¿Cómo se formaron los átomos de carbono en patrones complejos para comenzar a crear moléculas complejas?

Answer 1

Su pregunta principal es bastante fácil de responder, pero en el contexto de los detalles de su pregunta, esta es una de las grandes preguntas sin respuesta de la ciencia. Probablemente nunca lo sabremos con seguridad, pero definitivamente hay algunos aspectos de estas grandes preguntas en las que la química básica y la bioquímica pueden ayudarnos. Mi bioquímica está bastante oxidada, así que espero no cometer errores, pero los fundamentos serán correctos para los propósitos de esta pregunta.

Y en términos de su pregunta “¿Cómo se animó a esas primeras moléculas de proteínas a formarse y replicarse?”, Espero que vea que no fue necesario ningún estímulo más allá de las circunstancias naturales que existían en la Tierra prehistórica.

¿Cómo se formaron los átomos de carbono en patrones complejos para comenzar a crear moléculas complejas?

Esta es la química bastante elemental. Aunque hablamos de la vida “basada en el carbono”, es importante tener en cuenta que estamos hablando de compuestos de elementos múltiples que tienen al carbono como su columna vertebral. Para entender realmente esto, tienes que mirar la noción de valencia.

Probablemente sepa que un átomo es un núcleo de neutrones (sin carga) y protones (positivos) rodeados por electrones en órbita (negativos). El número de protones y electrones es igual (excepto en los iones, que son átomos cargados positiva o negativamente o grupos de átomos que buscan ganar o perder un electrón). El número de protones (y, por lo tanto, los electrones) es el número periódico del elemento, por lo que el hidrógeno (H, número 1) tiene un electrón, el helio (He, número 2) tiene dos electrones, y así sucesivamente. El carbono (C) es el número 6 y el oxígeno (O) es 8.

Ahora estos electrones están dispuestos en capas alrededor del núcleo. La capa interna está “llena” cuando tiene dos electrones, y otros electrones se llenarán en la siguiente capa. La segunda capa está “llena” cuando tiene ocho electrones (y así sucesivamente). Por el bien de esta respuesta, no necesitamos ver los shells subsiguientes. Si la capa exterior de un átomo está llena, es un gas noble no reactivo (como el helio, que llena la primera capa con sus dos electrones, o Neon, que tiene diez electrones y, por lo tanto, tiene ambas capas llenas). Pero si el átomo no tiene su capa externa llena, será altamente reactivo, “necesitará” prestar o pedir prestado electrones a través de un “enlace covalente”. La cantidad de electrones que busca prestar o prestar se llama valencia. Un enlace covalente es el enlace químico estándar; una línea entre dos átomos dibujada en un diagrama químico, y siempre representa dos electrones, uno de cada átomo.

¿Cómo es esto relevante? Bueno, Carbon, como elemento número seis, tiene una capa interna completa de dos electrones, más una cubierta externa media completa, lo que le otorga una valencia de 4, que es una valencia tan grande como la que puede obtener para un elemento tan abundante y ligero. Esto conduce a algunas posibilidades bastante complicadas cuando el carbono se une covalentemente a otros elementos. Puede conducir a enlaces simples, enlaces dobles, incluso enlaces triples, moléculas hexagonales, cuadradas o pentagonales, y cadenas muy largas (polímeros). Si estudias química orgánica, comenzarás con hidrocarburos, que son solo cadenas de átomos de carbono con todos los electrones de valencia de repuesto compartidos con los átomos de hidrógeno.

El metano es el hidrocarburo más simple (uno de carbono y cuatro hidrógenos). (Fuente de la imagen: http://en.wikipedia.org/wiki/Val…)

Más información sobre cubiertas externas: http://en.wikipedia.org/wiki/Ele…

Mira los siguientes hidrocarburos simples. En cada caso, verá que hay un enlace (par de electrones) para cada hidrógeno, lo que le da una capa externa completa de dos y cuatro enlaces a cada carbono (con dos enlaces dobles que cuentan), lo que le da 4 + 4 = 8 electrones en su capa externa (o alternativamente, 4-4 = 0, en cuyo caso miramos la siguiente capa hacia abajo, que todavía tiene dos electrones, por lo que está lleno). Cada uno de estos compuestos es estable.
(Fuente de la imagen: Enciclopedia Británica)

Entonces, dondequiera que haya un suministro abundante de carbono junto con el hidrógeno, y cierto grado de calor, presión, movimiento o carga eléctrica, encontrará hidrocarburos formándose, y cuanto más de estos efectos, más complejos son los hidrocarburos. Agregue un poco de oxígeno, fósforo y nitrógeno, y tendrá la base para la mayoría de las moléculas orgánicas que se encuentran en la vida en la Tierra.

Enlaces de hidrógeno

Otro punto antes de ir más lejos. Mencioné que los átomos de hidrógeno comparten su único electrón en un enlace covalente. Esto significa que la mayor parte de su carga negativa está sesgada hacia el “interior” de la molécula, donde está el enlace, mientras que el protón que forma el núcleo del átomo de hidrógeno está apuntando hacia afuera. Esto crea un área localizada de carga positiva en la superficie de la molécula. De manera similar, como el oxígeno (número 8) tiene 8-2 = 6 electrones de valencia, busca compartir dos de sus electrones en enlaces, mientras que los cuatro restantes no se comparten, sino que forman dos pares en el lado del átomo apuntado De los bonos. Así que el átomo de oxígeno forma un área localizada de carga negativa.

Esto significa que cuando un átomo de hidrógeno en una molécula se acerca a un átomo de oxígeno en otra molécula, existe una atracción que se llama enlace de hidrógeno. Este no es un enlace químico sino un enlace físico creado por la atracción electromagnética. Es un poco como la forma en que un globo se adhiere a ti si lo frotas en un jersey de lana: el globo no está unido químicamente a ti, solo es atraído por un desequilibrio de electrones.

La unión de hidrógeno es el fenómeno que explica la humedad del agua (que, como H2O, es todos los polos positivos y negativos) y muchos otros fenómenos. Es de importancia crítica en bioquímica.

¿Cómo pasó de las conexiones de carbono aleatorias a las que tenían “sentido”?

Es difícil decir cuándo las moléculas comienzan a “tener sentido”, ya que esto es algo que imponemos subjetivamente sobre las aglomeraciones químicas complejas que llamamos vida. Pero creo que el mejor lugar para comenzar es la formación espontánea de ácidos nucleicos y aminoácidos.

En el famoso experimento de Miller-Urey de 1953, Stanley Miller y Harold Urey mezclaron agua, metano, amoníaco e hidrógeno (todo lo que podríamos esperar encontrar en el planeta Tierra primordial) en un simple conjunto de matraces, aplicando calor, frío y electricidad. para simular descargas volcánicas (como en los respiraderos térmicos en el fondo del océano), rayos y así sucesivamente. En dos semanas, el 10-15% del carbono en el sistema tenía compuestos orgánicos formados, incluidos todos los aminoácidos utilizados actualmente por la vida, y azúcares como la ribosa (un componente del ácido ribonucleico y el ácido desoxirribonucleico, ARN y ADN).

(Fuente de la imagen: http://people.chem.duke.edu/~jds…)

Las versiones posteriores de este experimento han agregado sustancias químicas simples que tenemos buenas razones para creer que existían en la Tierra primitiva, como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono. Estos experimentos demostraron la formación espontánea de ácidos nucleicos como la adenina.

Esto demuestra que, dadas las condiciones y elementos naturales correctos, los compuestos orgánicos complejos pueden formarse y acumularse naturalmente a partir de compuestos más simples.

Para más información: Wikipedia: experimento de Miller-Urey.

Moléculas autorreproductoras.

Cada molécula tiene propiedades diferentes, y cambiar un solo átomo puede cambiar sutil o dramáticamente las propiedades de un compuesto. Los ácidos nucleicos tienen un par de propiedades que son particularmente notables desde nuestra perspectiva, pero cuando realmente estudias la química, son inevitables. Una de estas propiedades es la reproducción. Ahora vamos a utilizar parte de la teoría química anterior para explicar aproximadamente cómo se reproducen los polímeros de ácido nucleico.

Primero, este diagrama muestra la estructura química de una sola hebra de ADN. Hay cuatro nucleótidos en este diagrama, con el átomo de oxígeno en la parte inferior de cada uno (extremo 3-prime) unido covalentemente al grupo Fosfato en la parte superior del siguiente (extremo 5-prime). Notará que las estructuras ‘colgantes’ de la derecha son todas diferentes, ya que este diagrama ilustra los cuatro nucleótidos de ácido nucleico diferentes utilizados en toda la vida en la Tierra hoy en día: citosina, guanina, adenina y tirosina (representada como C, G, A y T). (Fuente de la imagen: http://www.chem.ucla.edu/harding …) Debido a la naturaleza de la química orgánica, se supone que el lector sabrá que cualquier “esquina” en este diagrama es un átomo de carbono, y es asumiendo que usted será capaz de averiguar dónde están los átomos de hidrógeno – solo se dibujan las “excepciones”.

Coloque dos longitudes de ADN de una sola hebra y sucederá algo maravilloso: debido a los enlaces de hidrógeno, las diferentes subunidades comienzan a unirse.

Como en el diagrama anterior (por Madprime, de Wikipedia), puede ver cómo las subunidades de guanina se adhieren a la citosina (y viceversa ), y la adenina se adhiere a la tirosina (y viceversa ). Las líneas punteadas son enlaces de hidrógeno. Esto significa que las hebras son complementarias, y de una se puede deducir cómo debería verse la otra mitad.

Ahora, ¿qué sucede si se rompen los enlaces de hidrógeno y se rompe parte de la doble hélice en dos cadenas individuales? Lo que sucede es que cualquier ión de nucleótido libre en la solución (el líquido que rodea la cadena) se adherirá a sus bases de nucleótido complementarias, de modo que una copia de la cadena separada comenzará a formarse espontáneamente. Como estas bases de nucleótidos libres tienen extremos no unidos de 5 y 3 primos que buscan un átomo para unirse covalentemente, se unirán químicamente, pegando la única hebra. Donde una vez tuviste una copia de la doble hélice de ADN, pronto tendrás dos copias idénticas (salvo “mutaciones” aleatorias).

Así que el misterio de la reproducción no es realmente un misterio. ¡El misterio es cómo se formó la primera horquilla de escisión!

Ahora llegamos a tu siguiente pregunta:

¿Hubo alguna forma de selección natural incluso a este nivel atómico / molecular?

Tan pronto como tenga una doble hélice de ácido nucleico que a veces forma horquillas de escisión, tendrá reproducción. Y siempre que haya ‘errores’ ocasionales y que algunas de estas formas sean destruidas (‘muerte’), entonces usted tiene la base de la selección natural.

Es tentador pensar en la evolución / selección natural como una gran fuerza divina que impregna la vida compleja, pero en realidad es la observación banal y obvia de que los fragmentos de cosas que se reproducen más se vuelven más comunes y los que mueren antes. La reproducción ya no existe. Entonces, la información contenida en el ADN y el ARN es realmente solo un registro de lo que se ha reproducido con éxito en el pasado.

Una de las otras características de los ácidos nucleicos es que en algunas estructuras y combinaciones causan que los aminoácidos circundantes se conviertan en secuencias (proteínas) que realizan un rango de funciones prácticamente ilimitado, entre otras cosas activando o regulando las horquillas de escisión. (Estoy saltando algunos pasos aquí por brevedad y porque mi bioquímica está muy oxidada!)

Ahora, aquí quiero admitir que las increíblemente complejas combinaciones de ARN, ADN y proteínas que observamos en los seres vivos de hoy en día son mucho más sofisticadas de lo que nuestra intuición nos dice que debemos desarrollar al azar. Es por esto que los creacionistas a menudo se enfocan en la abiogénesis; Como no tenemos una teoría definida de cómo sucedió, y como la vida tal como la conocemos hoy en día es muy complicada, los creacionistas de “diseño inteligente” argumentan que la evolución puede observarse a corto plazo, pero Dios debe haber creado la primera vida. . Ciertamente tienen derecho a mantener ese punto de vista si lo desean, aunque me parece que no hace que todo sea más fácil de entender.

Sin querer crear un gran debate, explicaré por qué personalmente no encuentro que esta complejidad sea tan imposible de creer como algunas personas lo creen.

Una vez que los ácidos nucleicos fueran razonablemente abundantes en la tierra prehistórica, las cadenas habrían comenzado a multiplicarse y la selección natural rudimentaria habría creado combinaciones cada vez más “exitosas”, con mutaciones que se acumularían con el tiempo. De vez en cuando, algún ADN o ARN autorreplicante se habría atrapado en burbujas de fosfolípidos, formando una proto-célula (discutido en mi respuesta a ¿Cómo supo la primera célula cómo dividirse?). Todo esto habría estado sucediendo en innumerables lugares en las costas, alrededor de los respiraderos térmicos en el fondo del océano y así sucesivamente, de manera completamente espontánea y sin ninguna necesidad de orientación e intervención, a través de la química simple. Esto es mucha materia, dado que hay 6.023 x 10 ^ 23 (602,300,000,000,000,000,000,000) átomos en solo 12 gramos de carbono (la constante de Avagradro). Y habrían estado chocando entre sí, reaccionando y formando vínculos, cada segundo de cada día.

Muchos miles de millones de tales moléculas de ADN se habrían reproducido en paralelo en todo el mundo, y algunas veces intercambiarían material genético (vea las partes anteriores de mi respuesta a esta pregunta sobre el desarrollo de la reproducción sexual). Dado que tenemos evidencia de vida celular desde hace 3.500 millones de años, esto significa que se necesitaron un MILLÓN de años incluso para que se desarrollen las primeras células “adecuadas”. Mientras que experimentos como el experimento de Miller-Urey crearon los bloques de construcción de la vida dentro de una quincena, pero no crearon la vida misma, el planeta Tierra tenía mucho más tiempo para jugar. No solo diez veces más largo, sino diez órdenes de magnitud. ¡Hay 25,000,000,000 quincenas en un billón de años!

Así que me parece que el desarrollo de moléculas complejas que se reproducen a partir de carbono y otros elementos simples no solo era creíble, sino que era casi inevitable dado el tipo de espacio, tiempo, recursos materiales y efectos físicos presentes en la tierra prehistórica, sin necesidad de orientación. o aliento.

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Ahora admito que esta ha sido una respuesta muy larga, pero esta es una gran pregunta. Mi mejor comprensión de cómo la vida evolutiva y compleja se desarrolló a partir del carbono y otros elementos simples implica mucha química y muchos pasos, como puede ver, y cualquier respuesta más corta hubiera dejado huecos que podrían haber sido difíciles de seguir sin una base en bioquimica. Espero que esta respuesta haya sido de alguna manera para responder a su pregunta, ¡y no causó que sus ojos se queden vidriosos!

¡Gracias a Daniel Super por el A2A, y pido disculpas por adelantado a cualquier químico que lea esto por cualquier error que pueda haber cometido!

Answer 2

La respuesta simple es, “nadie sabe”. Ninguno de los primeros sistemas de replicación todavía está en uso. Todos ellos han sido suplantados por sistemas superiores. Como los polímeros de ácido nucleico.

Podría haber habido un sistema de plantillas orgánico-inorgánico, que involucra moléculas orgánicas que atraen partículas de arcilla con carga opuesta, que podrían solidificarse para formar una plantilla para atraer moléculas orgánicas con carga similar para formar un análogo a la molécula orgánica original. Como puede imaginar, tal sistema probablemente generaría replicantes no idénticos. Y una vez que apareció un sistema mejor, el sistema antiguo no podía competir.

Dudo mucho que el sistema actual de ADN, histonas, ribosomas, transcripción y replicación haya sido el primer sistema que se usó. Sería como tener una imprenta antes de desarrollar la escritura.

Las conexiones aleatorias de carbono se forman espontáneamente. Los radicales libres y la radiación ultravioleta rompen las moléculas y se reforman en diferentes configuraciones. Los grupos moleculares se oxidan y reducen en función de la química ambiental. Las moléculas con carga negativa se asocian espontáneamente con moléculas de carga positiva. Y las moléculas oxidadas (con pocos electrones sueltos) reaccionan espontáneamente con moléculas reducidas (con electrones extra sueltos).

Con respecto a esto último, los ácidos carboxílicos reaccionan con las aminas primarias (una condensación por deshidratación), que es fácilmente reversible en presencia de agua, calor y / o álcalis. Cuando tienes aminoácidos, el grupo ácido carboxílico pobre en electrones se “equilibra” con el grupo amino rico en electrones. Además, tiene polimerización (polimerización por condensación por deshidratación), que es reversible.

Para mí tiene sentido que la vida primitiva (los organismos parecidos a bacterias unicelulares) evolucionara en las cordilleras en medio del océano, donde los elementos terrestres se arrojaban por los respiraderos térmicos y había muchos aspectos negativos para explotar. Gradientes químicos. Gradientes térmicos. gradientes de pH. Cualquiera de estos es suficiente para sustentar la vida moderna. Y todos estos están presentes en los crecientes límites de la placa de la corteza.

Emanuel Revici creía que la vida evolucionaba en el lodo terrestre, porque los elementos de los perfiles de vida y lodo eran similares. Estaba convencido de que la vida no evolucionaba en el océano porque los elementos de las células eran totalmente diferentes que el perfil del elemento de los océanos, por lo que tenían que ser lodos terrestres. Pero él no sabía acerca de las crestas en medio del océano, cuyas rejillas de ventilación tienen el perfil elemental de la corteza y no el agua de mar.

La vida es, en su nivel más simple, un sistema anti-entropía. La vida crea orden (anti-entropía) en un compartimento local a costa de una mayor entropía en el compartimiento circundante. Tal definición puede abarcar muchos sistemas hipotéticos que tal vez no reconozcamos como vida en la Tierra, pero sería reconocida como vida si la encontrásemos en una luna de Saturno.

Comencé esta respuesta larga diciendo que nadie lo sabe. Cuando la vida evolucionó por primera vez, probablemente fue marginal debido a los extremos de la radiación ultravioleta, el constante bombardeo de asteroides que involucró energías del tamaño de un arma nuclear, terremotos masivos y frecuentes, temperaturas extremas, cambios bruscos de disponibilidad de elementos químicos. Es un escenario bastante hostil. Incluso si alguien encuentra una forma razonable en la que la vida podría haber evolucionado, no podemos verificar el registro fósil para verificar que la química propuesta tuvo lugar tal como se propuso.

Sin embargo, hay entretenimiento en la especulación.

Answer 3

Por lo que sé, esta pregunta está siendo trabajada por mucha gente muy inteligente. Todas las respuestas no están todavía.

Me parece que dado un laboratorio lo suficientemente grande y suficiente tiempo, estas combinaciones de moléculas se unirán espontáneamente. No se requiere “aliento”. Si el laboratorio es un planeta entero, y el tiempo es aproximadamente mil millones de años, la vida puede muy bien ser inevitable. La cosa es que, nadie sabe a ciencia cierta. Todavia

Si y cuando se detecte vida en otra parte de nuestra galaxia, tendremos una mejor comprensión de las probabilidades, si nada más.

Answer 4

Organización fomentada por la disipación de energía: http://www.businessinsider.com/g …

Una teoría nueva y muy interesante detrás de los orígenes de la vida y la organización general en el universo.