¿Por qué la vida acabó con los 4 grandes elementos, y en concreto con el nitrógeno?

Question

Esta pregunta se refiere sobre todo al cuerpo humano, pero también a la vida en general.

No es difícil notar una gran diferencia entre la abundancia de elementos en la Tierra y la del cuerpo. Me he estado preguntando por qué. Es una pregunta enorme, pero aquí elijo centrarme en los 4 grandes. Abajo está mi entendimiento actual, por favor corrígeme si me equivoco o añado cosas que me falten.

Una razón general de por qué $\ce{O}$ & $\ce{H}$ son frecuentes es porque $\ce{H2O}$ es un disolvente maravilloso. En general, la vida depende de las reacciones para funcionar, y éstas se producen mejor cuando está inmersa en un líquido. El agua es buena y abundante, de ahí que la vida la utilice.

• Otra razón para $\ce{O}$ es que puede oxidar las cosas, lo que puede llegar a ser útil.

• Para $\ce{H}$ es que es básicamente un protón, por lo que puede ser un "relleno" en la mayoría de las situaciones.

• $\ce{C}$ es la columna vertebral de la vida porque es el elemento con la mejor fuerza de enlace. En otras palabras, no es un goldilock sino el ORO ilock. A la vida le encanta manejar una herramienta tan flexible, por eso utiliza el carbono.

• Eso deja la pregunta para $\ce{N}$ . ¿Por qué utilizamos nitrógeno? No está ni cerca de la cima de la abundancia en la corteza terrestre. No tiene características atractivas como $\ce{O, C or H}$ . Se puede decir que es dominante en el aire, pero sólo porque hay un montón de $\ce{N}$ no significa que evolucionemos para usarlo. Siempre podemos comer tierra para conseguir algún hipotético sustituto elemental de $\ce{N}$ por ejemplo. Además, la vida comenzó en el océano y hay poco $\ce{N}$ allí. ¿Los peces tienen 4 grandes diferentes? No lo he investigado, pero lo dudo.

Ambos $\ce{H2O}$ y $\ce{C}$ tienen algo "mejor" en su haber. Supongo $\ce{N}$ también debe de tener cosas de altísima calidad, pero no tengo ni idea de lo que es. Así que, aunque mi conocimiento de los otros 3 elementos es rudimentario, el nitrógeno es el que más me fastidia.

Answer 1

Porque la química basada en el carbono, el hidrógeno y el oxígeno sería muy aburrida y construir estructuras complejas a partir de componentes modulares sería imposible.

El punto clave que hay que recordar es que la vida depende de una química compleja. Los seres vivos son, por definición, seres capaces de replicarse y de construir estructuras capaces de desarrollar una química compleja. El metabolismo es el proceso de tomar cosas simples del entorno y convertirlas en cosas complejas. Esto requiere una maquinaria compleja, construida a partir de sustancias químicas más simples disponibles en el medio ambiente.

Aunque, en principio, sería posible construir compuestos muy complejos de carbono y oxígeno que pudieran metabolizarse y reproducirse, no hay forma fácil de hacerlo a partir de componentes simples. Pero si se añade nitrógeno a la mezcla, se dispone de rutas más sencillas hacia la complejidad.

Tomemos como ejemplo las moléculas que constituyen la mayor parte de la compleja maquinaria de todos los seres vivos: las proteínas. Las proteínas constituyen la mayor parte de las complejas máquinas del metabolismo y muchos de los componentes estructurales de los seres vivos. Pero se construyen a partir de un pequeño número (unos 20) de sustancias químicas más simples: los aminoácidos. Los aminoácidos son sustancias químicas bastante sencillas que podrían considerarse el equivalente de los ladrillos de Lego para construir una increíble variedad de estructuras vivas. La mayoría están formados únicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Todos tienen la estructura básica $\ce{NH2CH(R)CO2H}$ (donde R puede ser una variedad de trozos orgánicos) que constituye el equivalente de los ladrillos estandarizados de Lego que permiten que todas las piezas encajen para poder construir estructuras más complejas. En el caso de las proteínas, esa funcionalidad básica permite "encadenar" una variedad de aminoácidos diferentes de extremo a extremo (el extremo amino reacciona con el extremo ácido carboxílico de cada ácido).

La variedad de estructuras diferentes que pueden crearse cambiando la secuencia de aminoácidos es asombrosa, inimaginablemente grande. Muchas proteínas contienen cientos de aminoácidos y sólo se necesitan unos 60-70 para el número posible de estructuras diferentes. secuencias para superar el número de átomos del universo. Esto significa que, explotando combinaciones de sustancias químicas simples (que no son tan difíciles de crear con química simple), la vida puede explorar de repente una gama inimaginablemente amplia de posibles estructuras complejas. Quizá esas estructuras puedan construirse a partir de menos elementos, pero no de una forma modular que utilice una pequeña gama de componentes disponibles y una única forma de unirlos.

La disponibilidad de este nivel de complejidad a partir de cosas que (en su mayoría) constan de C,H, N y O es la razón por la que el uso del nitrógeno es clave para la vida. La limitación no es la disponibilidad de los elementos (aunque los compuestos simples que contienen nitrógeno están bastante disponibles), sino la accesibilidad de estructuras complejas a partir de componentes simples.

Answer 2

Mi opinión es un poco diferente. Los organismos evolucionaron para adaptarse a la química existente. Y lo que hay, principalmente, son hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno. Además, como veremos, el azufre, que no puede ser ignorado en las proteínas.

Aquí encontramos una lista de los elementos más comunes en el Universo. Aunque todo lo demás se fabrica a partir de la fusión del hidrógeno, el orden de abundancia no se basa en el número atómico de un lóbulo. La naturaleza tiende a favorecer ciertos elementos que forman núcleos especialmente estables a medida que se suceden los procesos de fusión:

Diez elementos más comunes en la Vía Láctea estimados espectroscópicamente[1].

$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \text{Z} & \text{Element} & \text{Mass fraction (ppm)} \\ \hline 1 & \text{Hydrogen} & 739,000 \\ 2 & \text{Helium} & 240,000\\ 8 & \text{Oxygen} & 10,400\\ 6 & \text{Carbon} & 4,600\\ 10 & \text{Neon} & 1,340\\ 26 & \text{Iron} & 1,090\\ 7 & \text{Nitrogen} & 960\\ 14 & \text{Silicon} & 650\\ 12 & \text{Magnesium} & 580\\ 16 & \text{Sulfur} & 440\\ \hline \end{array}$$

También son los más comunes en el Sistema Solar, representando el 99,9% del total (los números de ppm citados suman 999.060). De estos diez, el helio y el neón son químicamente casi inertes; y el magnesio, el silicio y el hierro no forman compuestos fluidos o volátiles en las condiciones típicas del espacio y, por tanto, no se prestan a reacciones que formen moléculas "orgánicas" complejas (cuando aparecen, es sólo como componentes muy minoritarios en presencia de muchos otros elementos que forman compuestos más volátiles). Quedan así el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre, este último de cierta importancia en las proteínas. Así pues, es plausible que la vida encontrara lo que había y adaptara la química de esos elementos a sus fines.

Referencia citada:

1. Croswell, Ken (febrero de 1996). Alquimia de los cielos. Anchor. ISBN 0-385-47214-5. Archivado desde el original el 2011-05-13.

Answer 3

Desempolvando mi sombrero de geoquímico, además de la abundancia elemental, la cuestión de la temperatura y la presión también es clave. El planeta "sólido" que llamamos hogar está experimentando una química de disolución a gran escala, y la mayoría de los minerales se diferencian principalmente por las condiciones locales de T/P, más que por su composición química ( $\ce{SiO_4}$ -son los más comunes, con diferencia, en la corteza y el manto).

El estrecho rango de condiciones de temperatura y presión en la superficie de la Tierra en el momento cósmicamente "actual" justo coincide con la zona T/P en la que unos pocos elementos abundantes en la corteza son capaces de formar compuestos estables, reproducibles, pero también potencialmente variables. En nuestro caso, se trata de la "sopa" de proteínas en agua que constituye la base de toda la vida en la Tierra.

Pero no es descabellado suponer que podría haberse dado un "punto dulce" diferente de química de la solución y de condiciones geoquímicas/astrofísicas (o que podría darse en otro lugar/en otro momento).

Answer 4

Según la hipótesis del ARN, la vida no empezó con el ADN y las proteínas (moléculas separadas para la catálisis y el almacenamiento de información secuencial), sino con el ARN (una molécula que almacena información secuencial, actúa como polimerasa y cataliza otras reacciones).

Aunque esa hipótesis es realista en cuanto a las asombrosas propiedades del ARN, requiere mucha complejidad y cinco elementos diferentes: C, H, N, O, P. Existe la hipótesis de pequeños estanques calientes (WLP) que se alimentan de nucleobases procedentes de meteoritos y se polimerizan con el paso de los años: https://www.pnas.org/content/114/43/11327 .

La hipótesis clásica de que la química atmosférica crea proteínas (Miller-Urey) ha caído en desgracia porque aparentemente la atmósfera no contenía mucho amoníaco en la mayoría de los modelos (véase por ejemplo Entrenador (2013) ).

Por supuesto, estoy retrocediendo en la discusión de estas hipótesis, suponiendo que necesitamos ARN. La OP iba por otro lado: qué química es posible con lo que era más abundante o más probable para hacer polímeros interesantes que sustenten la vida.

Tanto H2O como C tienen algo "mejor" en su haber. Supongo que N también debe tener algo de máxima calidad, pero no tengo ni idea de qué es.

En la química de los ácidos nucleicos, el nitrógeno desempeña el papel de aceptor y donante de enlaces de hidrógeno. El papel de donante es único: no hay una buena forma de colocar un hidrógeno sobre el oxígeno en una dirección determinada, el grupo hidroxilo casi siempre gira. En cambio, los grupos funcionales imina (o amidas o heterociclos con nitrógeno) tienen el hidrógeno apuntando en una dirección fija.

Algunos ejemplos son los pares de bases Watson-Crick en los ácidos nucleicos y los enlaces de hidrógeno de la cadena principal en las proteínas. En ambos casos, todos los donantes de enlaces de hidrógeno son N-H en lugar de O-H.

Answer 5

Porque la vida utiliza lo que le resulta útil. Y los compuestos orgánicos con nitrógeno pueden sintetizarse fácilmente, metabolizarse y tener muchas propiedades útiles. Y además, varios compuestos orgánicos estables con nitrógeno acabarán de nacer en condiciones abiogénicas.

¿Por qué? Bueno, los enlaces nitrógeno-carbono son bastante fuertes y es poco probable que se descompongan con la temperatura o por reacción con otros compuestos. Además, el nitrógeno puede unirse a uno, dos o tres átomos más, por lo que permite que los compuestos tengan una estructura más compleja. Los átomos de nitrógeno también pueden formar compuestos aromáticos orgánicos, que son muy estables.

¿Y qué pasa con otros elementos? Los metales (y los semimetales a efectos prácticos) y los gases nobles quedan descartados, ya que no pueden formar enlaces estables con el carbono. Sólo nos quedan los no metales.

Los fluoruros pueden formar enlaces bastante estables con el carbono, pero es mucho más probable que existan en forma de aniones y es difícil oxidar esos aniones para que puedan enlazarse con el carbono. Además, sólo pueden unirse a un carbono, por lo que no pueden permitir compuestos más complejos.

En realidad, el azufre puede formar enlaces bastante estables con el carbono y, de hecho, vemos que el azufre es bastante común en los organismos vivos. El selenio es similar en ese sentido. El enlace carbono-fósforo no es muy estable y el fósforo se encuentra sobre todo en los organismos en forma de aniones inorgánicos. La mayoría de los demás no metales son demasiado raros o simplemente no forman enlaces estables con el carbono.