Minerals: “pedres angulars” de l’evolució química prebiòtica

Imaginem-nos que ens trobem en el següent escenari: una Terra primitiva amb absència de vida, on només trobem oceans d’aigua líquida, roques i gasos provinents d’erupcions volcàniques. En aquestes condicions sembla impossible que hi pugui aparèixer qualsevol forma de vida. No obstant això, suposem també que tenim la instrumentació adequada per detectar i identificar components que puguin trobar-se dissolts en els oceans, i hi trobem una gran quantitat de compostos orgànics (compostos químics que contenen àtoms de carboni), des de compostos simples com el metanol (CH₃OH) o l’àcid fòrmic (HCOOH) fins a compostos complexos, alguns dels quals amb rellevància biològica com els aminoàcids, hidrats de carboni i nucleobases. Sabent que la vida terrestre es basa en la química orgànica (la química del carboni), ara, amb la presència d’aquests compostos, una eventual aparició de la vida ja és més imaginable. Tanmateix, des de la presència d’aquests compostos orgànics fins a la formació d’una possible forma de vida va d’haver-hi una seqüència organitzada d’esdeveniments, en què aquests compostos inicials evolucionen químicament i es converteixen en sistemes més complexos (a partir, òbviament, de reaccions químiques) fins al punt que aquests sistemes adquireixen funcionalitats biològiques que els permeten autoreplicar-se, que és el moment de transició d’un sistema no viu a un de viu.

Una de les etapes intermèdies d’aquesta seqüència evolutiva és la de la formació de biopolímers. Com he dit, els aminoàcids, els hidrats de carboni (també anomenats sucres) i les nucleobases són compostos orgànics amb rellevància biològica perquè són compostos precursors de les proteïnes i els àcids nucleics (ADN i ARN), sistemes biològics essencials per a la vida. En particular, la unió entre aminoàcids dona lloc a la formació de pèptids, que serien els biopolímers previs a les proteïnes, mentre que la unió entre una nucleobase amb un sucre (en concret l'oxiribosa o la desoxiribosa) i una molècula d’àcid fosfòric porta a la formació de nucleòtids, la unió dels quals forma biopolímers previs als àcids nucleics.

Aquests processos d’unió entre els diferents monòmers (és a dir, les unitats bàsiques constituents d’aquests biopolímers: aminoàcids, sucres, etc.) té lloc a través d’un tipus de reacció química anomenada condensació. Les reaccions de condensació són molt importants en química orgànica perquè permeten unir els diferents monòmers formant enllaços químics molt estables (del tipus C-C, C-N o C-O), i d’aquesta manera permeten incrementar la complexitat molecular amb els productes formats. Totes les reaccions de condensació, però, van associades a la pèrdua d’una molècula d’aigua. Això, que a priori pot semblar innocu, és un dels grans problemes en la formació de biopolímers en condicions prebiòtiques, on la gran majoria dels compostos orgànics, també els monòmers, es troben dissolts en l’aigua líquida dels oceans. I és que el fet que les reaccions de condensació alliberin una molècula d’aigua fa que aquestes reaccions siguin desfavorables (des d’un punt de vista termodinàmic) en medis aquosos, a causa d'un principi fonamental en equilibri químic anomenat principi de Le Chatelier. Sempre hem sentit a dir que la presència d’aigua és imprescindible per a l’aparició de la vida, però ara resulta que la presència d’aigua també és un problema per formar biopolímers essencials per a la vida. Benvinguts al que s’anomena la "paradoxa de l’aigua".

Com podem, doncs, superar el problema de l’aigua en les reaccions de condensació prebiòtiques? S’han formulat diferents hipòtesis, però una de les que té més força i de la qual s’ha demostrat la credibilitat per mitjà d’experiments i models numèrics és la teoria de la polimerització en les roques. La proposta original fou formulada per John D. Bernal a mitjans del segle passat. Aquest biofísic britànic proposà que les reaccions de condensació, en lloc de succeir en un medi aquós, podrien haver tingut lloc en les superfícies dels minerals. La idea fonamental d’aquesta teoria es basa en tres pilars:

1) Els minerals poden concentrar els reactius retenint-los en les seves superfícies. D’aquesta manera, aquests reactius poden estar pròxims entre ells per una eventual condensació.

2) La interacció dels reactius amb les superfícies dels minerals permet activar-los per reaccionar. Tota reacció química té una barrera d’energia (anomenada energia d’activació) que s’ha de superar per formar els productes. El fet que un reactiu estigui activat fa que l’energia d’activació disminueixi i per tant que aquesta barrera d’energia pugui ser superada més fàcilment.

3) Si la reacció succeeix en les superfícies minerals, l’aigua que es forma en la reacció de condensació pot quedar retinguda en la mateixa superfície mineral en lloc de ser alliberada al medi exterior. Com que la interacció de l’aigua amb aquestes superfícies és generalment molt favorable, el fet que l’aigua quedi retinguda fa que el balanç energètic global de la reacció sigui també molt favorable. D’aquesta manera evoluciona cap a la formació dels productes.

Amb el temps, aquesta teoria ha anat modificant-se progressivament. Per exemple, en la proposta original es parlava bàsicament d’argiles però s’ha vist que altres minerals presents en l’escorça terrestre, tals com la sílice, el diòxid de titani, òxids i sulfurs metàl·lics o apatites, també són minerals que faciliten l’ocurrència de les reaccions de condensació. També s’ha demostrat que els productes formats (els biopolímers) queden units a les superfícies dels minerals, i això suposa un conjunt d’avantatges. Un és que els biopolímers formats estan protegits pels minerals d’una possible degradació deguda, per exemple, a una exposició constant a la llum ultraviolada (procés anomenat fotòlisi) o a un trencament provocat per l’aigua (procés anomenat hidròlisi). Un altre avantatge és que el producte format pot continuar reaccionant a noves unitats monomèriques en les mateixes superfícies dels minerals, d’aquesta manera s'allarguen i adquireixen major complexitat química.

Així doncs, els minerals i les seves superfícies es consideren uns actors molt importants en processos de rellevància prebiòtica. Són, sense dubte, “pedres angulars” de l’evolució química primordial.