El experimento de Miller y el inicio de la química

LECTURAS DE BIO-II, 1ª UNIDAD, 2006-07.
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
UNAM, CCH.
Plantel Oriente.
Área de Ciencias Experimentales.
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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 libro
1
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 1929 2 unas
ideas similares e introdujo la idea de una sopa
prebiótica
formada por los compuestos orgánicos disueltos en
los
como materia prima para la formación de los
primeros seres
mares
vivos.
Aleksandr Ivanovitch Oparin (1894-1980)
El trabajo de Oparin de 1924 no se publicó en
inglés
hasta
1967. 3 Entretanto, Oparin había elaborado sus ideas en un texto más documentado y desarrollado
de 1936 que apareció publicado en Estados Unidos dos años después.
4
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 ionizante. 5 Este enfoque experimental fue posible tanto por
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.
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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.
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 composición de la atmósfera primitiva.
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Portada de Bernal (1951).
Los 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 lee:
6
"Me parece que sería provechoso realizar experimentos de
producción de
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.
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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 evolución
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
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en la simulación de las síntesis abióticas que él había propuesto en su conferencia. A pesar de las
reticencias 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
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Science estuvo a punto de hacer que Urey enviara los resultados a otra revista. 7 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.
James Watson y Francis Crick
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 1959.8
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.
7
8
Bada, J.L. y Lazcano, A. (2003) "Prebiotic soup. Revisiting the Miller experiment" Science 300, 745-746.
Oró, J. (1960) "Synthesis of adenine from ammonium cyanide" Biochem. Biophys. Res. Comm. 2, 407-412.
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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, 1462814631.
http://www.astrosafor.net/Huygens/2003/45/ExperimentoMiller.htm
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