Biosfera heteroquiral: un mundo a dos manos

Publicación original:

Imagine un mundo en el que la quiralidad izquierda y derecha apareciera y evolucionara en una variedad de organismos complejos comparables a la Tierra después de la Explosión Cámbrica (tanto plantas como animales).

Al igual que en la Tierra, la quiralidad se aplicaría a los aminoácidos, azúcares, enzimas y potencialmente a otros bioquímicos esenciales. Un bioquímico con la quiralidad correcta tendrá un sabor u olor particular para un organismo con la quiralidad correspondiente, y será digerible/utilizable por su cuerpo, mientras que un bioquímico con la quiralidad opuesta carecerá de sabor u olor diferente, y es posible que su cuerpo no pueda digerir eso.

¿Es plausible que ambas formas de quiralidad no solo surjan sino que prosperen, sin que una lleve a la otra a la extinción muy pronto?

Para aclaración:

Como se indica en los comentarios a continuación, suponga lo siguiente:

  • En condiciones primordiales, la probabilidad de que una molécula bioquímica dada desarrolle zurdos o diestros es 50/50.

  • Las condiciones que dan lugar a tal molécula son, al menos en el área inmediata en el momento de su formación, lo suficientemente estables y/o repetibles como para que también se formen moléculas de sentido opuesto.

  • Si se pueden encontrar condiciones casi idénticas en otros lugares, los mismos procesos allí también pueden dar lugar a moléculas de sentido opuesto.

Entonces, al leer la pregunta anterior, se debe hacer hincapié en la segunda mitad:

¿Es plausible que ambas formas de quiralidad no solo surjan sino que prosperen, sin que una lleve a la otra a la extinción muy pronto?

"Early on" debe entenderse como cualquier punto anterior a la aparición de la vida multicelular.

No creo que lo sea, pero no puedo encontrar referencia científica. Pero piense así: sabemos que la vida ocurre una vez. Necesita que comience dos veces, de forma independiente y al mismo tiempo, para que el segundo no encuentre un mundo ya ocupado.
No es necesario que arranque dos veces. Posiblemente, los primeros compuestos bioquímicos replicantes que se forman tienen una probabilidad del 50/50 de ir hacia la derecha o hacia la izquierda; Estoy especulando que las poblaciones de ambos sobreviven.
es posible que hayan tenido un 50/50 de posibilidades de aparecer, pero una vez que la moneda cayó, ¿qué la pone en el aire nuevamente? La materia viva de la mano izquierda tendría que aparecer antes de que la materia de la mano derecha hubiera llenado la piscina o experimentado mucha acción darwiniana. Tal vez sea una piscina muuuy grande o muchas piscinas similares que no se mezclan.
@notstoreboughtdirt Presumiblemente, las condiciones que permiten que se forme un solo bioquímico permiten que se formen otros en el área inmediata en condiciones idénticas simultáneamente.
Leí la respuesta de Deavin en el sentido de que estaba equivocado sobre 50/50. Como último ingrediente, la vida de la mezcla se precipita con una precisión predecible a partir de las concentraciones y la temperatura. Sin embargo, tal vez esa mezcla podría ocurrir en un lugar no uniforme.

Respuestas (3)

En el océano primordial, los primeros compuestos se sintetizaron esencialmente por casualidad utilizando las fuentes de energía disponibles, incluidas la radiación y los rayos; aquí la quiralidad era 50/50.

De esta "sopa" surgieron las primeras "cosas", muy toscas y autorreplicantes.

Estos prosperaron consumiendo la gran cantidad de materia orgánica disponible.

Tan pronto como estos materiales se volvieron menos abundantes, apareció un fuerte impulso evolutivo: la capacidad de producir los compuestos complejos necesarios (¡raros!) a partir de los "más simples" relativamente abundantes.

Esto condujo a las primeras enzimas que actúan como catalizadores de reacciones químicas.

Este es el punto donde se rompió la simetría. La mayoría (si no todas) las enzimas catalizan una única quiralidad.

Esto significa que (relativamente) poco después de que las primeras protocélulas vivas "verdaderas" comenzaran a colonizar el océano (mucho antes de que el fitoplancton comenzara a cambiar la composición de la atmósfera), la gran mayoría de los compuestos orgánicos disponibles fueron producidos por células "vivas"... y por lo tanto con un quiralidad.

Es concebible que dos océanos primordiales que no se comunican pudieran haber dado a luz a bio(emi)esferas no relacionadas con compuestos parcial (o completamente) diferentes, posiblemente con diferente quiralidad. Como caso muy especial, sería posible que las dos bio(emi)esferas pudieran incluir el mismo compuesto con diferente quiralidad.

La probabilidad de que algo así suceda en la práctica es una incógnita, pero la considero bastante baja. La justificación es que se necesitaba una cadena muy larga y compleja de eventos improbables para producir células vivas en primer lugar y la probabilidad de que esta cadena suceda dos veces en el lapso de tiempo necesario para que la primera llene todos los entornos "probables" es bastante baja.

Las reacciones complejas son muy difíciles de configurar y replicar; como ejemplo, las mitocondrias (que aprendieron a producir energía a partir del azúcar y el oxígeno) nunca se replicaron, sino que se aceptaron como "compañeros" simbióticos dentro de otras células, siendo tan exitosas que prácticamente no hay ninguna célula que no las albergue (y todas están estrechamente relacionadas; no "evolución paralela").

En pocas palabras: es concebible tener biosferas diferentes y no relacionadas en el mismo planeta, dada la morfología adecuada. También es concebible que estas dos biosferas puedan entrar en contacto mucho más tarde (quizás debido a un movimiento tectónico que eliminó la barrera). En este caso, sin embargo, es extremadamente improbable que la biota sea "similar". La quiralidad sería el menor de los problemas.

ACTUALIZAR:

OP preguntó: En algún momento, la progenie de estas dos incubadoras, ya sean dos océanos separados por un mundo o dos charcas de marea separadas por metros, tiene que entrar en contacto. Entonces, ¿qué sucede ?

Depende (como siempre) de los detalles. Intentaré una especulación.

En general, habrá una etapa inicial en la que las dos poblaciones diferentes simplemente se ignorarán y competirán en igualdad de condiciones por los recursos disponibles. Los compuestos producidos por el "otro mundo" serían inútiles o incluso tóxicos (porque el conjunto enzimático no puede manejarlos) y, por lo tanto, no se producirá una interacción directa.

A partir de este momento, como se dijo, las dos poblaciones competirán por los recursos, lo que significa que si una tiene una ventaja significativa sobre la otra, conducirá lentamente al "medio mundo" "menos eficiente" hacia la extinción (puede resistir en algunos nicho protegido). Esto es lo que le sucedió a las bacterias anaeróbicas en nuestro mundo cuando apareció un metabolismo aeróbico más eficiente.

OTOH, si la eficiencia (incluso si se basa en diferentes procesos químicos) es aproximadamente la misma, entonces se producirá algún tipo de "reconocimiento mutuo".

Habrá un impulso para:

  • evitar el envenenamiento del "otro"
  • encontrar formas de metabolizar compuestos "alienígenas".

Cada paso en esta dirección corre el riesgo de romper el equilibrio mencionado y empujará a desarrollar "contramedidas". Algo similar a la "invención" de la lignina por parte de los árboles que llevó millones de años a las bacterias para encontrar una forma de hacerle frente.

Aquí puedes imaginar dos resultados divergentes:

  • guerra: competencia a muerte y por lo tanto una de las dos "mitades" prevalece tarde o temprano y lleva a la otra a la extinción (oa algún enclave biológico).

  • cooperación: desarrollo de uno o muchos arreglos simbióticos donde interacciones biológicas complejas incluirán especies de ambas "mitades".

En todo caso sería extremadamente improbable una "evolución paralela" de ningún tipo.

Estoy de acuerdo en que tener dos océanos primordiales es la clave. La segunda clave sería que los dos océanos se conecten antes de que evolucione la vida multicelular, pero la pregunta supone que está bien. También tengo curiosidad por saber cómo funcionarían las mitocondrias y los cloroplastos en este escenario. Las bacterias sin ninguno de los dos no se extinguieron, aunque la evolución paralela debería ser posible si la quiralidad es una barrera real. Lo cual podría no ser si las bacterias desarrollan la capacidad de consumir cualquier quiralidad.
@VilleNiemi: el hecho que estoy tratando de enfatizar es: dadas dos "incubadoras" separadas, están obligadas a generar dos formas de vida completamente diferentes, basadas en moléculas completamente diferentes. Es muy probable que se basen en algún tipo de polímeros largos, pero es poco probable que cualquiera de ellos sea lo que llamamos "proteína" en el mejor de los casos; tener ambos compartiendo la misma estructura básica implicaría alguna contingencia de la que actualmente no somos conscientes. Tener dos "mundos" independientes que evolucionan básicamente con el mismo tipo de biología (posiblemente, pero por quiralidad) es algo del Universo Star Trek.
Buen punto, pero un poco fuera de tema para la pregunta, ya que se trata de la posibilidad, no de la probabilidad. Y no es tan irrazonable asumir tal contingencia. El número de químicas posibles probablemente sea bastante limitado y los dos océanos probablemente sean bastante similares en composición química, ya que en realidad no son mundos separados. Pero sí, buen punto de todos modos.
En algún momento, la progenie de estas dos incubadoras, ya sean dos océanos separados por un mundo o dos charcas de marea separadas por metros, tiene que entrar en contacto. Entonces, ¿qué sucede?
@rek: Actualicé la Respuesta. Por favor échale un vistazo.

Por supuesto. En ¿Cómo pueden las personas que discriminan la orientación mantener sus puntos de vista cuando resulta que viven en una superficie no orientable? , planteo un mundo en un plano proyectivo real (ver nota 5). En particular, no es orientable.

En este mundo, aunque la quiralidad existe localmente, no existe como propiedad global de ningún objeto (químico, organismo, etc...). Esto significa que a medida que la vida se esparce por el mundo y lo envuelve, esencialmente revertirá su quiralidad automáticamente, como una banda de mobius (de hecho, un plano proyectivo es básicamente una banda de mobius sin límite).

Sin embargo, sospecho que muchos organismos se volverían parcialmente aquirales (incluso localmente) en ese mundo, para poder comer más cosas.

Tenga en cuenta que su mundo no necesariamente tiene que ser un plano proyectivo real para que esto funcione. Cualquier superficie no orientable se debe (solo recuerda que tiene que ser incrustable en un espacio 3D adecuado, a menos que quieras que tu mundo sea otro Flatland ).

Estoy un poco confundido con esta respuesta, ya que no parece aplicable a un planeta físico del tipo que sabemos que existe.
@rek lo siento, pensé que la pregunta era sobre mundos ficticios. ¿Se suponía que era como la Tierra?
@py Nunca se me ocurrió que tendría que especificar que es un mundo físico, esférico y basado en materia en un espacio tridimensional, comparable en todas las facetas a los planetas que sabemos que existen. Pero sí, llámalo parecido a la Tierra.
@rek Está bien. Que esta respuesta definitivamente no funciona.
@rek (Además, podrían existir agujeros de gusano no orientables , lo que también permitiría que esto funcione).

Podemos profundizar en niveles de química que te asombrarían, solo con esta pregunta.

Manteniéndolo breve y no técnico (relativamente), sería teóricamente posible, aunque, como se señaló en los comentarios sobre la pregunta, se desconoce cuáles serían las posibilidades.

El mejor lugar para comenzar sería averiguar cómo se determina la quiralidad (no me refiero a cómo determinamos la quiralidad de un químico, sino a cómo la síntesis del químico determina la quiralidad). Este estudio 'teórico' publicado muestra un intento de predecir la quiralidad:

Los resultados de una variedad de derivados de TADDOL [...] muestran una buena concordancia con los hallazgos experimentales para el signo, la magnitud y la dependencia de la temperatura del poder de torsión helicoidal (HTP). [...] Discutimos la temperatura y la dependencia del solvente del poder de torsión helicoidal y argumentamos que en todos los sistemas estudiados aquí, la selección preferencial de ciertas conformaciones moleculares a diferentes temperaturas y en diferentes solventes puede explicar el comportamiento experimental observado del HTP.

Así que es teóricamente posible predecir la quiralidad. Impresionante.

A continuación, debemos conocer los procesos por los que se crearon los productos bioquímicos que iniciaron la vida. Entonces lo mismo para los bioquímicos que la vida temprana necesitaba para sobrevivir. Esto continúa hasta que tenga una contabilidad de todos los productos químicos y sus condiciones de síntesis.

En otras palabras, probablemente imposible de descubrir.

Dicho esto, si asumimos que la vida de ambas quiralidades surgió en la misma biosfera, entonces es realmente una cuestión de "¿podrían cohabitar?" Probablemente, pero no en asociación directa. Casi todos los animales son territoriales y probablemente obligarían a otros a salir de sus territorios. Gran parte de la vida vegetal depende de la vida animal para ayudar en la polinización/esparcimiento de semillas, de modo que la quiralidad de la vida vegetal florezca allí mientras que otras no (específicamente aquellas que requieren interacciones de digestión para esparcir semillas, como la caca de pájaro).

"Probablemente, pero no en asociación directa" No estoy de acuerdo. Hay más ejemplos de mutualismo, por ejemplo, entre diferentes especies de los que podemos contar. Cualquiera de las dos especies podría tener tal relación sin preocuparse por la quiralidad de la otra.
La pregunta presupone que estos productos bioquímicos surgen más o menos por igual, por lo que no creo que gran parte de esta respuesta sea aplicable. En cuanto al último párrafo, se puede decir que los organismos complejos de quiralidad incompatible no compiten por los mismos recursos y, a su vez, no son "recursos" (presas), por lo que puedo imaginarme a los leones de la izquierda cohabitando con las cebras de la derecha, o una manada de cebra derecha e izquierda cebra (cada uno un señuelo no comestible para el otro), pero la pregunta es si podría llegar a ese estado.
@Renan, cualquier forma de desequilibrio en el delicado ecosistema haría que la balanza se inclinara. Digamos que hay 20 de ambas quiralidades de Plant, 21 d-Bird y 19 l-Bird. Dado que hay 1 d-Bird más, comerán d-Plants más rápido, l-Plants tendrá más oportunidades de propagarse, l-Birds tendrán más comida y crecerán, forzando a d-Birds a salir a través del territorialismo o la reducción de alimentos. disponibilidad. Eso es a lo que me refería. Tal vez simplificado demasiado, pero es solo un ejemplo. Independientemente , la edición de OP 3 meses después de que se publicó esta respuesta hace que sea discutible.
@rek esta respuesta presupone el pequeño detalle en la pregunta original, hace 3 meses cuando la respondí. Además, tome plantas por ejemplo; las plantas de cualquier quiralidad deben competir por cosas básicas como agua, nitrógeno, dióxido de carbono y luz solar. Entonces, la base del ecosistema compite mucho por los recursos, y cualquier quiralidad específica que obtenga una ventaja tendrá repercusiones en la cadena alimentaria. Eso no importa, según tu edición... pero tengo curiosidad: ¿para qué es esto? ¿Estás construyendo un mundo/tradición basado en esto? ¿Por qué no simplemente suponer que puede, con sus otras suposiciones?
@rek si está diciendo "supongamos que las moléculas se formarán en una quiralidad de 50:50", ¿por qué no "supongamos que la vida ha prosperado con una quiralidad de 50:50"?
Biosfera heteroquiral: un mundo a dos manos
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