El experimento de Miller y el inicio de la química prebiótica

El 15 de mayo de 1953 la revista Science publicó un breve artículo de un estudiante de doctorado de la Universidad de Chicago. En este texto Stanley L. Miller presentó los primeros resultados de su trabajo con Harold C. Urey sobre la simulación de los procesos químicos que pudieron tener lugar en la Tierra primitiva, antes de la existencia de la vida. La síntesis prebiótica de aminoácidos, y diversos compuestos orgánicos a partir de los gases atmosféricos, se consideraba un paso previo para la aparición de las primeras células. El experimento de Miller, ahora considerado un clásico de la ciencia, contribuyó en forma decisiva a transformar el estudio del origen de la vida en una disciplina científica.

Juli Peretó es profesor de bioquímica y biología molecular de la Universitat de València
Antonio Lazcano es catedrático de origen de la vida de la Universidad Nacional Autónoma de México

Los autores del articulo, Peretó y Lazcano


El estudio científico del origen de la vida, dentro del pensamiento evolucionista, es relativamente reciente. El bioquímico ruso Aleksandr I. Oparin publicó en 1924 un pequeño libro1 que resolvía la tensión que habían generado los experimentos de Louis Pasteur sobre la imposibilidad de la generación espontánea dentro de la teoría darwinista. Si los organismos debían aparecer por causas naturales, según Charles Darwin, y la generación espontánea de microorganismos no es posible, como demostró Pasteur, ¿cómo surgieron las primeras células en la Tierra primitiva?
Oparin propuso que la evolución biológica habría sido precedida de una etapa de evolución química, y que en el planeta primitivo habrían existido las condiciones físicas y los ingredientes químicos necesarios para iniciar la vida. De forma independiente el bioquímico británico John B. S. Haldane propuso en 19292 unas ideas similares e introdujo la idea de una sopa prebiótica formada por los compuestos orgánicos disueltos en los mares como materia prima para la formación de los primeros seres vivos.

Aleksandr Ivanovitch Oparin (1894-1980)

El trabajo de Oparin de 1924 no se publicó en inglés hasta 19673. Entretanto, Oparin había elaborado sus ideas en un texto más documentado y desarrollado de 1936 que apareció publicado en Estados Unidos dos años después4. Las ideas de Oparin fueron bien recibidas entre algunos biólogos, pero lo más importante es que generaron un marco intelectual muy fértil no sólo para la elaboración de hipótesis sino también para diseñar experimentos. Por primera vez se podía plantear un intento riguroso de simulación de condiciones y procesos relevantes para nuestra comprensión del origen de la vida.


Dichos intentos experimentales empezaron después de la segunda guerra mundial, en la década de 1950. En 1951 el grupo de Melvin Calvin en Berkeley publicó los resultados de experimentos de reducción de CO2 usando radiación ionizante5. Este enfoque experimental fue posible tanto por la disponibilidad de carbono marcado (14C), que permitía el seguimiento de los productos, como de buenas fuentes de energía en ciclotrones. Sin embargo, Calvin y sus colaboradores

obtuvieron muy pocos compuestos y de escaso interés biológico. Al mismo tiempo Harold C. Urey, en su estudio del origen de los planetas, consideraba que la atmósfera de la Tierra primitiva debía ser reductora y que dichas condiciones serían relevantes para el origen de la vida, como el mismo Oparin había supuesto.
Stanley L. Miller, después de sus estudios de licenciatura en la Universidad de California en Berkeley, llegó a la Universidad de Chicago a realizar la tesis doctoral en septiembre de 1951. Poco después asistió a un seminario en el que Urey exponía su idea de que la atmósfera de la Tierra primitiva debía parecerse a la de los

2. Portada de Bernal (1951)

John D. Bernal difundió las ideas de Oparin y Haldane en una conferencia dada en 1947, publicada en 1949 en los proceedings of the Physical Society y finalmente en forma de libro en 1951. Este trabajo fue conocido por Urey al tiempo que estaba elaborando y publicando sus ideas sobre la composicion de la atmósfera primitiva.

planetas exteriores del sistema solar: es decir, estaría formada por metano, amoníaco, hidrógeno molecular y vapor de agua. Urey pensaba que, en presencia de las fuentes de energía adecuadas, esta atmósfera sería un medio favorable para las síntesis orgánicas, y que esto era, en principio, susceptible de ensayarse experimentalmente. En un artículo de Urey de 1952 donde desarrolla estas ideas se lee6: "Me parece que sería provechoso realizar experimentos de producción de

Portada de Oparin (1938).
Aleksandr I. Oparin publicó en 1938 la versión en ingles de su libro sobre el origen de la vida aparecido en ruso dos años antes. En esta obra Oparin desarrolla sus ideas sobre la evolucion química y un origen de la vida a partir de los materiales orgánicos abióticos acumulados en la Tierra primitiva.

compuestos orgánicos a partir de agua y metano en presencia de luz ultravioleta con una distribución espectral similar a la del Sol. También valdría la pena probar los efectos de las descargas eléctricas sobre las reacciones ya que es razonable suponer la existencia de tormentas eléctricas en la atmósfera reductora". Miller visitó a Urey en septiembre de 1952 y le pidió trabajar en la simulación de las síntesis abióticas que él había propuesto en su conferencia. A pesar de las reticiencias iniciales de Urey, Miller consiguió convencerle de que lo intentaría por unos meses con el compromiso de cambiar de tema si fracasaba. Urey le pidió que leyese su artículo reciente sobre composición de atmósferas, el libro de Oparin, que Urey consideraba que era el trabajo más relevante publicado sobre ese tema, y un texto de bioquímica.

3 Portada de Urey (1952).


Tras algunos preparativos, decidieron usar las descargas eléctricas como fuente de energía. Miller diseñó el aparato de vidrio que ahora es mundialmente famoso y se dispuso a hacerlo funcionar. En sólo una noche obtuvo resultados positivos. En pocas semanas repitió el experimento, analizó los productos y preparó un manuscrito para la revista Science en el cual Urey, en un gesto de generosidad extraordinaria, renunció a figurar como coautor. La tardanza en la respuesta de

Science estuvo a punto de hacer que Urey enviara los resultados a otra revista7. Pero, finalmente, el 15 de mayo de 1953 se publicó el artículo que inauguraba la química prebiótica como un nuevo enfoque experimental del estudio científico del origen de la vida. Ese mismo año James Watson y Francis Crick publicaron su modelo de la doble hélice del DNA y, pocos años más tarde, los dos campos, la química prebiótica y la biología molecular, convergieron gracias a los trabajos de Joan Oró. Su aportación más notable fue la síntesis de adenina (un componente universal de los ácidos nucleicos DNA y RNA) a partir de ácido cianhídrico (un compuesto relativamente abundante en el universo) realizada a finales de 19598.


Después de cincuenta años de estudio sabemos que quizás las condiciones postuladas por Urey no sean las más representativas de la atmósfera primitiva, aunque las simulaciones de Miller nos suministran un buen modelo de síntesis orgánica en los cuerpos parentales de los meteoritos. Por otra parte, el laboratorio de Miller no ha cesado de aportar datos que apoyan la idea de que en la Tierra primitiva abundaban los compuestos orgánicos. Uno de los más recientes es la observación de que se obtienen buenos rendimientos de síntesis orgánicas en atmósferas de CO bombardeadas con protones, simulando la radiación cósmica9. En definitiva, Miller no sólo inició la química prebiótica con un experimento de gran impacto intelectual, que se ha convertido en un clásico de la ciencia, sino que con su trabajo ininterrumpido ha contribuido a su desarrollo de forma extraordinaria a lo largo de cinco décadas.

James Watson y Francis Crick

 

1 Oparin, A.I. (1924) Proiskhodenie Zhizni. Mockba: Moscovksii Rabotchii. Traducción inglesa en: Deamer, D., Fleischaker, G. Origins of Life: the Central Concepts. Boston: Jones and Bartlett, 1994.
2 Haldane, J.B.S. (1929) The origin of life. Rationalist Annual. Traducción inglesa en: Deamer y Fleischaker (1994) op. cit.
3 Tanto el texto de Oparin (1924) traducido al inglés como el de Haldane (1929) fueron incluidos por el cristalógrafo John D. Bernal como anexos de su libro The Origin of Life. The Weidenfeld and Nicolson Natural History, R. Carrington, ed. Londres: Readers Union, 1967.
4 Oparin, A. I. (1936) The Origin of Life. Traducción inglesa de S. Morgulis, New York: Macmillan, 1938
5 Garrison, W.M., Morrison, D.C., Hamilton, J.G., Benson, A.A. y Calvin, M. (1951) "Reduction of carbon dioxide in aqueous solutions by ionizing radiation" Science 114, 416-418.
6 Urey, H. C. (1952) "On the early chemical history of the Earth and the origin of life" Proc. Natl. Acad. Sci. USA 38, 351-363.
7 Bada, J.L. y Lazcano, A. (2003) "Prebiotic soup. Revisiting the Miller experiment" Science 300, 745-746.
8 Oró, J. (1960) "Synthesis of adenine from ammonium cyanide" Biochem. Biophys. Res. Comm. 2, 407-412.
9 Miyaka, S., Yamanashi, H., Kobayashi, K., Cleaves, H.J. y Miller, S.L. (2002) "Prebiotic synthesis from CO atmospheres: implications for the origins of life" Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 14628-14631.

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Boletín Huygens
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