Interview
with the Dr. Günter Wächtershäuser. |
Entrevista con
el Dr. Günter Wächtershäuser. |
David
Serquera daserpey@ochoa.fib.es | |
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.
Gunter
Wachtershauser |
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.
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.
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).
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.
Gunter
Wachtershauser |
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.
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.
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.
Vision artística de la Nave Cassini y la
sonda Huygens, con Saturno al fondo. |
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).
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.