PRIMERA ETAPA

LA NATURALEZA DE LA TIERRA PRIMITIVA
Un enfoque racional del origen de la vida tiene que empezar con la construcción de un modelo del mundo primitivo que se pueda apoyar con todos los datos pertinentes. En primer lugar se deben evaluar los datos y después proponer un modelo. Un modelo razonable de trabajo de la tierra primitiva es una necesidad absoluta para cualquier trabajo experimental que sea relevante para el problema del origen de la vida. Básicamente se han aplicado dos métodos en el intento de llegar a una hipótesis razonable acerca de la tierra primitiva. El primero de estos métodos usa principalmente datos cosmológicos y teorías cosmogónicas. Esto es, se emplean datos tales como la abundancia cósmica de los elementos, análisis de otras atmósferas del sistema solar y del contenido de los meteoritos, juntamente con las teorías actuales sobre la formación del Sistema Solar, para reconstruir lo que hubiera podido parecer la tierra primitiva. Este método lo consideraremos cuando examinemos la hipótesis de Urey.

El segundo método utiliza principalmente los datos geoquímicos y geológicos. Este enfoque parece mucho más razonable. La tierra que pisamos debería darnos una información mucho más fiable que la estimación de condiciones en planetas distantes y que la utilización de teorías cosmogónicas, todas las cuales contienen serias deficiencias. Las hipótesis basadas en otras hipótesis apenas merecen una consideración seria. Este segundo método, basado principalmente en datos geoquímicos y geológicos, lo consideraremos al examinar el modelo de tierra primitiva propuesto por Abelson. Se debe poner en claro que Abelson, como todos los demás, debe apelar a hipótesis allí donde no hay datos y que, en último análisis, no podemos considerar ningún modelo de tierra primitiva como nada más que una hipótesis de trabajo.

La hipótesis de Urey

Muchos de los primeros investigadores daban por supuesto que la atmósfera primitiva era similar a la actual (11, 12). No cabe ninguna duda de que el factor más importante que llevó al abandono de estas primeras hipótesis de que la atmósfera primitiva era oxidante fue la imposibilidad termodinámica de producción de compuestos orgánicos como los que se hallan en los organismos vivientes en una atmósfera oxidante. De hecho, Urey (10) ha afirmado explícitamente que fue el hecho demostrado experimentalmente de la imposibilidad de síntesis de compuestos orgánicos (como los que se hallan en los organismos vivos) en un medio oxidante lo que le llevó a reconsiderar la hipótesis de Oparín de una atmósfera primitiva reductora.

Una atmósfera oxidante es una atmósfera que contiene oxígeno libre y en la que hay otros compuestos en un estado oxidado. En una atmósfera así, los compuestos orgánicos se oxidarían espontáneamente. Pero la mayor parte de los compuestos que se hallan en una célula viviente se encuentran principalmente en estado reducido (o no oxidado). No se hubieran podido formar espontáneamente, o abiogenéticamente, en una atmósfera oxidante. En una atmósfera así, todos los compuestos químicos se combinarían espontáneamente con el oxígeno, oxidándose. Así, los evolucionistas están obligados a postular que la tierra poseyó una atmósfera reductora.

Una atmósfera reductora es una atmósfera en la que no hay oxígeno libre, pero que contiene hidrógeno libre y en la que todos los otros componentes están en un estado reducido o parcialmente reducidos. Estos dos tipos de atmósfera se contrastan en la Figura 1. Se verá que en la atmósfera reductora no es necesario que cada componente esté completamente reducido. Así, el carbono puede encontrarse totalmente reducido (el caso del metano) o parcialmente oxidado (monóxido de carbono); el hidrógeno puede encontrarse totalmente reducido (hidrógeno libre) o parcialmente en forma de agua, oxidado; el nitrógeno se puede encontrar parcialmente en forma totalmente reducida (amoníaco) y parcialmente como nitrógeno libre (ni reducido ni oxidado).



ELEMENTOS


REDUCTORA


OXIDANTE



Carbono


Metano (CH4)


Dióxido de Carbono (CO2)




Monóxido de Carbono (CO)




Hidrógeno


Hidrógeno (H2)


Agua (H2O)

Nitrógeno


Amoníaco (NH3)


Nitrógeno (N2)




Nitrógeno (N2)




Oxígeno


Agua (H2O)


Oxígeno (O2)







Agua (H2O

Figura 1. Comparación de la atmósfera reductora postulada con la atmósfera oxidante actual.

Oparín, un bioquímico, fue el primero en proponer teorías sobre el origen de la vida basadas en una atmósfera reductora de metano, amoníaco, hidrógeno y agua (13, 14). En su artículo sobre la primitiva historia química de la tierra y el origen de la vida, Urey decía, refiriéndose a la hipótesis de Blum (15): «Me parece que su tratamiento del tema encuentra su mayor dificultad al tratar de explicar la aparición de compuestos orgánicos a partir de materia inorgánica. Este problema prácticamente desaparece si se adoptan las suposiciones de Oparín sobre el carácter reductor de la atmósfera en el pasado» (10). Así, resulta evidente que de manera primordial la atmósfera reductora se postuló debido a que las consideraciones termodinámicas relacionadas con el origen de compuestos orgánicos reducidos exigían una atmósfera reductora; no porque los datos disponibles indicasen que esta atmósfera había existido.


Como ya se ha dicho, las hipótesis de Urey (10, 16) acerca de la atmósfera primitiva se basan en suposiciones derivadas de datos cosmológicos y de teorías cosmogónicas. Él dice: «A fin de poder estimar las condiciones primitivas de la Tierra, es necesario hacer y contestar las preguntas de cómo se originó la tierra y de cómo la Tierra Primitiva se desarrolló hasta dar lugar a la actual». Más adelante prosigue diciendo: «La superficie de la Luna nos da la evidencia más directa tocante al origen de la Tierra». Citando evidencia de la colisión de planetesimales con la Luna durante la etapa final de su formación, expresa así su convicción: «Que tales objetos cayeron sobre la Luna y la Tierra en la última etapa de su formación lo considero cierto ...» (10). A la vez que admite que en estas cuestiones es muy difícil estar seguro de nada, dice, en defensa de su teoría, que los que postulan una atmósfera oxidante ¡deberían presentar algún argumento similar para justificar su suposición!

Urey da un cierto número de reacciones que él cree que hubieran tenido lugar en estas circunstancias, y postula que el hidrógeno era un constituyente principal de la atmósfera primitiva y, por tanto, que el metano también lo debió ser. Concluye que el carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno solo hubieran podido estar presentes en la atmósfera primitiva (aparte de en trazas) en forma de metano, agua, amoníaco (o nitrógeno) e hidrógeno. Se considera que prácticamente todo el gas original del protoplaneta Tierra se había perdido, y que la atmósfera primitiva representaba un resto de la anterior composición de gases, influido por los sucesos que tuvieron lugar durante la formación de la Tierra.

En 1959, Miller y Urey (17) sometieron las ideas anteriores a un examen más riguroso. De nuevo, la suposición básica fue que la atmósfera primitiva era reductora. Miller y Urey calcularon la cantidad de oxígeno necesaria para proporcionar el contenido actual de oxígeno en la atmósfera, para oxidar todo el carbono superficial actual a CO2, y también estimaron la cantidad de oxígeno necesaria para la oxidación de los compuestos conteniendo nitrógeno, azufre y hierro. Suponiendo que este oxígeno procedía de la descomposición de H2O en las capas altas de la atmósfera debido a la acción de los rayos ultravioletas, se calculó entonces la cantidad de H2 que debió escapar al espacio. Tomando la velocidad actual de escape de hidrógeno, esto hubiera precisado de muchos millones de millones de años. Para rebajar este valor a 2,5 mil millones de años, se calculó que se precisaba una presión parcial de hidrógeno de 1,5 x 10-3 atmósferas (la presión parcial de H2 actual es de 10-6 atmósferas al nivel del mar). Por lo tanto, se dio por supuesto que la atmósfera primitiva tenía una presión parcial de hidrógeno de 1,5 x 10-3 atmósferas. Esta es una suposición crítica, porque al utilizar esta presión parcial de H2, y conociendo las constantes de equilibrio de reacción del hidrógeno con otros componentes, como el CO2, se calcularon las presiones de otros componentes de esta supuesta atmósfera primitiva, como las del metano, amoníaco y monóxido de carbono. Se tuvieron que hacer otras suposiciones a fin de poder obtener una cifra razonable para el metano. La conclusión final a que llegaron fue que una atmósfera reductora con unas presiones parciales bajas de hidrógeno y amoníaco y presiones moderadas de metano, agua y nitrógeno sería una hipótesis razonable para la atmósfera de la Tierra primitiva.

No obstante, se debe observar que, ya que se hacen tantas suposiciones para derivar esta atmósfera primitiva, en realidad no la derivaron: la supusieron. En realidad, se podría resumir el artículo que publicaron en una sola frase: «Se adopta la suposición de que la Tierra primitiva poseía una atmósfera reductora de hidrógeno, amoníaco, metano, agua, y nitrógeno».

La hipótesis de Abelson

Más recientemente, Abelson (18), geoquímico y entonces Director del Laboratorio de Geofísica de la Institución Carnegie de Washington, ha afirmado que no solamente no hay evidencia geoquímica de una atmósfera primitiva de metano y amoníaco, sino que además hay mucha en contra. Observa que una cantidad de amoníaco equivalente al actual nitrógeno atmosférico quedaría destruida, debido a la descomposición causada por la radiación ultravioleta, en solo 30.000 años, un lapso de tiempo despreciable en comparación con las vastas eras de tiempo geológico necesarias para la acumulación de compuestos orgánicos reducidos. También observa que si en la atmósfera primitiva hubieran estado presentes grandes cantidades de metano, las radiaciones hubieran producido grandes cantidades de compuestos orgánicos hidrófobos que hubieran quedado absorbidos por las arcillas sedimentarias. En tal caso, las rocas más primitivas deberían contener una gran proporción de compuestos orgánicos, pero no es así. Abelson también llama la atención al hecho de que si la tierra fue incapaz de retener el xenón de peso atómico 130, también se hubieran tenido que perder otros componentes más ligeros, como el hidrógeno, el metano, y el monóxido de carbono. La conclusión de Abelson es que el concepto de que la Tierra poseyó una atmósfera densa de metano y amoníaco no tiene ningún apoyo geoquímico y que está contraindicado por la escasez de xenón y kriptón en la presente atmósfera.

Abelson presenta la teoría alternativa favorecida por geólogos —que el génesis de la atmósfera primitiva fue el resultado del desprendimiento planetario de gases, y cita las discusiones de diversos investigadores, incluyendo a Rubey (19,20), Holland (21) y Berkner y Marshall (22). Los estudios de la composición de los gases volcánicos demuestran que los principales productos volátiles producidos por este desprendimiento de gases son el agua y el CO2. También sale a la superficie una cantidad significativa de potencial reductor en forma de hidrógeno. Abelson estima la cantidad de potencial reductor que sale a la superficie realizando un balance de los compuestos químicos oxidados y reducidos en la atmósfera, en la biosfera y en las rocas sedimentarias.

La mayor parte del carbono en las rocas sedimentarias está presente en las mismas como carbonato. Una parte está presente como carbono reducido. La cantidad de oxígeno que se necesitaría para convertir este material en CO2 y H2O sería de 235 x 1020 gramos. Los geólogos creen que la mayor parte del carbono orgánico presente en los sedimentos fue derivado mediante fotosíntesis a partir del CO2 y del H2O. En dicho proceso se hubieran liberado 235 x 1020 g de O2. Sin embargo, la cantidad de oxígeno atmosférico y fósil (sulfatos y hierro férrico procedente del ferroso) que se conoce es de tan sólo 73 x 1020 g. Abelson sugiere que una explicación probable de esta discrepancia es que una cantidad apreciable de carbono que se desprendió de los volcanes lo hizo en forma de CO. Suponiendo que la discrepancia en el balance del oxígeno se debiese al desprendimiento de H2 y de CO producidos por desgasificación, Abelson calculó que la cantidad de estos gases que llegó a la superficie fue de 19 x 1020 g de H2 y 17 x 1020 g de CO.

Además, Abelson supone que uno de los precursores que dio origen a compuestos biológicamente importantes fue el cianuro de hidrógeno (HCN). Una combinación de gases que pudiera dar origen al HCN consiste de CO, H2, y N2. El CO producido por desgasificación sería no obstante eliminado por reacción con el agua de los océanos primitivos para producir ácido fórmico, lo que resultaría en una presión muy baja de CO. Por tanto, Abelson supone que el H2 producido por desgasificación reaccionaría con CO2 para producir CO adicional suficiente para elevar su presión a un nivel suficiente.

Pero se tienen que hacer todavía más suposiciones, ya que el CO, el N2 y el H2 no reaccionan para producir HCN en presencia de H2O. Abelson cree que en la Tierra primitiva pueden haber existido unas temperaturas muy bajas a una altitud no mayor de 20 km., y que esta baja temperatura habría atrapado la mayor parte de la humedad. Y postula que la primitiva atmósfera que dio origen al HCN existió por encima de esta temperatura mínima y que se componía principalmente de N2, CO y H2.

En tanto que Abelson, partiendo de los datos geoquímicos y cosmológicos, ha echado abajo efectivamente la atmósfera de metano y amoníaco postulada por Miller y Urey, no ha conseguido dar una evidencia igualmente convincente de su postulada atmósfera primitiva de CO, N2 y H2O. El factor crucial de su hipótesis es la suposición de que la desgasificación produjo cantidades tan enormes de H2 y CO como 19 x 1020 gramos y 17 x 1020 gramos, respectivamente. Se debe reconocer que esta es una especulación no respaldada por hechos: Se precisaba de un potencial reductor para el origen abiogenético de compuestos químicos reducidos, y por esto se propuso una fuente hipotética del mismo.

Los principales componentes de los gases volcánicos son el H2O, el CO2 y el N2. La composición media de los gases volcánicos de Halemaumau en Hawai es, en volumen, del 68% de H2O, 13% de CO2, 8% de N2, y el resto son principalmente humos sulfurosos (23). Urey (10) ha observado que los gases que escapan de los lagos de lava de los volcanes de Hawai están tan altamente oxidados que es difícil explicar estos estados de oxidación tan elevados. De modo que la la propuesta de la formación de vastas cantidades de H2 y CO por desgasificación no tiene el apoyo de ningunos datos conocidos, sino que más bien parece contraindicada.

No hay evidencia de una atmósfera reductora

Urey ha admitido que la precipitación de calizas en grandes cantidades presenta una dificultad a la hipótesis de la existencia durante un largo período de tiempo de una atmósfera reductora. Después de mencionar que la mayor parte de las grandes masas de hierro se depositaron durante el Precámbrico tardío o fueron erosionadas extensamente durante dicho tiempo, dice que los yacimientos de hierro de la cordillera Vermillion de Minnesota son mucho más anteriores (Keewatin) y que, por tanto, la oxidación del hierro ferroso a férrico tuvo lugar en una época muy temprana de la historia de la tierra. Más adelante en el mismo artículo dice que la presencia de hierro muy oxidado justifica una poderosa presunción en favor de una atmósfera oxidante. Estas observaciones, basadas en hechos derivados de los datos geológicos, en lugar de en suposiciones basadas en teorías cosmogónicas, dan evidencia de que la tierra puede haber tenido una atmósfera oxidante durante la mayor parte de su historia, si no de toda ella.

C. F. Davidson, en su contribución «Geochemical Aspects of Atmospheric Evolution [Aspectos Geoquímicos de la Evolución Atmosférica]» (24) ante el Simposio de la Academia Nacional de las Ciencias sobre la evolución de la atmósfera terrestre, pone en sobreaviso de que cambios metasomáticos (introducción de material, generalmente en una solución acuosa muy caliente, desde fuentes externas a la formación que sufre el cambio) pueden haber distorsionado las evidencias que presentan las rocas. Davidson mantiene que el hecho de encontrar sustancias inorgánicas reducidas en algunas formaciones no constituye evidencia de que fuesen depositadas en el seno de una atmósfera reductora. Por ejemplo, Davidson señala que las piritas y uraninitas pretendidamente detríticas, halladas en ciertas formaciones, se han citado como evidencia de que la atmósfera era reductora cuando se depositaron estas formaciones, ya que estos minerales son fácilmente oxidables. No obstante, él sostiene que no existe ningún medio geológico del que se puedan obtener oro, uraninita y piritas detríticas desprovistos de otros metales pesados como depósitos aluviales. Davidson mantiene que estos depósitos de uraninita y pirita fueron depositados desde aguas hidrotermales por lixiviación y transporte procedentes de rocas volcánicas superiores y de otras fuentes. En otras palabras, según Davidson, la presencia de estos minerales reducidos no constituye prueba de que esta formación particular fuera depositada bajo una atmósfera reductora, ya que la uraninita y la pirita fueron introducidas hidrotermalmente más tarde, después de ser lixiviadas de rocas volcánicas o de otras fuentes sin contacto con la atmósfera. Por mucho que se retrotraiga al pasado, Davidson no puede ver ninguna evidencia de que la atmósfera fuera nunca muy diferente de la actual.

Un golpe teórico especialmente fuerte fue el asestado recientemente a las teorías sobre el origen de la vida, con la reciente publicación de Brinkman (25). Según los cálculos de Berkner y Marshall (22, 26, 27), la cantidad de oxígeno atmosférico que se hubiera producido por fotodisociación del vapor de agua con la luz ultravioleta del sol hubiera sido limitada y, por lo tanto, la atmósfera de la tierra hubiera sido reductora hasta que los organismos fotosintéticos hubieran evolucionado para producir el oxígeno presente en la actualidad. Esto justificaría una atmósfera reductora, tan vital para la formación abiogenética de los compuestos orgánicos reducidos que se pretende que dieron el origen a la vida, durante una larga proporción de la historia primitiva de la Tierra.

Brinkman mantiene que Berkner y Marshall erraron en sus cálculos debido al hecho de que interpretaron mal los datos de laboratorio sobre la absorción del ultravioleta por parte del oxígeno. Según los cálculos de Brinkman, la concentración de oxígeno en la atmósfera hubiera llegado a una fracción apreciable de su presente nivel muy temprano en la historia de la Tierra.

Si las observaciones de Davidson (24) y los cálculos de Brinkman acerca del contenido en oxígeno de la atmósfera primitiva son correctos, entonces el origen evolutivo de la vida queda imposibilitado. En una atmósfera oxidante hubiera sido termodinámicamente imposible la formación abiogenética de los compuestos químicos orgánicos reducidos que hubieran debido estar presentes para que surgiera la vida por evolución química.

En resumen, se puede decir que, a pesar de las elaboradas hipótesis que se han propuesto a fin de justificar la suposición de que la Tierra poseyó una atmósfera reductora en la época más temprana de su historia, esta suposición es extremadamente endeble, y en realidad queda contraindicada por una considerable cantidad de evidencia. La suposición de que la tierra tuvo una atmósfera reductora en una época primitiva convence a la mayor parte de las personas. Esto se debe a que la mayoría de gente acepta a la siguiente cadena de suposiciones: ya que la vida existe, la vida evolucionó; la evolución de la vida precisa de una atmósfera reductora, por ello mismo la tierra primitiva tuvo que poseer una atmósfera reductora.