Many of the most profound scientific questions—and some of humanity’s most urgent problems—pertain to the science of atoms and molecules .
Muchas de las más profundas preguntas científicas— y algunos de los más urgentes problemas de la humanidad—se refieren a la ciencia de los átomos y moléculas.
MYSTERY #1
1.How Did Life Begin?
The moment when the first living beings arose from inanimate matter almost four billion years ago is still shrouded in mystery. How did relatively simple molecules in the primordial broth give rise to more and more complex compounds? And how did some of those compounds begin to process energy and replicate (two of the defining characteristics of life)? At the molecular level, all of those steps are, of course, chemical reactions, which makes the question of how life began one of chemistry.
The challenge for chemists is no longer to come up with vaguely plausible scenarios, of which there are plenty. For example, researchers have speculated about minerals such as clay acting as catalysts for the formation of the first self-replicating polymers (molecules that, like DNA or proteins, are long chains of smaller units); about chemical complexity fueled by the energy of deep-sea hydrothermal vents; and about an "RNA world," in which DNA’s cousin RNA—which can act as an enzyme and catalyze reactions the way proteins do—would have been a universal molecule, before DNA and proteins appeared.
No, the game is to figure out how to test these ideas in reactions coddled in the test tube. Researchers have shown, for example, that certain relatively simple chemicals can spontaneously react to form the more complex building blocks of living systems, such as amino acids and nucleotides, the basic units of DNA and RNA. In 2009 a team led by John Sutherland, now at the MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, England, was able to demonstrate the formation of nucleotides from molecules likely to have existed in the primordial broth.
Other researchers have focused on the ability of some RNA strands to act as enzymes, providing evidence in support of the RNA world hypothesis. Through such steps, scientists may progressively bridge the gap from inanimate matter to self-replicating, self-sustaining systems.
Now that scientists have a better view of strange and potentially fertile environments in our solar system—the occasional flows of water on Mars, the petro-chemical seas of Saturn’s moon Titan, and the cold, salty oceans that seem to lurk under the ice of Jupiter’s moons Europa and Ganymede—the origin of terrestrial life seems only a part of grander questions: Under what circumstances can life arise? And how widely can its chemical basis vary? That issue is made richer still by the discovery, over the past 16 years, of more than 500 extrasolar planets orbiting other stars—worlds of bewildering variety.
These discoveries have pushed chemists to broaden their imagination about the possible chemistries of life. For instance, NASA has long pursued the view that liquid water is a prerequisite, but now scientists are not so sure. How about liquid ammonia, formamide, an oily solvent like liquid methane or supercritical hydrogen on Jupiter? And why should life restrict itself to DNA, RNA and proteins? After all, several artificial chemical systems have now been made that exhibit a kind of replication from the component parts without relying on nucleic acids. All you need, it seems, is a molecular system that can serve as a template for making a copy and then detach itself.
Looking at life on Earth, says chemist Steven Benner of the Foundation for Applied Molecular Evolution in Gainesville, Fla., “we have no way to decide whether the similarities [such as the use of DNA and proteins] reflect common ancestry or the needs of life universally.” But if we retreat into saying that we have to stick with what we know, he says, “we have no fun.”
MISTERIO No.1
1.Como Empezó la Vida?
El momento en que los primeros seres vivos surgieron de la materia inanimada hace casi cuatro mil millones de años sigue estando envuelto en el misterio. ¿Cómo las moléculas relativamente simples en el ‘caldo primordial’ dieron origen a compuestos más y más complejos? ¿Y cómo algunos de esos compuestos comienzan a procesar la energía y a replicarse (dos de las características definitorias de la vida)? A nivel molecular, todos esos pasos son, por supuesto, las reacciones químicas, lo que hace que la pregunta de cómo comenzó la vida sea de química.
El desafío para los químicos ya no es llegar a los escenarios apenas válidos, los cuales abundan. Por ejemplo, los investigadores han especulado sobre minerales tales como arcilla que actúan como catalizadores para la formación de los primeros polímeros autorreplicantes (moléculas que, como el ADN o proteínas, son largas cadenas de unidades más pequeñas); sobre la complejidad química alimentada por la energía de la profundidad de aguas hidrotermales, y sobre un "mundo de ARN", en el que primo del ADN, el ARN que puede actuar como una enzima y catalizar las reacciones de la forma en que las proteínas lo hacen—podría haber sido una molécula universal, antes que el ADN y las proteínas aparecieran.
No, el juego es encontrar la manera de probar estas ideas en las reacciones controladas en el tubo de ensayo.
Los investigadores han demostrado, por ejemplo, que ciertos productos químicos relativamente simples, pueden reaccionar de forma espontánea para formar los bloques de construcción más complejos de los sistemas vivos, tales como aminoácidos y nucleótidos: las unidades básicas de ADN y ARN. En 2009 un equipo dirigido por John Sutherland, ahora en el Laboratorio de Biología Molecular MRC en Cambridge, Inglaterra, fue capaz de demostrar la formación de nucleótidos de las moléculas que puedan haber existido en el ‘caldo primordial’.
Otros investigadores se han centrado en la capacidad de algunas cadenas de ARN para actuar como enzimas, aportando pruebas en apoyo a la hipótesis del mundo ARN. A través de esas medidas, los científicos progresivamente puede cerrar la brecha de la materia inanimada a sistemas auto-replicables, auto-sostenibles.
Ahora que los científicos tienen una mejor visión de ambientes extraños y potencialmente fértiles en nuestro sistema solar—los flujos ocasionales de agua en Marte, los mares petroquímicos de la luna de Saturno, Titán, y de los océanos fríos, salados que parece esconderse bajo el hielo de las lunas de Júpiter Europa y Ganímedes— el origen de la vida terrestre parece sólo una parte de las grandes preguntas: ¿Bajo qué circunstancias puede surgir la vida? ¿Y qué tanto puede variar su base química? Esta cuestión se hace aún más rica por el descubrimiento en los últimos 16 años, de más de 500 planetas extrasolares que orbitan otras estrellas— mundos de desconcertante variedad.
Estos descubrimientos han llevado a los químicos a ampliar su imaginación sobre las posibles composiciones químicas de la vida. Por ejemplo, la NASA siempre ha seguido la opinión de que el agua líquida es un requisito previo para la vida, pero ahora los científicos no están tan seguros. ¿Qué hay acerca del amoníaco líquido, la formamida, un disolvente graso como el metano, hidrógeno líquido o supercrítico en Júpiter? ¿Y por qué la vida se limita al ADN, ARN y proteínas? Después de todo, varios sistemas químicos artificiales se han hecho de un tipo de replicación de las partes componentes sin depender de los ácidos nucleicos. Todo lo que se necesita, al parecer, es un sistema molecular que puede servir como plantilla para hacer una copia y luego separar de sí.
En cuanto a la vida en la Tierra, dice el químico Steven Benner de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada, en Gainesville, Florida, "no tenemos manera de decidir si las similitudes [tales como el uso de ADN y las proteínas] reflejan una ascendencia común o las necesidades de la vida universal. "Pero si nos retiramos diciendo que tenemos que seguir con lo que sabemos, dice," no tenemos ninguna diversión. "
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