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Interview with the Dr. Günter
Wächtershäuser.
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Entrevista
con el
Dr. Günter Wächtershäuser. |
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David Serquera
daserpey@ochoa.fib.es |
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During one month Dr. Wächtershäuser has maitained an interview by e-mail with Huygens about most relevant principles of autotrophic theory of origin of life. Dr. Wächtershäuser makes a thorough analysis of his theory since origins until nowadays. Moreover we treat important questions concerning Astrobiology.
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Gunter Wachtershauser
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Question 1: When did you start thinking about the origin
of life? Which were your inspiration sources?
Answer: I began thinking about the origin of life about 1972/3, when as a
patent attorney I read an article by my former teacher in physical chemistry,
Professor Hans Kuhn (RNA world in the pores of rocks). It was published in
"Angewandte Chemie". At that point I believed naively in the soup
theory and that Kuhn had essentially solved the problem. Beginning about 1973
I became intensely interested in the epistemology of Karl Popper. Later, in
1982 I met Popper personally. In the years that followed Popper became my
close friend and mentor. My thinking has been profoundly influenced by Popper.
According to Poppers philosophy of knowledge cultural evolution, including
scientific discoveries and technical inventions, proceeds in the same basic
manner as biological evolution: as an unending concatenation of problems and
"attempted" solutions giving rise to new problems and so forth.
I recognized that by going backwards in this concatenation we arrive at the
origin of life as the origin of all problems. I then started an attempt to
develop a general theory of problem evolution, which later was laid aside.
In 1982 William W. Bartley III, a pupil of Popper, invited me to give a lecture
in a philosophical symposium in New York. In the lecture (1983) I related
the work of Hans Kuhn methodologically to the epistemology of Karl Popper.
Inspired by papers by Bartley and the psychologist Donald Campbell I then
(1983/4) wrote a manuscript with the title "Light and Life" in which
I traced the origin of visual perception to photosynthesis. Popper included
the thesis in an address to the Alpbach summer school in 1984. The paper was
later published in a philosophical volume (Wächtershäuser, G. (1987)
Light and Life: on the nutritional origins of sensory perception. In: Evolutionary
Epistemology, Rationality and the Sociology of Knowledge (Radnitzky, G. &
Bartley III, W.W. eds.) pp. 122-138. La Salle: Open Court). This paper marks
the beginnings of my methodology of biochemical retrodiction. In 1982 and
1984 I met Carl Woese, one of the founders of the RNA world theory. I was
introduced to Woese by one of his coworkers, George Fox, who had looked us
up in Munich and with whom I became related when his widowed father married
my wife's widowed mother. From Carl Woese I learned that the soup theory was
seriously flawed and that the problem of the origin of life was anything but
solved. However, at that time I could see no alternative to the soup theory
and so remained captive to that theory.
Question 2: Which was the methodology employed in the construction
of your theory?
Answer: The conventional methodology of evolutionary reconstruction, called
"backward projection" by Fritz Lipman, is used by almost everybody.
It consists of postulating one-to-one relations of extant functions and precursor
functions. It leads inevitably to an ever increasing collection of precursor
functions, since there is no mechanism of restriction. This means that given
the presence of water we have a prebiotic broth with a chaos of possibilities.
I was able to overcome the weakness of the method of backward projection by
developing a methodology, which I call "biochemical retrodiction".
It postulates many-to-one relations between several disparate extant functions
and one common precursor function. Thereafter several disparate precursor
functions are again related to one still deeper common precursor function
and so forth. In this manner, as we go deeper and deeper, a pattern of overall
convergence is generated. Thus this method leads to one definite primordial
organism and not to a primordial soup. My methodology is a derivative of Poppers
principle of "relative explanatory power". Of two theories the one
is selected that explains the most facts by the fewest assumptions. It is
at the same time a derivative of Poppers philosophy of historic understanding,
which he called "situational logic". It consists of the reconstruction
of objective historic problem situations. I may add that in patent law it
has been ruled a long time ago that inventions can only be understood as solutions
to objective problems, which is the reason for my original excitement about
Popper.
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| Hans Kuhn (1919-1990) |
Question 3: Which are the major pillars of your theory?
Answer: The methodology of biochemical retrodiction is the main pillar. It
is in essence a methodology of rational theory evolution. By this methodology
my theory has greatly evolved over the years. Some of the main features of
my theory, which presently I consider to be very important, may be summarized
as follows. Life began as an autocatalytic, chemo-autotrophic surface metabolism
of low-molecular organic compounds. These were formed first by CO fixation
and later by CO2 fixation, in a volcanic setting (CO, CO2, H2S, NH3) on the
surfaces of colloidal inorganic precipitates of sulfides of iron, nickel and
other transition metals. The surface metabolism was driven by the oxidative
conversion of CO to CO2 and by a cascading oxidative conversion of colloidal
FeS with the end member FeS2. The primordial metabolism generated organic
constituents that became surface bonded in statu mascendi and that were activated
for further reaction. The surface metabolism evolved (self-expanded) by the
addition of autocatalytic feedback loops. This means that the dynamic analogue
information of feedback loops preceded the structural digital information
of sequences. In detail, the early evolution of life proceeded notably by
self-lipophilization, which later led to cellularization; and by ligand replacement
notably by peptides and later by coded proteins, which led to enzymatization.
The enzymatization occurred one by one. This means that the pre-enzymatic
metabolic pattern was conserved throughout the process of enzymatization and
this is the reason why the method of biochemical retrodiction is applicable
down to the very origin of life.
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| Karl Popper (1902-1994) |
Question 4: Which are the weak points of the heterotrophic
theory of the origin of life?
Answer A: For the following reasons a soup of organic compounds could never
have existed. (1) The atmosphere that would have been required for synthesis
by discharges never existed. (2) The presumptive organics in comets, meteors
or the like could not have survived the melting of the young Earth. (3) An
ocean with organics could not have survived the intense percolation through
the very hot primordial crust nor could an ocean with organics have survived
the very intense volcanism or plate tectonics creating massive sedimentation
of volcanic dust.
Question 4.1 Nevertheless, there is a moon in our solar system
with an atmosphere quite similar to that used in Miller's experiments and
with low temperatures. I am talking about the moon Titan. Do you think that
life could have started heterotrophically on this moon.
Answer: I have to apologize. My knowledge about moon Titan is very limited
to say the least. For solving the problem of the origin of life we have to
solve a large number of problems in a coherent manner. Your question about
the moon Titan refers only to a small partial problem. Let us assume that
the atmosphere of the moon Titan is as in Millers experiments (H2O, NH3, CH4).
Let us further assume that the Miller reactions do go on in this atmosphere.
Where does this bring us? Only one question would be answered but none of
the other problems of a heterotrophic origin of life would be solved. What
is worse, moving from the Earth to moon Titan makes the other questions much
more difficult to answer or even unanswerable.
Answer B: More importantly, the notion of a heterotrophic origin is paradoxical:
At the moment of cellularization the formation of a closed lipid membrane
envelope would have hindered access of hydrophilic or ionic organic nutrients.
As a way around this problem it is frequently assumed that the first lipid
membranes were instable and leaky and somewhat permeable for low molecular
hydrophilic or ionic organic compounds. Since nutrition is undoubtedly the
most important requirement of an organism, subsequent evolution of the heterotrophic
cellular organisms would have been driven in the direction of more and more
leaky lipid membranes, which would have improved nutrition, but countermanded
cellular stability. Evolution in the opposite direction of less and less leaky,
more and more self-supporting lipid membranes would have improved cellularization,
but countermanded nutrition. This means that the cellularization of a heterotrophic
organism would have been a self-defeating process and therefore counter-selective,
unless jointly with cellularization a variety of membrane units for the membrane
transport of the various organic nutrients would have been ushered in, which
is improbable. So, no matter how we put it, cellularization of a heterotrophic
organism is a nutritional impossibility. An autotrophic origin with CO and/or
CO2 as nutrients does not run into this paradox. Evolution toward less and
less leakiness would not have hindered nutrition, since a lipid membran is
permeable for CO and CO2. Therefore the retaining function of the cell membrane
could have been improved by evolution without impairment of nutrition.
Answer C: Another paradox concerns the activation of soup constituents. If
they are reactive enough for undergoing the reactions in the origin of life
they are not stable in the soup due to hydrolysis (at whatever temperature).
If they are stable in the soup they are not reactive for the origin.

Question 5: Which are the main experimental findings supporting
your theory?
Answer: The main experimental findings: (1) Formation of H2 from FeS and H2S
(Taylor et al. J. inorg. nucl. Chem., 1979; Drobner et al., Nature, 1990 (2)
Formation of CH3SH from CO2 by FeS, if it holds (Heinen & Lauwers, Origins
of Life, 1995); (3) CO fixation to acetylthioester in the presence of (Fe,Ni)S
(Huber & Wächtershäuser Science, 1997); (4) Pyruvate formation
from FeS and CO at high pressure, if it holds (Cody et al, Science, 2000);
(5) Nitrogen fixation by FeS (Weigand's group, Angewandte Chemie, 2003); (6)
Reductive amination of alpha-keto acids with NH3 on FeS in the absence of
carbonate (Huber & Wächtershäuser, Tetrah. Lett., 2003, revising
Hafenbradl et al. Tetrah. Lett. 1995); (7) Formation of peptides from amino
acids with CO and (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser, Science,
1998); (8) Metabolic peptide cycle with anabolic and katabolic segments through
purine-related hydantoin and urea derivatives on (Fe,Ni)S, catalytic for and
driven by the conversion of CO to CO2 (Huber et al., Science, 2003).
Question 6: Which is the significance of bacteria with internal
pyrite grains? Has any hybrid metabolism been discovered?
Answer: In the days of early over-enthusiasm there was a precipitous report
about bacteria with internal pyrite, but it has been retracted.
Question 7: Which is the coupling system proposed to use
free energy of sulfide oxidation?
Answer: Oxidative pyrite formation from FeS and H2S is an electron source
and energy source. I suggested that the electrons would be available for reduction
reactions of the metabolic autotrophic origin of life (Wächtershäuser,
Syst. Appl. Microbiol., 1988). Coupling would have occurred by electron transfer
to generate first Fe3+ with a later conversion to pyrite. Incidentally, the
long known formation of pyrite from FeS and elemental sulfur, sometimes observed
in microbial culture chambers (Stetter et al. Syst. Appl. Microbiol. 1983;
discussed in Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol. 1988), is not
an electron source. Recently, and importantly, CO as nutrient and the oxidative
conversion of CO to CO2 have assumed center stage. Coupling mechanisms have
been suggested in Science 1998 and Science 2003.
Question 8: How do you overcome the Donnan effect? A constant
internal and external osmolality could exert an effect against evolution of
semicellular organism towards cytoplasmic metabolism, specially, it could
stop the emergence of the genetic machinery in this phase. Do you consider
the posibility of non coded peptides synthetized during the first phase acting
as ionic channels?
Answer: Cellularization must have occurred first by the lipophilization of
the mineral (colloidal) surfaces and later by mineral-supported membrane patches
and still later by self-supporting membranes with frequent fusions and fissions.
As soon as stable membranes arose, concentration gradients were the automatic
result, which added another energy source.
Question 9: From your point of view, which is the role of
temperature gradients formed in hydrothermal ambients? Could it have been
the origin of selforganized processes relevant for the origin of life?
Answer: Micro-organisms are too small to exploit a temperature difference
or gradient like a steam engine does. Everything depends on the presence of
a chemical potential, and later a chemical gradient across the cell membrane.
The chemical potential (non-equilibrium) is generated by fluid quenching from
high temperature (e.g. 1500C) to low temperature (e.g. 100C).
Question 10: The L-amino acid excess discovered in many meteorites
has moved the biochirality problem towards stellar radiation. Is this finding
strong enough to damage irreversibly your theory of bio-homochirality?
Answer: I now favor the view that biochirality is due to feedback cycles on
mineral surfaces in the course of the evolution of the metabolism toward macromolecular
structures (cf. Wächtershäuser, Microbiol. Rev., 1988).
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| Louis Pasteur (1822-1888) |
Question 11: During recent past years biomarkers have raised
strong controversy, specially since McKay's ALH84001 results. Could we deduce
some biomarkers from your theory?
Answer: Presently no theory is mature enough to suggest primordial biomarkers
that would justify spending very large sums of money. This would be a wild
goose chase with totally unpredictable results.
Question 12: Why, until this date, can we not drive any successful
assay to create life in the laboratory as we think it is emerging currently?
Because you think that currently life is born as pyrite in anoxic way, is
it not?
Answer: The recipe for the origin of life is not complete in terms of catalysts.
There has not been enough experimental capacity for studying the catalyst
systems for an autotrophic origin of life as compared to the hundreds of millions
that have been wasted in 60 years of soup experiments by hundreds of groups.
Extremely high pressure may be required. There is presently no way to carry
out experiments under CO flow conditions at extremely high CO pressures, since
CO is highly corrosive and since extremely compressed CO gas is very dangerous.
Question 13: In such case, how is the genetic code conserved?
I mean, is P-Ser always associated with same codons at the beginning?
Answer: I would like to rephrase your question as follows: If the origin of
life occurred continuously, why is there the astounding unity of biochemistry?
Due to the extreme simplicity of the pathways of an autotrophic origin (1+1=2;
2+1=3; 2+2=4 etc.) the number of chemical possibilities at the origin is extremely
limited, virtually deterministic. This original unity of chemistry is the
basis for the later unity of biology. The next stage after the surface metabolism
is the stage of semi-cells that are still dependent on inorganic surfaces.
The semi-cells are not stably isolated from each other. They share their endowments
notably during the formation of the genetic machinery. The next discernable
stage is Otto Kandler's famous pre-cell stage. Pre-cells are independent of
a mineral support. They have a self-supporting lipid membrane, but they still
undergo a wholesale exchange of genetic endowments during fusion-fission processes
within now a greatly enlarged biosphere. This is the basis for the continued
unity of life up to and beyond the division into the three domains of life:
Bacteria, Archaea and Eukarya (see Wächtershäuser, Molecular Microbiology,
2003, 47, 13-23).
Question 14. So, the universality of the genetic code would
be the result of homogenizing processes applied to heterogeneous (diverse)
immature genomes, restricted by the unity of the autotrophic biochemistry
in multiple origins. It would not be a clue to a single (or common) origin
fixed by an historic contingency. Is it not?
Answer: I believe that the extreme simplicity of an autotrophic origin
of life forces a chemically deterministic origin, which will be the same in
all places and at all times. The synthetic nature of the autotrophic processes
is the reason for the increase of complexity in the subsequent evolution.
The increasing complexity means an increase of reaction possibilities. The
explosion of possibilities occurred with the emergence of the genetic machinery.
Let me use a metaphor. Life originated in a narrow canyon of possibilities.
At some point this canyon opened into a flat terrain of genetic possibilities.
These however are not totally free. They remain somewhat restricted to the
nature of the canyon and they remain in the area where it opened into the
plane.
Due to the important work by Wong we have to assume that the genetic code
emerged in a multi-step process in coevolution with the evolution of the biosynthetic
pathways to the amino acids. There is nothing that forces us to assume that
this protracted evolution ever led to "heterogeneous (diverse) immature
genomes". It might even have been chemically deterministic all along.
We simply do not know. All the precipitous statements about "frozen accidents"
or "historic contingency" in early evolution are premature and perhaps
have the effect of erecting walls against thinking.
Question 15. Therefore, this implies that life in other Earth-like
planets as Mars or Europa, if it exists or existed, will be very similar in
terms of the genetic machinery. What about the universal nature of the theories
of the origin of life? If we think the origin of life is an evolutionary chemical
process, we need a universal approach. Do you agree?
Answer: I fully agree. Chemistry is a universal science. The laws of chemistry
hold in all places and at all times. They are independent of geography and
calendar. They are not historic. This is one of the fascinating difficulties:
How did the universal chemical process turn into an historic process?
Question 16.You based your theory of the emergence of the
two prokaryotic domains Bacteria and Archaea (Wächtershäuser, Molecular
Microbiology, 2003, 47, 13-23) on a lipid incompatibility. Briefly could you
explain what lipid incompatibility is?
Answer: When Pasteur crystallized tartaric acid from a solution he noticed
that the racemic 50:50 mixture of the tartaric acid separated into two homochiral
crystal types, which he separated with pincers under a microscope. Similarly
it has been found that a 50:50 racemate of lipids, when converted to a membrane
separates into a 50:50 pattern of two types of intermeshed homochiral membrane
domains. This occurs by physico-chemical forces alone and deterministically!
Question 17.Is there any group working on experiments you proposed
to potentially falsify your lipid membrane evolution theory?
Answer: I do not know of any such group. But the group of Koga in Japan is
the best in the field and would be highly competent.
Question 18.Following Kandler's hypothesis is it possible
for new domains (other than Bacteria, Archaea or Eukarya) to emerge or have
all the possibilities already been explored with the three domains Bacteria,
Archaea and Eukary?
Answer: In my reading all possibilities have been explored. The domains
Bacteria and Archaea are due to the two lipid enantiomers. There are only
two. The question of the Eukarya is a little more difficult to answer. One
might ask, if alternative "Eukarya" could have come about by the
endosymbiosis of Archaea and pre-cells with a predominance of archaeal lipids.
I tend to think that the structure of the archaeal lipids made this impossible,
while the structure of the bacterial lipids made it possible.
Question 19.To finalize, from your point of view, which are
the most relevant unanswered questions concerning the origin of life?
Answer: The answer depends on the theory you have in mind. In my theory
the most pressing question concerns the combination of parameters (temperature,
pressure, pH, ionic strength, nutrient types and concentrations as well as
composition and history of the catalysts) that would support an autocatalytic
carbon fixation process and its subsequent evolution. Once this is explored,
the main problems will be analytical.
D.S- Thank you very much. I hope this interview will be the begining of a productive and lovely debate in Huygens and beyond.
G.W- Thank you so much for your interest. Your questions have been very stimulating. It was a pleasure working with you.
A lo largo de un mes el Dr. Günter Wächtershäuser y yo hemos mantenido una entrevista por correspondencia electrónica tratando los principales argumentos sobre la hipótesis autotrófica del origen de la vida. El Dr. Wächtershäuser hace un completísimo repaso desde los orígenes de su teoría hasta los más recientes argumentos sobre el origen de los tres dominios de la vida. Abordamos también cuestiones relevantes para la Astrobiología.
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Gunter Wachtershauser
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D.S.- Muchas gracias Dr. Wächtershäuser por
acceder a contestar mis preguntas. Estoy muy orgulloso y espero que todo marche
sobre ruedas. En primer lugar ¿Cuándo comenzó a interesarse
por el origen de la vida? ¿Cuáles fueron sus fuentes de inspiración?
G.W- Comencé a interesarme por el origen de la vida durante
1972/3, cuando como abogado de patentes leí un artículo de mi
primer profesor de física-química, Profesor Hans Kuhn (RNA en
rocas porosas). Fue publicado en "Angewandte chemie". Entonces yo
creía de forma ingenua en la teoría de la sopa primigenia y
que Kuhn fundamentalmente había resuelto el problema. A principios
de 1973 me interesé profundamente por la epistemología de Karl
Popper. Tiempo después, en 1982 conocí a Karl Popper en persona.
En los años que siguieron a aquel primer encuentro Popper llegó
a ser mi más cercano amigo y mi mentor. Mi pensamiento ha estado profundamente
influenciado por Popper. De acuerdo con la filosofía del conocimiento
de Popper, la evolución cultural, dentro de la que se incluyen los
descubrimientos científicos y las invenciones técnicas, procede
básicamente de la misma manera que lo hace la evolución biológica:
Como una concatenación interminable de problemas e "intentonas"
de solución dando lugar a la emergencia de nuevos problemas, y así
hacia delante. Me di cuenta de que yendo hacia atrás en esta concatenación
llegábamos al origen de la vida como origen de todos los problemas.
Entonces comencé a desarrollar una teoría general de la evolución
de los problemas, la cual dejé apartada tiempo después. En 1982
William W. Bartley III, pupilo de Popper, me invitó a dar una conferencia
en un simposium filosófico en Nueva York. En la conferencia (1983)
relacioné el trabajo de Hans Kuhn, desde un punto de vista metodológico,
con la epistemología de Karl Popper. Inspirado por los artículos
de Bartley y el psicologista Donald Campbell poco después (1983/4)
escribí un manuscrito con el título "Luz y vida" en
el cual analizaba el origen de la percepción visual y la fotosíntesis.
El artículo se publicó en un volumen filosófico (Wächtershauser,
G. (1987) Light and life: on the nutrition origins of sensory perception.
In: Evolutionary Epistemology, Rationality and the Sociology of Knowledge
(Radnitzky, G. & Bartley III, W.W. eds.) pp. 122-138. La Salle: Open Court).
Este artículo marca los comienzos de mi metodología de la "retro-dicción
bioquímica". En 1982 y 1984 me encontré con Carl Woese,
uno de los fundadores de la teoría del mundo de RNA. Fui presentado
a Woese por uno de mis colaboradores, George Fox, quien había venido
a vernos a Munich y con quien llegué a estar emparentado cuando su
padre, que había enviudado, se casó con la madre de mi esposa,
también viuda. De Carl Woese aprendí que la teoría de
la sopa prebiótica estaba seriamente viciada y que el problema del
origen de la vida estaba lejos de estar resuelto, sin embargo, en aquella
época no podía ver ninguna alternativa a la teoría de
la sopa y por lo tanto permanecí cautivo por ella.
D.S- ¿Cuál fue la metodología empleada
en la construcción de su teoría?
G.W- La metodología de la reconstrucción evolutiva, llamada
"backward projection" por Fritz Lipman, es utilizada por casi todo
el mundo. Consiste en postular relaciones "una a una" entre funciones
existentes y funciones precursoras. Esto conduce inevitablemente a una colección
creciente de funciones precursoras, ya que no hay mecanismo restrictivo. Esto
significa que existiendo agua tenemos un caldo prebiótico con un caos
de posibilidades. Fui capaz de superar esta debilidad intrínseca al método
de "backward projection" desarrollando una nueva metodología,
a la cual llamo "biochemical retrodiction". Esta metodología
postula "varias a una" relaciones entre varias funciones existentes
dispares y una función común precursora. A partir de aquí
varias funciones precursoras y dispares son de nuevo relacionadas con una función
precursora todavía más anterior y así hacia atrás.
De esta manera, conforme profundizamos se genera un patrón de convergencia
global. Así, este método nos conduce a un organismo primordial
definido y no a una sopa primordial. Mi metodología es una variante del
principio de "capacidad explicativa" de Popper. De entre dos teorías
se selecciona aquella que explica el mayor número de hechos con la menor
cantidad de asunciones. Es también al mismo tiempo una variante de la
filosofía de Popper sobre el conocimiento histórico, la cual él
llama "lógica situacional". Consiste en la reconstrucción
de situaciones problemáticas históricas y objetivas. Debo añadir
que en la ley de patentes se asumió mucho tiempo atrás que las
invenciones solamente podían ser entendidas como soluciones a problemas
objetivos, lo cual es el motivo de mi entusiasmo inicial por Popper.
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| Hans Kuhn (1919-1990) |
D.S- ¿Cuáles son los principales pilares en los que se
sustenta su teoría?
G.W- La metodología de la retrodicción bioquímica
es el pilar principal. Es en esencia una metodología de la evolución
racional de la teoría. Gracias a esta metodología mi teoría
ha evolucionado enormemente a lo largo de los años. Algunas de las principales
características de mi teoría, las cuales hoy en día considero
muy importantes, pueden ser resumidas como sigue. La vida comenzó
como un metabolismo autocatalítico, quimioautotrófico de superficie
de compuestos orgánicos de bajo peso molecular. Éstos se
formaron en origen mediante la fijación de CO y posteriormente por fijación
de CO2 a partir de un acervo volcánico (CO, CO2, H2S, NH3) sobre superficies
de precipitados coloidales de sulfuros de hierro, níkel y otros metales
de transición. El metabolismo de superficie fue conducido mediante la
conversión oxidativa de CO a CO2 y por una cascada de conversión
oxidativa de FeS coloidal hasta el FeS2. El metabolismo primordial generó
constituyentes orgánicos que llegaron a estar unidos a la superficie
en "status nascendi" y activados para llevar a cabo reacciones consecutivas.
El metabolismo de superficie evolucionó (auto-expandió) mediante
la suma de loops de feedbacks autocatalíticos. Esto significa que la
información dinámica de loops de feedback precedió a la
información digital estructural de las secuencias. En detalle, la evolución
temprana de la vida procedió notablemente mediante autolipolificación,
que más tarde condujo a la celularización; y mediante remplazamiento
pricipalmente por péptidos y más tarde por proteínas codificadas,
lo cual condujo a la enzymatización. La enzymatización ocurrió
una a una. Esto significa que el patrón metabólico preenzymático
se conservó a través del proceso de enzymatización y esta
es la razón de por qué el método de retrodicción
es aplicable hasta el mismo origen de la vida.
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| Karl Popper (1902-1994) |
D.S- ¿Cuáles son los puntos débiles de la teoría
heterotrófica del origen de la vida?
G.W- Respuesta A: Por las siguientes razones una sopa de compuestos orgánicos
nunca podría haber existido. (1) La atmósfera que se habría
requerido para la síntesis por descargas nunca existió. (2) Las
pruebas de moléculas orgánicas en cometas, meteoritos o similares
no habrían podido superar la fusión de la Tierra en sus primeras
etapas. (3) Un océano con moléculas orgánicas no podría
haber resistido la intensa percolación a través de la caliente
corteza primordial ni podría un océano con moléculas orgánicas
haber superado el muy intenso vulcanismo o la tectónica de placas creando
una sedimentación masiva de polvo volcánico.
D.S- Permítame un breve inciso. Existe una luna en nuestro sistema
solar con una atmósfera similar a la utilizada en experimento de Miller
y con bajas temperaturas. Estoy hablando de Titán. ¿Cree que este
modelo podría ser válido para este satélite saturniano?
G.W- Tengo que disculparme. Mi conocimiento sobre Titán es muy
limitado. Para resolver el problema del origen de la vida tenemos que resolver
una amplia variedad de problemas de manera coherente. Su cuestión acerca
de Titán se refiere únicamente a un problema parcial pequeño.
Asumamos que la atmósfera de Titán fuera como la utilizada por
Miller en sus experimentos (H2O, NH3, CH4). Asumamos todavía más
que las reacciones de Miller tuvieran lugar en esta atmósfera. A dónde
nos llevaría esto, sólo una pregunta podría ser contestada,
pero ningún otro problema sobre el origen heterotrófico de la
vida podría ser resuelto. Lo que es peor, al desplazarnos de la Tierra
hasta Titán el resto de preguntas se hacen más difíciles
de contestar o incluso imposibles.
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Vision artística de la Nave Cassini y la sonda
Huygens, con Saturno al fondo.
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G.W-Respuesta B: Más importante, la noción de un origen
heterotrófico es paradójica: En el momento de la celurarización
la formación de una envuelta membranosa podría haber dificultado
el acceso de nutrientes hidrofílicos o iónicos. Un camino para
superar esta dificultad asume que las primeras membranas eran inestables y agujereadas,
permeables de alguna manera para los compuestos iónicos orgánicos
o hidrofílicos de bajo peso molecular. Ya que la nutrición es
indudablemente el requerimiento más importante para un organismo vivo,
la evolución subsiguiente de los organismos celulares heterotróficos
podría haber sido conducida en la dirección de membranas lipídicas
cada vez más agujereadas, las cuales podrían haber facilitado
la nutrición, pero a expensas de la estabilidad celular. La evolución
en la dirección opuesta en la que las membranas lipídicas son
cada vez menos agujereadas y más auto sostenidas podría haber
favorecido la celularización, pero a expensas de la nutrición.
Esto significa que la celularización de un organismo heterotrófico
podría haber sido un proceso autodestructivo y por lo tanto contra selectivo,
a menos que junto con la celularización una variedad de unidades de membrana
para el transporte a través de membrana de varios nutrientes orgánicos
hubieran sido utilizados, lo cual es improbable. Por lo tanto, no importa el
orden en que lo pongamos, la celularización de un organismo heterotrófico
es una imposibilidad nutricional. Un origen autotrófico con CO y/o CO2
como nutrientes no caería en esta paradoja. La evolución hacia
membranas menos agujereadas no habría dificultado la nutrición
ya que una membrana lipídica es permeable para CO y CO2. Por consiguiente,
la función de retención de la membrana celular podría haber
sido estimulada por la evolución sin impedir la nutrición.
Respuesta C: Otra paradoja atañe la activación de los constituyentes
de la sopa. Si son lo suficientemente reactivos para llevar a cabo las reacciones
en el origen de la vida no son estables en la sopa debido a reacciones de hidrólisis
(a cualquier temperatura). Si son estables en la sopa no son lo suficientemente
reactivos para el origen.
D.S- ¿Cuáles son los principales hallazgos experimentales
que apoyan su teoría?
G.W- Los principales hallazgos experimentales: (1) Formation of H2 from
FeS and H2S (Taylor et al. J. inorg. nucl. Chem., 1979; Drobner et al., Nature,
1990 (2) Formation of CH3SH from CO2 by FeS, if it holds (Heinen & Lauwers,
Origins of Life, 1995); (3) CO fixation to acetylthioester in the presence of
(Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser Science, 1997); (4) Pyruvate
formation from FeS and CO at high pressure, if it holds (Cody et al, Science,
2000); (5) Nitrogen fixation by FeS (Weigand's group, Angewandte Chemie, 2003);
(6) Reductive amination of alpha-keto acids with NH3 on FeS in the absence of
carbonate (Huber & Wächtershäuser, Tetrah. Lett., 2003, revising
Hafenbradl et al. Tetrah. Lett. 1995); (7) Formation of peptides from amino
acids with CO and (Fe,Ni)S (Huber & Wächtershäuser, Science, 1998);
(8) Metabolic peptide cycle with anabolic and katabolic segments through purine-related
hydantoin and urea derivatives on (Fe,Ni)S, catalytic for and driven by the
conversion of CO to CO2 (Huber et al., Science, 2003).
D.S- ¿Cuál es la importancia de las bacterias con granos
de pirita en su interior? ¿Se ha descubierto algún metabolismo
híbrido?
G.W- En los primeros días de euforia hubo un informe precipitado
sobre la existencia de bacterias con gránulos de pirita en su interior,
pero esto ha sido desmentido.
D.S- ¿Cuál es el sistema de acoplamiento propuesto para
utilizar la energía libre de la oxidación de los sulfuros?
G.W- La formación oxidativa de la pirita a partir de FeS y H2S
es una fuente de energía y de electrones. Sugerí que los electrones
podrían estar disponibles para las reacciones de reducción del
origen autotrófico (Wächtershäuser, Syst. Appl. Microbiol.,
1988). El acoplamiento podría haber ocurrido mediante transferencia de
electrones para generar primero Fe3+ con una posterior conversión a pirita.
Incidentalmente, la amplia conocida formación de la pirita a partir de
FeS y azufre elemental, algunas veces observada en cámaras de cultivo
(Stetter et al. Syst. Appl. Microbiol. 1983; discussed in Wächtershäuser,
Syst. Appl. Microbiol. 1988), no es una fuente de electrones. Recientemente
y de manera importante, el CO como nutriente y la conversión oxidativa
de CO a CO2 han asumido un papel central. Los mecanismos de acoplamiento se
han expuesto en Science 1998 y Science 2003.
D.S- ¿Cómo se supera el efecto Donan? Una osmolaridad
constante e igual externa e interna podría ejercer un efecto contra la
evolución de los organismos semicelulares hacia el metabolismo citoplasmático,
especialmente, podría detener la emergencia de la maquinaria genética
en esta fase. ¿Considera la posibilidad de péptidos no codificados
genéticamente sintetizados durante la primera fase que actuaran como
canales iónicos?
G.W- La Celularización debe haber ocurrido inicialmente por lipofilización
de superficies minerales (coloidales), más tarde por parches de membranas
soportadas por minerales y posteriormente mediante membranas auto sostenidas
con fusiones y fisiones frecuentes. Tan pronto como una membrana estable emerge,
los gradientes de concentración son el resultado automático, lo
cual añadió otra fuente de energía.
D.S- Según su opinión ¿Cuál es el papel
de los gradientes de temperatura formados en los ambientes hidrotermales? ¿Podría
haber sido relevante para el origen de la vida la emergencia de procesos autoorganizados
a partir de estos gradientes?
G.W- Los Microorganismos son demasiado pequeños para aprovechar
una diferencia o un gradiente de temperatura de la forma que lo hace un motor
a vapor. Todo depende de la presencia de un potencial químico, y más
tarde de un gradiente a través de la membrana celular. El potencial químico
(no equilibrio) se genera por enfriamiento del fluido desde las altas temperaturas
(1500 AC) hasta las bajas temperaturas (100ºC).
D.S- El exceso de L-aminoácidos descubierto en varios meteoritos
ha desplazado el problema de la homoquiralidad biológica hacia la radiación
estelar. ¿Es este hallazgo lo suficientemente fuerte para dañar
irreversiblemente su teoría de la biohomoquiralidad?
G.W- Actualmente me inclino por la visión de que la biohomoquiralidad
se debe a ciclos de feedback sobre superficies minerales en el curso de la evolución
del metabolismo hacia la formación de estructuras macromoleculares (cf.
Wächtershäuser, Microbiol. Rev., 1988).
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| Louis Pasteur (1822-1888) |
D.S- Durante los últimos años una encendida controversia
se ha generado en torno a los biomarcadores, especialmente desde los resultados
de McKay y colaboradores sobre ALH84001. ¿Podríamos deducir algunos
biomarcadores a partir de su teoría?
G.W- Hoy en día ninguna teoría ha alcanzado el suficiente
grado de madurez como para sugerir biomarcadores primordiales que justificaran
el gasto de enormes sumas de dinero en su búsqueda. Esto sería
como la caza del ganso salvaje, con resultados impredecibles.
D.S- ¿Por qué hasta la fecha no hemos sido capaces de
llevar a cabo ningún experimento exitoso en el laboratorio para crear
vida tal como pensamos que está emergiendo hoy en día? Porque
usted piensa que actualmente la vida está naciendo como lo hace la pirita
de forma anóxica. ¿No es así?
G.W- La receta para el origen de la vida no está completa en términos
de catalizadores. No ha existido una capacidad experimental suficiente para
estudiar el sistema de catalizadores necesario para un origen autotrófico
de la vida en comparación con los cientos de millones que han sido invertidos
en sesenta años de experimentos con la sopa por parte de cientos de grupos
diferentes. Para realizar estos experimentos se requerirían presiones
extremadamente elevadas. Hoy en día no hay forma posible de llevar a
cabo experimentos de flujo de CO a tales presiones ya que el CO es extremadamente
corrosivo y una vez comprimido es muy peligroso.
D.S- En tal caso, ¿Cómo se conserva el código genético?
Quiero decir, P-SER está siempre asociada a los mismos codones desde
el inicio?
G.W- Me gustaría reformular su pregunta como sigue: Si el origen
de la vida ocurre constantemente, ¿por qué esta asombrosa unidad
de la bioquímica? Debido a la extrema simplicidad de las rutas de un
origen autotrófico (1+1=2; 2+1=3; 2+2=4 etc.) El número de posibilidades
químicas en el origen es extremadamente limitado, virtualmente determinista.
Esta unidad primordial de la química es la base de la posterior unidad
biológica. El siguiente estadío tras el metabolismo de superficie
es el estadío de semicélulas que es todavía dependiente
de superficies inorgánicas. Las semicélulas no son estables todavía
aisladas unas de otras. Comparten sus legados principalmente durante la formación
de la maquinaria genética. El siguiente estadío discernible es
el famoso estadío precelular de Otto Kandler. Aquí las precélulas
se hacen independientes del soporte mineral. Tienen una membrana lipídica
auto sostenida, pero todavía sufren un intercambio a gran escala de la
dotación genética durante procesos de fusión y fisión
en el interior de una biosfera creciente. Esta es la base de la continuidad
de la unidad de la vida desde y más allá de la división
de la vida en los tres dominios: Bacterias, Arqueas y Eucariotas (ver Wächtershäuser,
Molecular Microbiology, 2003, 47, 13-23).
D.S- Por lo tanto, la universalidad del código genético
sería el resultado de procesos de homogeneización de genomas heterogéneos
(diversos) e inmaduros restringidos por la unidad de la bioquímica autotrófica
de múltiples orígenes. No sería entonces una pista de un
único (o común) origen fijado por una contingencia histórica.
¿No es así?
G.W- Creo que la extrema simplicidad de un origen autotrófico
de la vida determina un origen químico determinista, el cual será
el mismo en todo lugar y tiempo. La naturaleza sintética de los procesos
autotróficos es la razón para el incremento de complejidad durante
la evolución subsiguiente. El incremento de la complejidad significa
un incremento de posibilidades de reacción. La explosión de posibilidades
ocurrió con el surgimiento de la maquinaria genética. Permítame
utilizar una metáfora. La vida se originó en un estrecho cañón
de posibilidades. Este cañón se abrió en un terreno llano
de posibilidades genéticas en varios puntos. Sin embargo, estos puntos
de apertura no son totalmente libres. Permanecen de alguna manera restringidos
por la naturaleza del cañón y así quedan en el área
donde se abrieron a la llanura.
Debido al importante trabajo desarrollado por Wong tenemos que asumir que el
código genético surgió en un proceso multipaso en coevolución
con la evolución de las rutas biosintéticas de los aminoácidos.
No hay nada que nos lleve a asumir que esta evolución prolongada condujera
alguna vez a "genomas heterogéneos (diversos) e inmaduros".
Podría haber sido incluso un proceso completamente determinista desde
un punto de vista químico. Simplemente no lo sabemos. Todas las afirmaciones
precipitadas acerca de "sucesos congelados" o "contingencias
históricas" en la evolución temprana son prematuras y quizás
tengan el efecto de erigir muros contra el pensamiento.
D.S- Por consiguiente, esto implica que la vida en otros planetas similares
a la Tierra como pudieran ser Marte o Europa, si existió alguna vez o
existe o existirá, sería muy similar en cuanto a la maquinaria
genética. ¿Qué hay sobre la naturaleza universal de las
teorías sobre el origen de la vida? Si creemos que el origen de la vida
es un proceso evolutivo de la química necesitamos una aproximación
universal. ¿Está de acuerdo?
G.W- Estoy completamente de acuerdo. La química es una ciencia
universal. Las leyes de la química se mantienen en todo lugar y tiempo.
Son independientes de la geografía y el calendario. No son históricas.
Esta una de las cuestiones más fascinantes: ¿Cómo el proceso
químico universal se convirtió en un proceso histórico?
D.S- Usted ha basado su teoría sobre la emergencia de los dos dominios
procarióticos Bacteria y Archaea (Wächtershäuser, Molecular
Microbiology, 2003, 47, 13-23) en la incompatibilidad lipídica. ¿Podría
explicar brevemente en qué consiste la incompatibilidad lipídica?
G.W- Cuando Pasteur cristalizó ácido tartárico disuelto
se dio cuenta de que la mezcla racémica 50:50 del ácido tartárico
se separaba en dos tipos de cristales homoquirales, que él separó
con pinzas bajo el microscopio. De forma similar se descubrió que una
mezcla racémica 50:50 de lípidos, cuando se convertía en
una membrana se separaba en un patrón 50:50 de dos tipos de dominios
de membrana homoquirales engranados entre sí. ¡Esto ocurre por
fuerzas fisicoquímicas únicamente y de forma determinista!
D.S- ¿Existe algún grupo trabajando en los experimentos
que usted propone para "falsar" su teoría sobre la evolución
de la membrana lipídica?
G.W- No tengo constancia de ello. Pero el grupo de Koga en Japón
es el mejor en este campo y estaría altamente cualificado para ello.
D.S- Siguiendo la hipótesis de Kandler ¿es posible la
aparición de nuevos dominios (a parte de Bacterias, Arqueas y Eucariotas)
o han sido exploradas todas las posibilidades con los tres dominios que conocemos?
G.W- Yo creo que se han explorado todas las posibilidades. Los dominios
Arquea y Bacteria se deben a los dos enantiómeros lipídicos. Solo
existen dos. La cuestión Eucariota es un poco más difícil
de responder. Uno debe preguntarse si una alternativa Eucariota podría
haber surgido a partir de la endosimbiosis entre las Arqueas y la población
de precélulas con predominio de lípidos arqueanos. Tiendo a imaginar
que la estructura de los lípidos arqueanos hizo esto imposible, mientras
que la estructura de los lípidos bacterianos lo hizo posible.
D.S- Una última cuestión para ya finalizar, desde su punto
de vista ¿cuáles cree que son las cuestiones más candentes
por resolver en cuanto al origen de la vida se refiere?
G.W- La respuesta depende de la teoría que tengamos en mente.
En cuanto a mi teoría la cuestión más acuciante se refiere
a la combinación de parámetros (Temperatura, presión, pH,
fuerza iónica, tipos de nutrientes y concentraciones así como
la composición e historia de los catalizadores) que podrían haber
dado lugar a un proceso autocatalítico de fijación del carbono
y su evolución posterior. Una vez esto haya sido explorado, los principales
problemas serán analíticos.
D.S- Muchísimas gracias por su amabilidad. Espero que este sea el comienzo de un hermoso y productivo debate en Huygens y más allá.
G.W- Muchas gracias por su interés. Sus preguntas han sido muy estimulantes y ha sido un verdadero placer trabajar con usted.