domingo, 22 de mayo de 2016

Los experimentos más bellos de la Biología 3. Cuando la Biología juega a la ciencia ficción: el experimento de Miller y Urey


En Física y Matemáticas el concepto de singularidad está relacionado con circunstancias poco habituales, en las que no pueden aplicarse directamente las leyes ordinarias, que funcionan en el resto de los casos. Los ejemplos más conocidos de singularidad física son el Big Bang o los agujeros negros.

En Biogía también hay singularidades, aunque sean de menor escala que las físicas. Así, cada vez que se explica la teoría celular y uno se permite la pedantería de rematar con el latinajo ese de Virchow, el de "Omnia cellulla ex cellulla", es inevitable que alguien pregunte aquello de... ¿Y la primera célula? ¿De dónde venía?

Sí, claro, la aparición de la primera célula es una singularidad biológica, porque es evidente que la Teoría Celular no puede aplicarse antes de que haya células... Del mismo modo, yendo un poco más atrás, hay otra discontinuidad parecida: la aparición de las primeras moléculas orgánicas.

Definimos la materia orgánica como aquella que forma parte exclusivamente de los seres vivos, y que ha sido producida por ellos. Así que, si son necesarios los organismos para producir materia orgánica ¿cómo se formaron los primeros compuestos orgánicos? De nuevo una singularidad.

Algo curioso de las singularidades es la fuerza con la que atraen nuestra atención, posiblemente porque permiten que especulemos, que dejemos volar nuestra imaginación casi con total libertad, precisamente porque las soluciones a los problemas que plantean no están limitadas por las leyes ordinarias. Entre los científicos también ocurre lo mismo, y no faltan los ejemplos de teorías especulativas que tratan de explicar estos eventos especiales.

Pero lo que distingue a la ciencia de la literatura especulativa es la obligación de comprobar las conclusiones a las que llega, y ahí es donde se sitúa el experimento de Miller y Urey.

El problema de partida

El experimento de Miller y Urey se enmarca dentro de la resolución de uno de los grandes problemas de la Biología de todos los tiempos: ¿cómo se originó la vida? Hasta el siglo XIX habían predominado las ideas que defendían la generación espontánea, la posibilidad de que la vida surgiera de la materia orgánica prácticamente en cualquier momento o lugar. Pasteur, con uno de los más bellos experimentos de la Biología, consiguió desterrar definitivamente esta idea.

Paradójicamente, los experimentos de Pasteur dejaron a la Biología huérfana de una explicación plausible para este problema.  Se desarrollaron entonces teorías que proponían la "continuidad de la vida": puesto que los seres vivos no podían desarrollarse a partir de materia inerte, la vida debía haber existido siempre. Esa era, por ejemplo, la opinión de lord Kelvin, el famoso físico que da nombre a la escala absoluta de temperatura (y que, dicho sea de paso, tuvo menos suerte con sus opiniones en otros campos como la edad de la Tierra). Pero el defensor más importante de las teorías que proponían la continuidad de la vida fue Arrhenius, el químico sueco que, además de explicar los conceptos de ácido y base fue también el autor de la teoría de la panspermia.

En pocas palabras, la teoría de la panspermia sugiere que el espacio interestelar está ocupado por seres vivos microscópicos que se van moviendo a su través a gran velocidad empujados por la "presión de los rayos solares". Arrhenius calculó, incluso, el tiempo que tardarían las esporas bacterianas en viajar entre diferentes cuerpos astronómicos: catorce años para abandonar nuestro sistema solar y nueve mil para alcanzar el sistema estelar más cercano a nosotros, Próxima Centauri...

Desde nuestro punto de vista la idea puede parecernos bastante naif, pero resulta de un éxito sorprendente: una versión modificada de la misma, que incluye bacterias liofilizadas para soportar las condiciones del vacío espacial y civilizaciones extraterrestres dedicadas a "sembrar" el Universo con muestras de vida, la panspermia dirigida, fue firmemente defendida en la segunda mitad del siglo XX por un tal F.H. Crick (sí, ese Crick, el de Watson y Crick, el del ADN...). Sin embargo los hechos son tozudos, y todos los intentos de buscar restos de seres vivos en meteoritos caídos sobre nuestro planeta han ido fracasando hasta el momento. Quién sabe si el próximo...

No todo el mundo científico era partidario de la continuidad de la vida. Darwin, por ejemplo, escribió a Wallace (el menos conocido coautor de la teoría de la Evolución, cuyas ideas fueron virando hacia el espiritismo), que la vida debió aparecer "en algún momento, de algún modo", pero que lo que sucedió seguía siendo un misterio.

Haeckel, uno de los biólogos más importantes del siglo XIX, precursor de la Embriología y de la Ecología, defendió que el hecho de que en la actualidad no sea posible observar la autogeneración, es decir, la formación de materia orgánica a partir de materia inorgánica, no significa que este proceso no fuera posible en un pasado remoto, en condiciones diferentes a las actuales. Sugería que los primeros organismos surgidos de la materia orgánica debieron ser "nódulos homogéneos, desestructurados (amorfos), de proteínas" formados a partir de la interacción de sustancias disueltas en el mar primitivo, aunque sin explicar el modo en que tal evolución pudo tener lugar.

Otro biólogo alemán, Pflüger, propuso que la materia orgánica estaba formada, a su vez, por "proteínas muertas", por ejemplo la albúmina y "proteínas vivas", que él creía encontrar en lo que llamaba "proteína protoplásmica". La proteína viva y la muerta tenían, en opinión de Pflüger, distintas propiedades debidas a su diferente composición. Para este investigador la proteína viva se caracterizaba por contener cianógeno (CN), compuesto ausente en la proteína muerta.

Pflüger relacionaba esta supuesta composición química de las proteínas vivas con el primer gran logro de la incipiente química orgánica, la síntesis de urea a partir de ese mismo cianógeno lograda por Whöler. Con esto, fue el primero en proponer un posible origen de la materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas, relacionando la capacidad de transformación de la primera con su gran contenido de energía. Además, Pflüger también fue el primero en señalar que "el dióxido de carbono no es el principio, sino el final de la vida".

En 1929 J.B.S. Haldane especuló más o menos libremente sobre la posibilidad de un origen abiótico de la vida en nuestro planeta, partiendo de una posible composición de la atmósfera primitiva, muy distinta de la actual. Una atmósfera sin oxígeno, con grandes cantidades de dióxido de carbono que en la actualidad se encontrarían formando parte de las rocas carbonatadas, como la caliza o la dolomía, y de los organismos vivos, y en la que se estaría formando constantemente amoniaco por las reacciones del agua con los compuestos metálicos del nitrógeno. En esas condiciones, y bajo la acción de la luz ultravioleta, no absorbida por el ozono, se habrían podido formar múltiples tipos de compuestos orgánicos como azúcares y aminoácidos a partir de los cuales habrían evolucionado moléculas de gran tamaño, "alimentándose" de la gran cantidad y variedad de compuestos orgánicos de pequeño tamaño, concentrados en el agua hasta que el mar primitivo adquiriera la consistencia de una "sopa diluida".


Más adelante, en 1938, Aleksander Oparin propuso una teoría más completa y coherente, que sería el marco de referencia para explicar el origen de la vida durante muchos años. La teoría de Oparin se inscribe en el modelo que actualmente llamaríamos "mundo de proteínas". La idea básica de este modelo es que primero aparecieron las proteínas, las moléculas capaces de funcionar, y más adelante surgieron los ácidos nucleicos, que almacenan la información. La controversia entre "mundo de proteínas" y "mundo de ARN" es una especie de dilema entre huevo y gallina que la Biología mantiene desde hace tiempo como entretenimiento para duelos florales. En aquella época, en la que se descubrían casi a diario nuevas propiedades de las proteínas y aún se sabía muy poco de las características de los ácidos nucleicos, ganaban claramente las primeras.

Basándose en los experimentos de Staudinger, quien había estudiado la polimerización espontánea de moléculas de bajo peso molecuar, Oparin propuso que el primer paso en la evolución hacia la vida debió ser la síntesis química de los aminoácidos, que estos posteriormente se unirían entre sí para formar proteínas y que estas proteínas se irían acumulando, a lo largo de grandes periodos de tiempo, en los mares y océanos, diversificándose y aumentando su concentración hasta dar lugar a un coloide.

Nuestra experiencia con los coloides es mayor que el conocimiento que tenemos sobre ellos. Decir que el citoplasma de nuestras células es un coloide nos dice bastante poco, porque nadie ha manipulado directamente el interior celular, pero compararlos con el gel de baño (de hecho los geles son uno de los tipos de coloides que existen), con las natillas o con la gelatina nos da una información más significativa.

Si en una disolución verdadera el soluto y el disolvente tienen tamaños similares, en un coloide la fase dispersa (el equivalente del soluto) está formada por partículas de tamaño considerable, como las proteínas. Esta característica les proporciona propiedades diferentes a las de las disoluciones verdaderas, dependientes del tamaño de las partículas que los forman.

Oparin supuso que, como resultado de descargas eléctricas, las partículas coloidales pudieron ir agregándose en estructuras de mayor complejidad llamadas coacervados, consistentes en grupos de partículas coloidales rodeadas por moléculas de agua.

Hay dos propiedades de los coacervados que le parecieron a Oparin de particular interés: su capacidad de adsorción, que les permitiría ir aumentando su tamaño al tomar del entorno algunas sustancias orgánicas, que podrían relacionarse con los coloides internos, y su capacidad de cambiar sus propiedades como consecuencia de cambios ocurridos en su entorno. Resulta fácil ver aquí un claro paralelismo con la nutrición y la relación de los seres vivos. Sin embargo, lo que a este autor le parecía más importante en el camino hacia el origen de la vida era que los coacervados suponían la diferenciación, la segregación entre la materia orgánica y el medio que la rodea. Gracias a esa separación, los coacervados adquirieron individualidad.

A partir de la formación de los coacervados Oparin propone una hipótesis de desarrollo gradual de las características propias de los organismos. Desafortunadamente, como él mismo reconoce, los trabajos experimentales con coacervados obtenidos artificialmente no fueron consistentes, porque estas estructuras tendían a ser inestables. En todo caso, la teoría de Oparin se mantuvo durante un largo periodo de tiempo y aún hoy, quizá debido a la falta de una explicación más sencilla (que no mejor, que las hay), se sigue utilizando para explicar el origen de la vida en el Bachillerato.

En todo caso, el primer punto débil de la teoría de Oparin era la síntesis abiótica de los compuestos necesarios para que se formaran los coacervados. Y ahí es donde aparece el experimento de Miller y Urey, para "confirmar o refutar experimentalmente" la especulación.

El experimento 

¿Doctor Miller o doktor Frankenstein?
Stanley Miller era un alumno de doctorado de la Universidad de Chicago que pretendía realizar una tesis doctoral sobre la síntesis de elementos químicos cuando asistió a una charla de Harold Urey, entonces ya premio Nobel, sobre el origen del Sistema Solar y la posibilidad de que se sintetizaran compuestos orgánicos en una Tierra primitiva con una atmósfera extremadamente reductora. La falta de resultados de su trabajo original, y la posibilidad de que su director de tesis dejara Chicago para trabajar en el desarrollo de la bomba de Hidrógeno, le llevaron a tratar de convencer a Urey de que le dirigiera un trabajo orientado a comprobar que los compuestos que forman parte de los seres vivos pudieron haberse formado en condiciones de abiogénesis.

Urey no debió entusiasmarse con la idea, vista la falta de resultados previos en ese campo. Sin embargo, finalmente acabó aceptando a Miller como doctorando, lo que permitió desarrollar su famoso experimento.

En sí, tanto el experimento como la teoría en la que se sustenta son muy simples. Miller y Urey partían de la hipótesis de Oparin, según la cual la atmósfera primitiva estaba formada por metano (CH4), amoniaco (NH3), agua e hidrógeno. En esas condiciones, una descarga de energía suficiente podría provocar cadenas de reacciones químicas entre esas sustancias que desembocaran en la aparición de compuestos propios de los seres vivos.

Para reproducir esta situación Miller debía crear un entorno artificial que simulara tanto la hidrosfera como la atmósfera. Además, necesitaba un sistema que reprodujera la descarga de energía y, a ser posible, su efecto acumulativo a lo largo del tiempo.

Con ese propósito, Miller diseñó un aparato relativamente sencillo pero capaz de cumplir con esos requisitos. El océano era simulado mediante un matraz esférico del cual surgía, por su parte superior, un tubo que contenía la "atmósfera" del experimento. Este gas se hacía pasar por una cámara donde sufría una descarga eléctrica, para proporcionar la energía necesaria para las reacciones químicas. Miller prefirió utilizar la electricidad en vez de la luz ultravioleta, fuente energética propuesta por Oparin, porque el vidrio con el que construyó el montaje absorbe esta radiación. El gas luego se enfriaba y se hacía pasar por una "trampa" con forma de U, dispuesta para que el flujo solo tuviera lugar en la dirección deseada. Los compuestos orgánicos, poco volátiles, permanecerían en la fase líquida, de modo que la trampa era también el lugar más adecuado para la toma de muestras.
La atmósfera real era extraída del montaje por medio de una bomba de vacío y sustituida por la mezcla de gases característica, se suponía, de la atmósfera primitiva.

Miller dejó circular los gases lentamente, porque comprobó que eso le proporcionaba mejores resultados. Tras un primer día el color del líquido del matraz se volvió rosa y al cabo de una semana había tomado un tono rojo oscuro y un aspecto turbio. Miller pudo separar e identificar varios compuestos, entre ellos algunos aminoácidos, incluidos algunos que forman parte de las proteínas, además de otras sustancias en cantidades tan pequeñas que no pudo identificar con los medios a su alcance en ese momento.

¿Dónde está la belleza del experimento?

Hablando de su propio trabajo Haldane dice que "No creo que yo llegue a contemplar la síntesis de algo tan próximo a la vida como un bacteriófago o un virus, y supongo que no se podrá conseguir un organismo autónomo hasta dentro de siglos. Hasta que esto no ocurra, el origen de la vida seguirá siendo objeto de especulación. Pero esa especulación no es infructuosa, porque es susceptible de confirmación o refutación experimental". Olé.

La ciencia es, como decía Picasso de su arte, un 1% de inspiración y un 99% de transpiración. La transpiración es, evidentemente, el diseño experimental, el trabajo de martillo para dar forma, materializar, la idea que ha surgido en la mente del científico. El experimento de Miller y Urey demuestra, en primer lugar, que algunos de esos campos que nos parecen inaccesibles al conocimiento directo, porque son demasiado grandes, demasiado pequeños, demasiado lejanos o demasiado remotos, pueden ser estudiados experimentalmente, hacerse accesibles como si hubiéramos conseguido viajar en el tiempo hasta observar en directo el origen de las primeras biomoléculas.

Otro aspecto que hace hermoso al experimento de Miller y Urey, desde mi punto de vista, es su carácter de "mundo completo", de sistema cerrado y autosufciciente, simplificado hasta el máximo posible para que sus elementos puedan ser totalmente controlados por el experimentador. Un modelo experimental artificial, sí, pero ideal.

La última razón, y posiblemente la más importante para incluirlo en esta lista, es la capacidad del experimento de Miller y Urey para inspirar la investigación. Ahora se piensa que la atmósfera primitiva no tenía la composición que propuso Urey, o que la energía que pudo dar lugar a la formación de los primeros biocompuestos debió ser menos intensa, posiblemente el calor liberado en las surgencias oceánicas. Más aún, con el paso del tiempo el interés por los primeros compuestos biológicos se ha desplazado desde las proteínas hacia los ácidos nucleicos (la hipótesis del "mundo de ARN"). A pesar de todo, el experimento de Miller y Urey sigue siendo el referente fundacional de todo el campo de la síntesis abiótica de sustancias biológicas.

Ciencia olvidada, ciencia perdida

Hasta aquí la historia más o menos conocida del experimento de Miller y Urey. Sin embargo, habría que encontrarle un pequeño "pero" a ese conocimiento oficial. Al revisar el trabajo original de Haldane, de 1927, se encuentra una referencia a un investigador llamado Baly, que habría sintetizado compuestos orgánicos bajo la acción de la luz ultravioleta.

No es fácil seguir la pista de este dato, porque Haldane lo cita, pero no lo referencia (nota mental, como diría Wyoming: apuntar la importancia de la bibliografía en los trabajos científicos). Sin embargo, es posible encontrar la información (con un poco de ayuda; gracias, Olga), que lleva a un campo de la química que hoy parece totalmente olvidado: la fotosíntesis artificial.

Durante el primer cuarto del siglo XX varios grupos de investigadores trataron de reproducir la fotosíntesis en ausencia de plantas, es decir, mediante un conjunto de reacciones inorgánicas. En todos los casos, estos intentos pasaban por conseguir la reducción fotoquímica del dióxido de carbono para dar lugar a formaldehído. Entre esos intentos varios investigadores afirmaron haber encontrado trazas de compuestos orgánicos, en particular carbohidratos. Entre ellos se encontraban, por ejemplo, Moore y Webster en 1918 o E.C.C. Baly, un químico inglés más conocido por sus trabajos en espectroscopía, y sus colaboradores en 1921. Esta es la investigación a la que hacía referencia Haldane en su trabajo. De hecho, Baly publicó durante ese año una serie de tres artículos en los que afirmaba haber obtenido no solo carbohidratos, sino también aminoácidos y bases nitrogenadas que se habrían producido a partir de amonio. Más adelante, sin embargo, otros investigadores no consiguieron reproducir los resultados obtenidos por Baly.

Parece ser que Miller no conocía estos trabajos, porque en la bibliografía de sus artículos no se hace ninguna referencia a ellos (ni siquiera a Haldane). De hecho, la bibliografía de su artículo original solo incluye tres referencias: el libro de Oparin, un trabajo previo de Urey y otro de J.D. Bernal, un destacado pionero de la cristalografía de rayos X. Hoy en día ninguna revista seria publicaría un artículo con tan poca base bibliográfica.

Y en esa época a punto estuvo de ocurrir lo mismo. Urey indicó a Miller que enviara su trabajo a Science figurando él como único autor, algo bastante poco habitual. La revista dejó "dormir" el manuscrito durante un periodo considerable de tiempo, hasta que Urey intervino, primero para pedir explicaciones y luego para reclamarlo, con la intención de enviarlo a otra publicación (las revistas científicas exigen exclusividad). Curiosamente, la revista a la que Urey pretendía enviar el artículo de Miller si Science no se hubiera decidido finalmente a publicarlo era Journal of the American Chemical Society, la misma en la que años antes se habían publicado los artículos de Baly que él desconocía.

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