?
G.W- Actualmente me inclino por la visión de que la biohomoquiralidad se debe a ciclos de feedback sobre superficies minerales en el curso de la evolución del metabolismo hacia la formación de estructuras macromoleculares (cf. Wächtershäuser, Microbiol. Rev., 1988).

Louis Pasteur (1822-1888)


D.S- Durante los últimos años una encendida controversia se ha generado en torno a los biomarcadores, especialmente desde los resultados de McKay y colaboradores sobre ALH84001. ¿Podríamos deducir algunos biomarcadores a partir de su teoría?
G.W- Hoy en día ninguna teoría ha alcanzado el suficiente grado de madurez como para sugerir biomarcadores primordiales que justificaran el gasto de enormes sumas de dinero en su búsqueda. Esto sería como la caza del ganso salvaje, con resultados impredecibles.

D.S- ¿Por qué hasta la fecha no hemos sido capaces de llevar a cabo ningún experimento exitoso en el laboratorio para crear vida tal como pensamos que está emergiendo hoy en día? Porque usted piensa que actualmente la vida está naciendo como lo hace la pirita de forma anóxica. ¿No es así?
G.W- La receta para el origen de la vida no está completa en términos de catalizadores. No ha existido una capacidad experimental suficiente para estudiar el sistema de catalizadores necesario para un origen autotrófico de la vida en comparación con los cientos de millones que han sido invertidos en sesenta años de experimentos con la sopa por parte de cientos de grupos diferentes. Para realizar estos experimentos se requerirían presiones extremadamente elevadas. Hoy en día no hay forma posible de llevar a cabo experimentos de flujo de CO a tales presiones ya que el CO es extremadamente corrosivo y una vez comprimido es muy peligroso.

D.S- En tal caso, ¿Cómo se conserva el código genético? Quiero decir, P-SER está siempre asociada a los mismos codones desde el inicio?
G.W- Me gustaría reformular su pregunta como sigue: Si el origen de la vida ocurre constantemente, ¿por qué esta asombrosa unidad de la bioquímica? Debido a la extrema simplicidad de las rutas de un origen autotrófico (1+1=2; 2+1=3; 2+2=4 etc.) El número de posibilidades químicas en el origen es extremadamente limitado, virtualmente determinista. Esta unidad primordial de la química es la base de la posterior unidad biológica. El siguiente estadío tras el metabolismo de superficie es el estadío de semicélulas que es todavía dependiente de superficies inorgánicas. Las semicélulas no son estables todavía aisladas unas de otras. Comparten sus legados principalmente durante la formación de la maquinaria genética. El siguiente estadío discernible es el famoso estadío precelular de Otto Kandler. Aquí las precélulas se hacen independientes del soporte mineral. Tienen una membrana lipídica auto sostenida, pero todavía sufren un intercambio a gran escala de la dotación genética durante procesos de fusión y fisión en el interior de una biosfera creciente. Esta es la base de la continuidad de la unidad de la vida desde y más allá de la división de la vida en los tres dominios: Bacterias, Arqueas y Eucariotas (ver Wächtershäuser, Molecular Microbiology, 2003, 47, 13-23).

D.S- Por lo tanto, la universalidad del código genético sería el resultado de procesos de homogeneización de genomas heterogéneos (diversos) e inmaduros restringidos por la unidad de la bioquímica autotrófica de múltiples orígenes. No sería entonces una pista de un único (o común) origen fijado por una contingencia histórica. ¿No es así?
G.W- Creo que la extrema simplicidad de un origen autotrófico de la vida determina un origen químico determinista, el cual será el mismo en todo lugar y tiempo. La naturaleza sintética de los procesos autotróficos es la razón para el incremento de complejidad durante la evolución subsiguiente. El incremento de la complejidad significa un incremento de posibilidades de reacción. La explosión de posibilidades ocurrió con el surgimiento de la maquinaria genética. Permítame utilizar una metáfora. La vida se originó en un estrecho cañón de posibilidades. Este cañón se abrió en un terreno llano de posibilidades genéticas en varios puntos. Sin embargo, estos puntos de apertura no son totalmente libres. Permanecen de alguna manera restringidos por la naturaleza del cañón y así quedan en el área donde se abrieron a la llanura.
Debido al importante trabajo desarrollado por Wong tenemos que asumir que el código genético surgió en un proceso multipaso en coevolución con la evolución de las rutas biosintéticas de los aminoácidos. No hay nada que nos lleve a asumir que esta evolución prolongada condujera alguna vez a "genomas heterogéneos (diversos) e inmaduros". Podría haber sido incluso un proceso completamente determinista desde un punto de vista químico. Simplemente no lo sabemos. Todas las afirmaciones precipitadas acerca de "sucesos congelados" o "contingencias históricas" en la evolución temprana son prematuras y quizás tengan el efecto de erigir muros contra el pensamiento.

D.S- Por consiguiente, esto implica que la vida en otros planetas similares a la Tierra como pudieran ser Marte o Europa, si existió alguna vez o existe o existirá, sería muy similar en cuanto a la maquinaria genética. ¿Qué hay sobre la naturaleza universal de las teorías sobre el origen de la vida? Si creemos que el origen de la vida es un proceso evolutivo de la química necesitamos una aproximación universal. ¿Está de acuerdo?
G.W- Estoy completamente de acuerdo. La química es una ciencia universal. Las leyes de la química se mantienen en todo lugar y tiempo. Son independientes de la geografía y el calendario. No son históricas. Esta una de las cuestiones más fascinantes: ¿Cómo el proceso químico universal se convirtió en un proceso histórico?
D.S- Usted ha basado su teoría sobre la emergencia de los dos dominios procarióticos Bacteria y Archaea (Wächtershäuser, Molecular Microbiology, 2003, 47, 13-23) en la incompatibilidad lipídica. ¿Podría explicar brevemente en qué consiste la incompatibilidad lipídica?
G.W- Cuando Pasteur cristalizó ácido tartárico disuelto se dio cuenta de que la mezcla racémica 50:50 del ácido tartárico se separaba en dos tipos de cristales homoquirales, que él separó con pinzas bajo el microscopio. De forma similar se descubrió que una mezcla racémica 50:50 de lípidos, cuando se convertía en una membrana se separaba en un patrón 50:50 de dos tipos de dominios de membrana homoquirales engranados entre sí. ¡Esto ocurre por fuerzas fisicoquímicas únicamente y de forma determinista!

D.S- ¿Existe algún grupo trabajando en los experimentos que usted propone para "falsar" su teoría sobre la evolución de la membrana lipídica?
G.W- No tengo constancia de ello. Pero el grupo de Koga en Japón es el mejor en este campo y estaría altamente cualificado para ello.

D.S- Siguiendo la hipótesis de Kandler ¿es posible la aparición de nuevos dominios (a parte de Bacterias, Arqueas y Eucariotas) o han sido exploradas todas las posibilidades con los tres dominios que conocemos?
G.W- Yo creo que se han explorado todas las posibilidades. Los dominios Arquea y Bacteria se deben a los dos enantiómeros lipídicos. Solo existen dos. La cuestión Eucariota es un poco más difícil de responder. Uno debe preguntarse si una alternativa Eucariota podría haber surgido a partir de la endosimbiosis entre las Arqueas y la población de precélulas con predominio de lípidos arqueanos. Tiendo a imaginar que la estructura de los lípidos arqueanos hizo esto imposible, mientras que la estructura de los lípidos bacterianos lo hizo posible.

D.S- Una última cuestión para ya finalizar, desde su punto de vista ¿cuáles cree que son las cuestiones más candentes por resolver en cuanto al origen de la vida se refiere?
G.W- La respuesta depende de la teoría que tengamos en mente. En cuanto a mi teoría la cuestión más acuciante se refiere a la combinación de parámetros (Temperatura, presión, pH, fuerza iónica, tipos de nutrientes y concentraciones así como la composición e historia de los catalizadores) que podrían haber dado lugar a un proceso autocatalítico de fijación del carbono y su evolución posterior. Una vez esto haya sido explorado, los principales problemas serán analíticos.

D.S- Muchísimas gracias por su amabilidad. Espero que este sea el comienzo de un hermoso y productivo debate en Huygens y más allá.

G.W- Muchas gracias por su interés. Sus preguntas han sido muy estimulantes y ha sido un verdadero placer trabajar con usted.

Boletín Huygens
Nº 45
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