Terra

Ensaig de ciència.

Albert Cardona, 6 d'agost de 2002.

Fa 5000 milions d'anys.

El planeta Terra es forma. El procés no dura ni un any, ni cent, ni mil; si es vol acotar un temps de "formació", estaria entorn als 10 milions d'anys. Geològicament equival a uns pocs moments de la historia del planeta. El problema d'acotar un periode de temps per a la formació del planeta Terra, o de qualsevol planeta o estrella, és el mateix que per a periodes històrics de la humanitat com el "modernisme", el "noucentisme", la "edat mijana". Algú es creu capaç de posar una data d'inici i una de fi d'aquests periodes? Impossible. El perquè és senzill: el canvi, com ja va dir Heràclit, és continu, i per tant no hi salts. Avui és l'edat mitja, i demà ja no. No. El pas d'una època a una altra de la història és gradual i inclou moltes facetes de la societat, des del recanvi generacional fins al temps de propagació d'idees noves.

Per a la Terra, el mateix. En un moment donat fa aproximadament 5000 milions d'anys es pot descriure la Terra com un núvol dens amb una forta rotació respecte el seu centre, i tot ell en traslació entorn el sol, el qual també s'estava formant. El sol, aleshores, era més voluminós que ara i emetia molta menys llum. És a dir, que des de la Terra primigènia el sol es veia com un disc més gros que ara i més ataronjat.

Aquesta Terra és una pilota gasosa que es va compactant a causa de la força de gravetat que exerceixen els seus àtoms uns vers els altres. Si en inici estaven tots els tipus d'àtoms barrejats, ara s'ordenen. Els més pesants, els més representats dels quals són el ferro i el níquel, s'acumulen al centre. Els més lleugers queden a les capes exteriors de la pilota. Quan es condensa prou, aquest gas es torna líquid, i després sòlid -procés on encara estem.

A partir d'un cert moment, sobre la pilota de lava líquida es formen illes flotants sòlides; i després tota l'escorça de la Terra es solidifica. L'atmosfera era feta dels elements més lleugers, com l'hidrogen i l'heli, la major part dels quals escapa a la gravetat terrestre i es perd per l'espai. Tot aquest procés és causat per un arrefredament de la Terra, una pèrdua d'energia que s'emet a l'espai en forma de calor (de radiació infraroja).

De tan en tant l'escorça es trenca allí i allà i surten volcans, que alliberen tot de gasos que estaven atrapats a dins. Aquests gasos formaran una segona atmosfera i són principalment el diòxid de carboni, l'amoníac, el metà i vapor d'aigua, i petites parts de diòxid de sofre i altres. Aquesta atmosfera era de caràcter reductor, això és, reduïa els elements amb què interactuava -els donava electrons. No cal dir que era totalment irrespirable per a les espècies animals existents avui.

A mesura que es refreda més i més, l'escorça es fa més gruixuda i el vapor d'aigua, per les extraordinàries propietats de la molècula d'aigua, condensa i forma els oceans.

A partir d'aquest moment ja es troben. al registre fòssil, evidències de vida bacteriana sobre la Terra. Si bé aquesta vida es desenvolupà aquí mateix a la Terra o bé la infectà vinguent d'alguna altra banda, és impossible de saber. Sigui com sigui, la teoria geocèntrica de l'origen de la vida creu possible la formació, a partir de zero, de la vida. Aquesta teoria proposa que en un primer moment es formà una sopa prebiòtica, això és, els oceans quedaren plens de molècules orgàniques sintetitzades per la interacció entre sí dels gasos atmosfèrics diluïts al mar, gràcies a l'energia proveïda per les diferencts forces en actuació: les tormentes elèctriques, la radiació solar ultraviolada, la radiació ionitzant còsmica, la calor provinguent del centre de la Terra; se n'han proposat algunes altres. Cap al 1952 Stanley Miller feu uns experiments al laboratori amb què aconseguí sintetitzar en un sistema tancat, a partir d'aigua escalfada en un pot de vidre que s'evaporava, passava per una guspira elèctrica i es recondensava, diverses molècules fonamentals per a la vida com els aminoàcids i els sucres.

A partir d'aquestes molècules orgàniques de mida petita es pogué començar la vida. El primer pas es proposa que fou la polimerització d'algunes d'aquestes molècules; això és, la formació de molècules grans a partir de compostos bàsics com l'acetat (per fer greixos) o els nucleòtids (per fer àcids nucleics). El procés de polimerització es pot donar de diverses maneres; aplicant energia a la sopa prebiòtica, o bé evaporant, en una tolla petita, gran part de l'aigua de manera que la concentració de les molècules orgàniques bàsiques augmentés molt i quedessin ordenades com en un cristall, en una disposició regular, formant-se els enllaços necessaris per a fer el polímer.

Els polímers, emperò, no existeixen a la vida en totes les formes possibles en què és possible de sintetitzar-los al laboratori. Així, les proteïnes dels sers vius -que són un polímer d'aminoàcids- consten d'aminoàcids (aa) de conformació L, mentre que els sucres són D, quan són possibles tan els D-aminoàcids com els L-sucres (L i D representen l'ordre en què uns mateixos radicals s'enganxen a l'àtom central que els manté units a tots; des d'un punt de vista geomètric). Aquesta limitació s'ha explicat de diverses maneres. Per una banda, alguns han proposat que als asteroides la composició dels sucres i aminoàcids és igual a la dels sers vius, i que aquest fet és una dada que recolza la teoria de la infecció de la Terra verge de vida des de l'espai. Per altra banda, s'ha proposat que la interacció pot ésser energèticament més favorable per als L-aa i els D-sucres amb certes molècules que també participen de la vida i que per això han sigut seleccionats respecte de la conformació oposada. Altres hipòtesis proposen una competició resolta per l'atzar, de diverses maneres.

Ja que els àcids nucleics es consideren fonamentals per a la vida, s'ha estudiat extensament les seves propietats. Els àcids nucleics han resultat tenir capacitat de hibridació uns amb els altres, en una forma ordenada seguint una correspondència dels seus nucleòtids, que possiblita tinguin un paper en reconèixer altres molècules, en tenir característiques enzimàtiques i en emmagatzemar informació, a més a més de ser molècules capaces d'acumular energia.

Es necessita aquí un incís: la vida es basa en unitats anomenades cèl.lules, les quals totes sense excepció consten d'uns àcids nucleics on s'emmagatzema la informació que les codifica i en codifica les interaccions amb el medi i les altres cèl.lules, una membrana que aïlla de l'exterior aquests àcids nucleics i les reaccions químiques que tinguin lloc a l'interior de la cèl.lula, i unes proteïnes les quals són codificades pels àcids nucleics i que participen de totes les funcions cel.lulars.

Més important encara, una cèl.lula només es pot formar a partir d'una altra cèl.lula, per divisió, i és per això que es proposa un origen únic de totes les formes de vida de la Terra. Totes les cèl.lules comparteixen els mateixos tipus de macromolècules, formades per ordenacions diferents dels mateixos compostos, i totes es caracteritzen per ser sistemes autoreplicants amb mecanismes d'autoreparació i d'adaptació al medi canviant. L'adaptació té dos formes: una, una adaptació directa que implica canvis en el funcionament cel.lular però que no altera la constitució mateixa de la cèl.lula; i dos, una adaptació indirecta que implica la generació de mutacions als seus àcids nucleics que resulten en unes propietats diferents de funcionament cel.lular, essent el medi qui permet que unes cèl.lules sobrevisquin i altres no.

Si tenim en compte aquest principi cel.lular, formulat per Schwann a finals del segle XIX, el fet trascendental de l'origen de la vida és la formació d'una cèl.lula primigènia la qual donarà lloc, per adaptacions indirectes, a totes les formes de vida que han existit.

En aquest sentit, una teoria proposa que la primera cèl.lua sorgí arrel del tancament dins de bicapes lipídiques dels primers àcids nucleics capaços de catalitzar la seva pròpia replicació o de codificar per altres àcids nucleics que en participessin d'alguna manera.

El tancament dins una bicapa lipídica té avantatges i inconvenients.

Entre els avantatges està la major eficiència de replicació, ja que un àcid nucleic amb acció enzimàtica replicativa d'altres àcids nucleics serà més eficient replicant a còpies de sí mateix que en el medi obert, on es troben molts altres àcids nucleics a qui replicaria en comptes de a sí mateix, i a més a més el medi obert promou la dilució a l'infinit de manera que les molècules poden no trobar-se mai i encara que en teoria puguin interactuar d'alguna manera, no ho facin.

Entre els inconvenients, trobem la manca de renovació de les molècules de dins la cèl.lula. Els productes de rebuig s'acumularien a l'interior i els productes necessitats no podrien accedir a l'interior.

Per a superar els inconvenients trobem a les cèl.lules actuals complexos proteics capaços d'instal.lar-se a la bicapa lipídica i actuar com a intercanviadors de molècules amb l'exterior. Un dels més antics és la bomba de sodi i potassi, dos elements estretament relacionats amb els potencials elèctrics locals a banda i banda de la membrana, fonamentals per al funcionament cel.lular.

La constitució de la cèl.lula primigènia necessita doncs d'un sistema autoreplicant d'àcids nucleics que codifiqui per a proteines o altres àcids nucleics que permetin l'intercanvi controlat de partícules amb l'exterior cel.lular.

Com he explicat en altres textos, la pluja mateix sobre una capa d'oli pot formar cèl.lules fetes d'una bicapa lipídica i un interior ple d'aigua amb, per exemple, àcids nucleics dissolts. Les molècules d'oli podien està formades a la sopa prebiòtica també a partir de polimeritzacions d'acetats i aldehids diversos, que també poden formar sucres.

Ja tenim, doncs, la primera cèl.lula, però no té encara cap mitjà d'autoreplicació. En proposo un (que suposo deu haver sigut ja descrit): suposem que tenim una cèl.lula constituïda per una bicapa lipídica que engloba aigua, un àcid nucleic i els nucleòtids per a la seva replicació, que s'ha format a resultes d'una gota de pluja caiguda sobre una capa d'oli que sura en una tolla. Dins la cèl.lula l'eficiència de replicació d'un àcid nucleic en concret augmenta molt. Quan s'acaba la matèria prima -els nucleòtids-, les reaccions s'aturen; la bicapa lipídica es desestabilitza amb el temps, sobretot si és rodejada d'altres lípids o cèl.lules similars a la vora. Es retorna a la situació inicial, però ha augmentat el nombre d'àcids nucleics. Suposem que cau una segona gota de pluja, i que té lloc altre cop el cicle. Tenint en compte que no cau una sola gota de pluja sinó milions, i que la reacció de replicació de l'àcid nucleic no és perfecta -es cometen errors i la cadena filla té algunes bases incorrectes respecte la cadena mare-, es produiran en un temps breu gran quantitat d'àcids nucleics diferents en un espai relativament reduït. Cada vegada que tingui lloc el cicle, diferents àcids nucleics -centenars o milers- quedaran atrapats junts. Por arribar-se a donar una combinació tal que es complementin en les tasques per a la no desestabilització de la membrana cel.lular -la bicapa lipídica-; per exemple, poden col.laborar per a polimeritzar aminoàcids seguint l'ordre marcat pels nucleòtids d'un àcid nucleic, i que la proteïna resultant sigui útil en l'intercanvi de molècules a través de la bicapa lípidica, i una altra en estabilitzar-la. Es formarien així diverses cèl.lules similarment constituïdes que començarien a tenir una estabilitat major; perdurarien més en el temps i podrien augmentar el temps en què es dongués replicació dels seus àcids nucleics -la seva proporció a la tolla augmentaria considerablement. Només seria qüestió de temps que algun dels àcids nucleics o un conjunt d'ells catalitzés la formació de desoxiribonucleòtids a partir de nucleòtids, i es formés ADN, el qual és més estable, i que es repliqués només l'ADN i no els altres àcids nucleics (que no ho he mencionat però havien de ser ARN). Amb més i més temps, les cèl.lules anirien adquirint més funcions, tant d'estabilització com de síntesi de molècules i d'obtenció d'energia, i així la tolla sencera aniria evolucionant fins formar un prototip cel.lular estable el qual fos capaç d'augmentar de tamany i de partir-se en dos.

Tenint en compte que és possible que existissin milions de tolles i uns quants milions d'anys, per lent que fos el procés, encara que es destruís el producte centenars de vegades per assecament de la tolla o enterrament o abrassió per lava, alguna de totes les tolles va ser la Tolla que l'estadística gairebé nega, i en sorgí d'ella per un riu o en una gota vaporitzada en aerosol un conjunt de cèl.lules similars entre sí que seguien evolucionant i disposades a menjar-se, literalment, el món.

La vida acaba de començar.