¿Cómo la química cambió el mundo?

¿Cómo la química cambió el mundo?

Jael Reyes García

© 2025. Pontificia Universidad Católica de Chile, “¿Cómo la química cambió el mundo?”. Todos los derechos reservados.

Introducción La química en nuestra vida

¿Te has preguntado alguna vez cómo la química ha influido en el desarrollo de la humanidad? Con frecuencia la percibimos como un área abstracta, lejana, o la asociamos con hechos negativos, como desastres nucleares, drogas sintéticas o armas de guerra. No es casualidad que en el lenguaje cotidia no se repita la frase “no contiene químicos”, como si lo químico fuera sinónimo de dañino. Pero, en realidad, ¿qué es la química? Desde que nos despertamos, la química está pre sente en cada momento: la batería de un celular funciona gracias a reacciones químicas, el agua que bebemos es segura porque ha sido potabilizada me diante procesos químicos, y el jabón que usamos al ducharnos es resultado de la saponificación. Asi mismo, las frutas y verduras llegan a nuestra mesa gracias al empleo de fertilizantes en la agricultura, al cocinar transformamos los alimentos por reaccio nes químicas, y los medicamentos permiten tratar

enfermedades a través de compuestos diseñados en laboratorios. En resumen, la química está pre sente en nuestra vida cotidiana porque es el área que estudia la composición, estructura y propieda des de la materia, así como sus transformaciones, la energía que implica y el tiempo en que ocurren dichos procesos. Aunque la química existe desde el origen del uni verso, la relación consciente de nuestros ancestros con ella comenzó durante la prehistoria, con el do minio del fuego, un hito que marcó la diferencia entre nuestra especie y el resto de los animales. Desde entonces, comprender y manipular la natu raleza se volvió parte esencial de nuestra evolución. Así, los primeros avances de la química surgieron mediante ensayo y error, y continuaron en la An tigüedad, cuando se descubrieron reacciones que transformaban la materia.

En la Edad Media apareció la alquimia, una disciplina que combinaba prácticas experimentales con ideas filosóficas y espirituales. Se creía que los metales “imperfectos” podían transformarse en el me tal perfecto, el oro, y que era posible alcanzar la longevidad o incluso la inmortalidad a través de la piedra filosofal o el elixir de vida. Aunque muchos de estos objetivos estaban impregnados de simbo lismo y no seguían un método científico, la alquimia dejó un legado fundamental: se obtuvo la pólvora, se identificaron sustancias como el ácido sulfúrico, se perfeccionaron técnicas de destilación y apara tos de laboratorio, y se consolidó la práctica expe rimental en laboratorios. Todo lo anterior sentó las bases esenciales para el posterior surgimiento de la química como ciencia. La separación del misticismo y la ciencia marcó el nacimiento de la química moderna, cuyo objetivo principal fue comprender y transformar la materia

en beneficio de la sociedad. Desde entonces, la quí mica ha permitido mejorar la calidad y cantidad de los alimentos, crear nuevos materiales y desarrollar fármacos que protegen la salud y el bienestar. Su influencia es única: ha moldeado la forma en que vivimos hoy y seguirá determinando la manera en que viviremos en el futuro. Dada la importancia de la química en la construc ción de nuestra vida y de nuestra civilización, te invito a descubrir en este libro algunos de los hitos, descubrimientos y transformaciones que han mar cado la relación entre el ser humano y la materia. A través de este recorrido, podrás apreciar cómo la química no solo explica lo que nos rodea, sino que también ha sido motor de cambios sociales, tecno lógicos y culturales que definen quiénes somos y hacia dónde vamos.

Contenido 01. El origen del universo: nacimiento de los primeros elementos químicos El surgimiento de la vida: química prebiótica y primeras células Química de la supervivencia: protección contra el frío El dominio del fuego: primer gran avance químico de la humanidad Cerámica prehistórica: transformación química de arcillas El inicio de la agricultura: domesticación y química del suelo Preservación de alimentos: estrategias químicas ancestrales 08. El oro en la historia: de sus propieda des químicas a su valor simbólico 02. 03. 04. 05. 06. 07.

09. 10. 11. 12. 13. 14. El cobre y el nacimiento de la metalurgia El bronce y las primeras aleaciones metálicas Hierro: el metal que cambió la historia Primeras ideas sobre la materia: apor tes del pensamiento griego a la química El acero: innovación y legado metalúrgico Uso de jabón y su impacto en la salud pública innovación química en la construcción 16. La producción de vidrio: química, arte e innovación a lo largo de la historia 15. Obtención de Cemento:

17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.

Alquimia: origen, desarrollo y legado en la historia de la química La producción de ácido sulfúrico: el primer ácido industrial La pólvora y el cambio en la estrategia militar El legado de Paracelso La termodinámica en la Revolución Industrial La química moderna: nacimiento de una ciencia experimental La química de las vacunas: inmunidad adquirida El plástico: polímeros que transfor maron el mundo La guerra contra la malaria: la contribución de la quinina

26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

La tabla periódica de los elemen tos: orden y predicción en química La electricidad: descubrimientos y aplicaciones químicas Datación radiactiva: cómo la química descifra la edad de la materia El agua potable: tratamiento químico para la salud pública La evolución del alivio del dolor El proceso Haber-Bosch: síntesis de amoníaco y revolución agrícola La penicilina y su impacto en la medicina

33. Nanotecnologías: ciencia en la escala nanométrica 34. Catálisis: de las enzimas a reactores químicos 35. Fotosíntesis artificial: imitando la naturaleza para obtener energía

El origen del universo Nacimiento de los primeros elementos químicos 01.

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

El universo lo es todo: desde las partículas subató micas, hasta galaxias colosales, incluyendo el tiem po, el espacio y la vida. Una de las grandes pregun tas que el ser humano se ha formulado es: ¿Cómo se originó el universo? A lo largo de los siglos han surgido diversas pro puestas para intentar dar respuesta a esta pregunta fundamental. En Grecia, los pitagóricos (siglo VI a. C.) concebían al universo como un gran ser vivo dotado de alma y ordenado según relaciones ma temáticas, con una naturaleza armónica y musical, reflejo de la estructura misma del cosmos (Huff man, 1993). Más adelante, el filósofo Aristóteles (384–322 a. C.) sostuvo que el universo ha existido desde siempre, es decir, que no tiene principio ni fin (Guthrie, 1981). Los estoicos (siglos IV a. C.–I d. C.) desarrollaron una concepción similar a la de los pitagóricos, aunque más elaborada, en la que el universo era animado por un principio racional

llamado logos, que le confería orden, propósito y capacidad de regeneración cíclica mediante proce sos de destrucción y renacimiento (Long & Sedley, 1987). Si bien estas ideas no responden a los cri terios de la ciencia moderna, fueron parte de la forma en que muchas culturas antiguas compren dieron el origen y la naturaleza del universo. Gracias a los avances científicos de los últimos si glos, actualmente contamos con evidencias obser vacionales y modelos teóricos que han permitido formular una explicación coherente sobre el ori gen del universo . La hipótesis científica predomi nante que explica el origen del cosmos es conocida como teoría del Big Bang , cuyo nombre significa li teralmente “Gran Estallido”. Sus bases fueron pro puestas en 1927 por el físico y sacerdote católico Georges Lemaître (1894–1966), quien desarrolló la Teoría del Big Bang

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

teoría del “átomo primigenio” basándose en la relatividad general de Einstein y en obser vaciones astronómicas preliminares (Einstein, 1917). Esta propuesta sostiene que el universo se originó a partir de un estado extremadamen te denso y caliente, expandiéndose desde entonces hasta adquirir su forma actual (Lemaî tre, 1927/1931; Kragh, 1996). Dos años después, el astrónomo Edwin Hubble (1889-1953) obtuvo algunas evidencias observacio nales que respaldaron esta teoría y que, además lo llevaron a concluir que las galaxias se alejan de nosotros, lo que sugiere que el universo está en constante expansión . (Hubble, 1929). Una analogía útil para comprender este fenómeno es visualizar un globo (que representa el universo) con numerosas marcas o pintas en su superficie (que representan las galaxias). A medida que este se infla (simulando la expansión del universo), las marcas

Figura 1.1. Georges Lemaître (1894–1966), sacerdote y astrofísico belga, for mulador de la teoría del “átomo primigenio”, precursora del Big Bang , integrando la relatividad general de Einstein en la cosmología moderna (1927). Imagen gene rada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

se alejan unas de otras. Del mismo modo, en el universo, las galaxias se distancian continuamente entre sí. Esta observación significó un cambio radical en la concepción del universo: la Vía Láctea no es el úni co conjunto de estrellas, sino una entre miles de millones de galaxias. Con base en observaciones como las de Hubble, los científicos concluyeron que, si hoy las galaxias se alejan, hubo un tiempo en que todas estuvieron juntas ; por lo tanto, el universo debió ser mucho más pequeño y caliente en el pasado (Lemaître, 1927/1931; Hub ble, 1929; Kragh, 1996). Con el tiempo, nuevos an tecedentes y avances respaldaron esta propuesta. El término “Big Bang”, aplicado a la teoría del áto mo primigenio, fue acuñado en 1949 por el astró nomo británico Fred Hoyle durante una emisión de radio de la BBC; aunque rechazaba esta teoría en favor de un modelo de universo estacionario, usó

Figura 1.2. Edwin Hubble en 1929, realizando observaciones astronómicas en el observatorio, momento clave en el que estableció la expansión del universo. Imagen generada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

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Figura 1.3. Expansión métrica del espacio: ilustración vectorial con el espacio en distintos momentos (factor de escala creciente). Adaptado de Designua, Shutterstock, Licencia Estándar, ID 457050325. Recuperado el 6 de octubre de 2025, de https://www.shut terstock.com/es/image-vector/metric-expansion-space-illustration-shows-different-457050325

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

direcciones (Peebles, 2020). Este evento marca no sólo el inicio del universo, sino también el origen del espacio y del tiempo. Debido a esta singulari dad espaciotemporal, no tiene sentido preguntar qué existía “antes” del Big Bang, ya que el tiempo mismo surge con este acontecimiento (Hawking & Penrose, 1996). Conforme el universo se expandía, se fue enfrian do, lo que redujo la energía de las partículas lo su ficiente como para que pudieran unirse y formar estructuras estables, en lugar de desintegrarse por colisiones violentas. Así se formaron las primeras partículas subatómicas: protones, con car ga positiva; neutrones, sin carga; y electro nes, con carga negativa (Weinberg, 2008). Los Nucleosíntesis primordial: formación de los primeros átomos

la expresión de manera descriptiva y llamativa para la audiencia, no con ánimo de ridiculizarla (Hoyle, 1949/1950; Kragh, 1996). Para contraste histórico, el modelo estacionario fue formulado en paralelo (Bondi & Gold, 1948; Hoyle, 1948). Según la teoría del Big Bang, en un principio la to talidad de la materia estaba contenida en un núcleo primitivo, más pequeño que un átomo, extrema damente denso y con una temperatura extrema damente superior a las del interior solar (Peebles, 2020). Este núcleo primitivo contenía toda la ener gía y la materia que compone actualmente al universo. La temperatura era tan elevada que resul taba imposible diferenciar entre materia y energía. Por razones que aún no comprendemos completa mente, hace aproximadamente 13.800 millones de años, este núcleo, en una fracción de segundo, ini ció una expansión extremadamente rápida, liberando radiación y materia en todas las

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protones y neutrones comenzaron a combinarse mediante reacciones de fusión nuclear , es de cir estas subpartículas se fusionaban, dando lugar a los primeros núcleos atómicos , en un proce so conocido como nucleosíntesis primordial (Fields, 2011). En núcleos que poseen más de un protón, estos a pesar de repelerse entre sí por tener la misma carga, permanecen unidos en el núcleo gracias a la fuerza nuclear fuerte , una interacción de cor to alcance, pero de gran intensidad, que supera la repulsión electrostática. Esta fuerza es fundamen tal para la estabilidad del núcleo atómico (Griffiths, 2008). Después de unos 380.000 años, cuando el universo se enfrió lo suficiente, los electrones pu dieron ubicarse en orbitales alrededor de los nú cleos, formando los primeros átomos neutros , ya que la carga negativa del electrón contrarresta la carga positiva del protón, en un proceso conoci

do como recombinación (Peebles, 1993; Dodelson, 2003).

El núcleo, aunque es pequeño en comparación al tamaño del átomo , es el que concentra casi la totalidad de su masa; mientras que los electrones tienen una masa despreciable en comparación.

La característica que define a un elemento quí mico es la cantidad de protones presentes en el núcleo atómico, conocido como número atómico (Z). Mientras que la suma de protones y neutrones presentes en el núcleo se denomina número mási co (A). Por ejemplo: ¿Cómo se identifican los átomos?

- El carbono-12 tiene 6 protones (Z = 6) y 6 neu-

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trones, por lo que su número másico es A = 12. - El carbono-13 también tiene 6 protones (Z = 6) y 7 neutrones, por lo que su número másico es A = 13. - El carbono-14 tiene igualmente 6 protones (Z = 6) y 8 neutrones, por lo que su número másico es A = 14.

Todos estos átomos corresponden al elemento carbono, ya que tienen el mismo número atómico, pero difieren en la cantidad de neutrones. A estos tipos de átomos se les conoce como isótopos , es decir, variantes de un mismo elemento químico, que tienen igual número de protones, pero distinto número de neutrones.

Figura 1.4. Isótopos del átomo de carbono.

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

En el universo, la formación de los primeros átomos comenzó con la aparición del más pequeño de to dos: el hidrógeno (H), conformado por un protón (número atómico, Z = 1) y en uno de sus isótopos, un neutrón, lo que le otorga un número másico de 2 (deuterio) . Este fue el átomo más abundante generado tras el Big Bang: se estima que aproxima damente el 75 % del contenido del universo pri mitivo correspondía a hidrógeno. Posteriormente, el universo actuó como un gigantesco reactor de fusión nuclear, en el cual los núcleos de hidrógeno comenzaron a fusionarse, origi nando el segundo átomo más pequeño, el helio (He, Z = 2). De forma simplificada, la ca dena protón-protón inicia cuando dos protones se fusionan vía interacción débil y forman deuterio (___) emitiendo un positrón (e+) y un neutrino (ν ) (Ecuación 1.1). Posteriormente un tercer protón se une al deuterio para dar helio-3, liberando un fotón gamma (γ) (Ecuación 1.2). Finalmente, dos núcleos

de helio-3 se combinan para formar helio-4, devol viendo dos protones. El balance neto es:

í

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

í

(Ecuación global)

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

Figura 1.5. Cadena protón–protón: esquema de la reacción de fusión del hidrógeno en estrellas [SVG]. Crédito: Doctor C, obra pro pia; trabajo derivado de FusionintheSun.svg de Borb. Licencia: CC BY-SA 4.0. Fuente: Wikimedia Commons. Archivo: Proton-proton_re action_chain.svg. Recuperado el 4 de octubre de 2025, de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton-proton_reaction_chain.svg.

Figura 1.6. Representación de la formación de las partículas subatómicas hasta la formación de átomos de helio en el universo. Imagen generada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

Este proceso generó cerca del 25 % del helio que existe en el universo actual (Fields, 2011). En pro porciones mucho menores, también se formaron elementos químicos, como litio (Li, Z = 3) y berilio (Be, Z = 4). Posteriormente, los elementos químicos comen zaron a agruparse por acción de la gravedad, for El nacimiento de los elementos químicos en las estrellas

mando nubes de gas y polvo primordial. Algunas de estas nubes alcanzaron tal densidad que dieron ori gen a las primeras estrellas , las cuales, al agru parse, conformaron galaxias. En el interior de estas estrellas tuvieron lugar reacciones nucleares , en un proceso conocido como nucleosíntesis estelar , que dio paso a la generación de elemen tos químicos más pesados, como carbono (C, Z = 6), nitrógeno (N, Z = 7) y oxígeno (O, Z = 8) (Bur bidge, Burbidge, Fowler, & Hoyle, 1957; Clayton, 1983). En las estrellas más masivas, la fusión nuclear

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

en su interior como los formados durante la propia explosión . Este material enriquecido dio origen a nuevas generaciones de estrellas, más ricas en elementos pesados. El Sol, formado en una etapa tardía del universo, hace aproximadamente 4.567 millones de años , es el resultado de este largo ciclo cósmico de transformación de la materia (Pagel, 2009).

avanzó hasta la formación de elementos químicos como silicio (Si, Z = 14), calcio (Ca, Z = 20) y hierro (Fe, Z = 26) (Arnould & Goriely, 2003). Al final de su ciclo de vida, estas estrellas masivas colapsaron en espectaculares explosiones de su pernova , que dispersaron al medio interestelar tanto los elementos químicos sintetizados

Figura 1.7. Después del Big Bang, la materia se organizó en partículas subatómicas que dieron lugar a los primeros átomos ligeros. Con el tiempo, estos átomos se agruparon formando estrellas y galaxias, donde se originaron los elementos más pesados que constituyen la base de la materia en el universo. Imagen generada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

La formación del planeta Tierra en el sistema solar primitivo De este modo, el universo adquirió una composi ción aproximada de 74% de hidrógeno, 24% de helio y apenas un 2% en masa de elemen tos químicos más pesados , proporciones que, en términos generales, aún se mantienen. A excep ción del hidrógeno, todos los elementos químicos que nos rodean y que forman parte de nuestro propio cuerpo y del universo se originaron al inte rior de las estrellas, como resultado de procesos de fusión nuclear posteriores al Big Bang . Por ello, cobra especial sentido la célebre afirmación del reconocido astrónomo Carl Sagan: “Somos polvo de estrellas” (Sagan, 1973, p. 149), aludiendo a que la composición de nuestro cuerpo proviene en gran medida de elementos forjados en el inte rior de antiguas estrellas.

A medida que transcurrió el tiempo desde la for

Figura 1.8. Representación de la formación de la Tierra. Imagen generada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

La Tierra en sus primeros tiempos

mación del Sistema Solar, el polvo, las rocas y otros materiales sólidos que orbitaban alrededor del Sol comenzaron a unirse por colisiones, formando cuerpos cada vez mayores. A lo largo de miles o cientos de miles de años, estos fragmentos se fusio naron en un proceso llamado acreción , hasta dar origen a embriones planetarios que, con la incor poración progresiva de nuevos materiales, dieron paso a la formación de la Tierra , hace apro ximadamente 4.550 millones de años (Cham bers, 2004; Kleine et al., 2009). Durante esta etapa se habría producido un evento catastrófico conocido como la colisión con Theia, en la que un protoplaneta del tamaño de Marte habría chocado con la Tierra primitiva, hace cerca de 4.500 millones de años, generando una enorme cantidad de escombros que posteriormente se re agruparon para formar la Luna (Canup & Asphaug, 2001; Canup, 2012).

En sus inicios, la Tierra era muy diferente a como la conocemos hoy, ya que presentaba tempe raturas extremadamente elevadas, había intensa actividad volcánica y un constan te bombardeo violento de meteoritos y cometas . Con el tiempo, el planeta comenzó a enfriarse, se formó una corteza sólida sobre un manto líquido. Los volcanes primitivos expulsaron gases que contribuyeron a formar una atmós fera temprana , probablemente compuesta por dióxido de carbono (CO₂), nitrógeno (N₂), monóxido de carbono (CO), y compuestos de azufre como el dióxido de azufre (SO₂) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S) . Esta atmósfe ra carecía de oxígeno molecular (O₂), lo que hacía imposible la existencia de vida tal como la conoce mos (Catling & Kasting, 2017). Cuando la superfi cie terrestre se enfrió lo suficiente, alcanzando una

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

temperatura menor a 100°C, el vapor de agua se condensó en forma de lluvias, lo que dio origen a la formación de los primeros océanos, hace aproxi madamente 4400-4000 millones de años atrás. Esta hipótesis es respaldada por zircones encontrados en Australia, que datan de esa época y muestran señales geoquímicas consistentes con la presencia de agua líquida (Valley et al., 2014) Ante este panorama, se postula que, en algún mo mento, las moléculas presentes en esta atmósfera primitiva se disolvieron en los océanos y mediante reacciones químicas sucesivas, dieron ori gen a las primeras formas microscópicas de vida que existieron en nuestro planeta.

Figura 1.8. El planeta Tierra en sus orígenes presentaba alta actividad volcánica y constante bombardeo de meteoritos. Imagen generada con ChatGPT/DALL·E (OpenAI, 2025).

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Teoría del Big Bang

Da origen al universo aproximadamente hace 13.800 millones de años

Etapas del universo temprano

Evidencia

Expansión del universo

Expansión

Recombinación

Radiación cósmica

Nucleosíntesis estelar

Abundancia de ele mentos ligeros como el Hidrógeno y Helio

Formación de estrellas y galaxias

Figura 1.10. Esquema de las principales evidencias que apoyan el modelo del Big Bang y de las etapas clave de la historia del universo. Imagen de elaboración propia.

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

Resumen

El origen del universo, según la teoría del Big Bang, dio lugar a la for mación de los primeros átomos, principalmente hidrógeno, seguido de helio. Con el tiempo, se crearon átomos más pesados como el carbono y oxígeno, en el proceso de nucleosíntesis estelar. Al final de su ciclo vital, las estrellas más masivas terminan sus vidas en explosiones catastrófi cas llamadas supernovas, que dispersan estos elementos por el espacio interestelar. Este material enriquecido permitió la formación de nuevos sistemas estelares y planetarios, incluida la Tierra. En nuestro planeta, las condiciones fisicoquímicas permitieron que se formaran moléculas com plejas, que más tarde dio origen a los primeros organismos vivos.

01. El origen del Universo: Nacimiento de los primeros elementos químicos

Investiga y reflexiona

Responde las siguientes preguntas a partir de la información entregada y de la búsqueda de antecedentes adicionales.

1. ¿En qué se diferenciaban las explicaciones del origen del universo propuestas por los filósofos griegos frente a la teoría científica actual del Big Bang? 2. Explica cómo se formaron los primeros átomos después del Big Bang y por qué el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo.

sión nuclear en el interior de las estrellas en la for mación de elementos químicos más pesados?

4. ¿Por qué se afirma que “somos polvo de estre llas” y cómo se relaciona esta idea con la composi ción química de nuestro cuerpo? 5. Describe el proceso de formación de la Tierra desde la acreción de materiales hasta la aparición de los primeros océanos.

3. ¿Qué papel desempeñan las reacciones de fu

El surgimiento de la vida Química prebiótica y primeras células 02.

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

Tras el origen del universo, la formación de hidró geno y de las primeras estrellas, se generaron los elementos químicos esenciales, como carbono, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo , que más tarde darían soporte a los procesos biológicos. Nuestro planeta Tierra, en condiciones singulares de temperatura, composición atmosférica y disponibilidad de agua , se transformó en un laboratorio natural. Así, la historia de formación del universo se enlaza directamente con la bioló gica: de las reacciones nucleares en el interior de las estrellas surgieron los átomos (a excepción de hidrógeno) que, en el océano de nuestro planeta, se organizaron hasta formar moléculas complejas, abriendo el camino hacia la química prebiótica y, finalmente, hacia el origen de la vida.

en nuestro planeta, primero debemos saber cómo podemos identificar un ser vivo . Si bien tenemos la intuición de lo que significa que algo esté vivo, como la capacidad de reproducirse, adap tarse al entorno y realizar funciones me tabólicas , aún no existe una definición que sea aceptada por toda la comunidad científica (Cleland & Chyba, 2002). Sin embargo, es posible reconocer ciertas moléculas orgánicas esenciales que se asocian con la vida, como las proteínas, los ácidos nucleicos, los azúcares y los lípidos (Nelson & Cox, 2017). Estas moléculas están for madas por unidades más simples: en el caso de las proteínas, de aminoácidos ; y en el caso de los ácidos nucleicos, de nucleótidos , compues tos entre otros, de bases nitrogenadas (purinas y pirimidinas) (Nelson & Cox, 2017). Por lo tanto, al reflexionar sobre el origen de la vida, podemos re lacionarlo con la formación de estas moléculas, que están constituidas principalmente por átomos de

Para intentar responder a cómo se originó la vida Características de los seres vivos

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

carbono (C) , combinado con elementos como el hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S) —los llamados elemen tos CHNOPS — (Westheimer, 1987).

Teoría abiótica del origen de la vida A excepción del hidrógeno, los elementos químicos que conforman la materia orgánica se originaron en las estrellas y tras su liberación al medio intereste lar, dieron lugar a una serie de reacciones quí micas complejas . Estas reacciones permitieron la formación de moléculas que en un principio se pensó constituían los principales componentes de la atmósfera primigenia, entre ellas el vapor de agua (H₂O) , esencial para la posterior formación de los océanos, y diversas sustancias gaseosas como el hidrógeno molecular (H₂) , el amoníaco (NH₃) y el metano (CH₄) . Investigaciones poste riores han mostrado que la atmósfera temprana de la Tierra probablemente estuvo compuesta en su mayoría por dióxido de carbono (CO₂), nitrógeno molecular (N₂) y vapor de agua, con solo trazas de gases reductores como H₂, CH₄, NH₃ y H₂S, lo que implica una composición bastante distinta a

C H O N P S Figura 2.1. Los organismos vivos están compuestos por célu las, que contienen biomoléculas como ADN, ARN, proteínas, azúcares y lípidos. Su composición fundamental incluye los ele mentos químicos carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azu fre y fósforo. Imagen Adaptada de Illustrae.

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

Figura 2.2. Representación artística de Alexander Oparin (1924) y John Haldane (1929), quienes de manera independiente propu sieron la hipótesis de la sopa primordial, también conocida como teoría abiótica del origen de la vida. Imagen generada con ChatGPT (OpenAI, 2025).

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

la de nuestra atmósfera actual. (Kasting, 1993). Se ha hipotetizado que a partir de moléculas inor gánicas simples pudieron originarse compuestos orgánicos, aunque su surgimiento exacto no está del todo claro. Una de las teorías que se ha pro puesto es la teoría abiótica del origen de la vida , planteada de forma independiente por Ale ksandr Oparin (1894–1980) y John Haldane (1892–1964). Ambos sugirieron que, a partir de los componentes inorgánicos que en ese momen to creían estaban presentes mayoritariamente en la atmósfera y en los océanos primitivos , con el aporte de energía proveniente de descargas eléctricas y radiación ultravioleta , pudieron sintetizarse moléculas orgánicas que evolucio naron hasta convertirse en los precursores de las biomoléculas fundamentales (Oparin, 1938; Haldane, 1929).

que sólo los organismos vivos podían transformar compuestos inorgánicos en orgánicos, como en el caso de la fotosíntesis , donde plantas y bacte rias transforman dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O) en glucosa (C₆H₁₂O₆) , una visión que dificultaba aceptar que la materia orgánica pu diera surgir en ausencia de vida. No obstante, en 1857, se descubrió la presencia de hidrocarbu ros en meteoritos . Si bien inicialmente se inter pretó como una posible evidencia de organismos que alguna vez habitaron otros cuerpos celestes, investigaciones posteriores demostraron que estos compuestos podían formarse por vías pura mente inorgánicas , es decir, sin la intervención de organismos vivos. Esto apoyó la idea de una síntesis abiótica de materia orgánica en el espacio, semejante a lo que se plantea que habría ocurrido en nuestro planeta (Podlech, 2001). Una de estas investigaciones se basa en el análisis de meteoritos carbonáceos , como el de Murchi-

Esta idea fue controversial, ya que se pensaba

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

Inspirado en la Teoría abiótica del origen de la vida, en 1952, el químico Stanley Miller (1930–2007), bajo la dirección de Harold Urey (1893–1981), realizó un experimento decisivo para la compren sión del origen de la vida al simular las posibles condiciones de la Tierra primitiva . Para ello, diseñó un sistema cerrado en el que se introdujo agua en un matraz de vidrio , la cual se calentaba constantemente para generar vapor de agua. Los reactivos primordiales de la vida: moléculas orgánicas son caído en Australia, en 1969. Aquí se encontró la presencia de una amplia variedad de moléculas orgánicas , incluidos aminoácidos, que pudieron haberse originado mediante procesos abióticos en el medio interestelar (Kvenvolden et al., 1970).

Figura 2.3. Representación artística de Stanley Miller y Harold Urey en el laboratorio durante el desarrollo del experimento que demostró la síntesis abiótica de aminoácidos. Imagen generada con ChatGPT (OpenAI, 2025).

02. El surgimiento de la vida: Química prebiótica y primeras células

Este vapor pasaba hacia una cámara de vidrio, don de había una mezcla de los siguientes gases: hi drógeno molecular (H₂), amoníaco (NH₃) y metano (CH₄) , los que representaban a la atmós fera primitiva. En esta cámara, se aplicaban descar gas eléctricas continuas para imitar la acción de los rayos. Tras aproximadamente dos semanas de fun cionamiento, se detectó la formación de molécu las orgánicas, entre ellas aminoácidos y ácidos orgánicos pequeños . En particular, destacó la presencia de glicina , uno de los aminoácidos más simples y fundamentales en la formación de pro teínas (Miller, 1953) (Figura 2.4).

á

(2.1)

Figura 2.4. Representación de experimento de Urey-Miller: un sistema cerrado con agua, gases reductores (CH4, NH3 y H2), descargas eléctricas y condensación que permitió la formación de aminoácidos. Imagen generada con ChatGPT (OpenAI, 2025)

Este experimento demostró que moléculas orgá nicas más complejas, como aminoácidos, pueden surgir a partir de compuestos inorgánicos simples,

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lo cual apoyó la hipótesis abiótica (Miller, 1953; Miller & Urey, 1959). A partir de este hallazgo, se propuso que los aminoácidos pudieron acumu larse en los océanos y, mediante procesos de condensación térmica y ciclos de humectación-se cado, comenzar a formar polipéptidos que pasa ron a formar proteínas (Fox & Harada, 1958; La hav, 1999). Estos conglomerados de materia orgánica podrían haber sido el punto de partida para la formación de las primeras células , aun que no llegó a demostrarse experimentalmente en el marco de los experimentos iniciales de Urey y Miller (Oparin, 1938; Miller, 1953; Szostak, Bartel, & Luisi, 2001).

El resultado del experimento fue inspirador para la comunidad científica y, tomándolo como referen cia, se llevaron a cabo otros ensayos que simulaban las posibles condiciones del océano primitivo. En otro experimento, a partir de una solución acuo sa de cianuro de amonio (NH4CN) calentada a una temperatura de 100 °C, se logró sintetizar adenina, una base nitrogenada que forma parte de los ácidos nucleicos. En otros experimentos se logró obtener la base nitrogenada citosina, a partir de cianoacetileno (CNC2H2) y urea (CH4N2O) . Estos compuestos podrían haberse generado en un entorno prebiótico (Oró, 1960). Los experimentos indican que, bajo determinadas condiciones prebióticas, se pueden obtener mo léculas orgánicas simples , como aminoácidos y bases nitrogenadas, que probablemente estuvieron presentes en la Tierra primitiva (Podlech, 2001). La presencia y acumulación de estas moléculas orgá nicas en el océano temprano es lo que se conoce

Figura 2.5. Formación de proteínas a partir de aminoácidos. Imagen generada con ChatGPT (OpenAI, 2025)

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Figura 2.6. Representación del caldo primordial en la Tierra primitiva, con un volcán en erupción liberando moléculas de amoníaco (NH₃), hidrógeno (H₂) y metano (CH₄) a la atmósfera, y un océano que contiene aminoácidos, como escenario hipotético para el origen de la vida. Imagen adaptada de ChatGPT (OpenAI, 2025)

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como “caldo primordial” (Haldane, 1929/1967; Oparin, 1938/1968). En teoría, en ese medio, mo léculas como aminoácidos, azúcares y bases nitrogenadas se acumularon, favoreciendo la formación de estructuras prebióticas —por ejemplo, coacervados/protobiontes — y, eventualmente, de la vida (Oparin, 1938/1968; Mi ller, 1953; Ruiz-Mirazo, Briones, & de la Escosura, 2014; Ghosh et al., 2021). Es importante señalar que los ensayos en que se obtuvieron moléculas orgánicas se centraron ex clusivamente en estudiar la síntesis de com puestos químicos y no consideraron la posible formación de protocélulas (Miller, 1953; Bada & Lazcano, 2003). Las protocélulas se caracterizan por poseer una membrana que encierra un Del mundo químico al biológico: surgimiento de protocélulas

espacio interno, concentra moléculas y permite que ocurran reacciones químicas básicas en su interior (Schrum, Zhu, & Szostak, 2010; Chen & Szostak, 2010; Deamer, 2017). Por lo tanto, no se puede afirmar si estas estructuras llegaron a generarse en esos contextos experimen tales, ya que su estudio pertenece a un programa de investigación distinto dentro de la química prebiótica y la biología de sistemas (Ruiz-Mirazo, Briones, & de la Escosura, 2014; Deamer, 2017). Un estudio reciente ha demostrado que la sílice (componente principal del vidrio , material utilizado en estos experimentos, incluido el de Urey), puede catalizar reacciones que dan paso a la formación de material de tipo protoce lular . Este material, compuesto por polímeros orgánicos como los del cianuro de hidrógeno (HCN), se organiza en estructuras vesiculares huecas y se adhiere a las paredes del matraz y

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a la superficie del agua. Dado que estas películas orgánicas son de tamaño nanométrico a mi crométrico, su detección requiere técnicas modernas de microscopía y análisis de su perficies , por ende, no es posible descartar que también se hayan formado en los experimentos preliminares, aunque en ese momento no se iden tificaron (García-Ruiz et al., 2023). En condiciones primitivas, la sílice se encuentra presente en diver sos minerales, como en el cuarzo y en una gran variedad de silicatos y aluminosilicatos , que constituyen la mayor parte de la corteza terrestre y, por lo tanto, pudo haber desempeñado un rol clave como superficie catalítica en los procesos químicos que condujeron al origen de la vida. A pesar de estos avances, aún persisten grandes interrogantes sobre cómo surgieron los pri meros sistemas biológicos funcionales (Schrum, Zhu, & Szostak, 2010; Hazen, 2017). Las

proteínas, por ejemplo, son macromoléculas com puestas por cadenas de aminoácidos dispuestos en una secuencia específica (LaPelusa & Kaushik, 2022). En particular, el colágeno , la proteína más abundante en el cuerpo humano, está for mado por tres cadenas polipeptídicas (triple hélice), cada una de las cuales contiene cerca de mil aminoácidos en su dominio helicoidal cen tral (Ricard-Blum, 2011; Slatter & Farndale, 2015; Garibaldi et al., 2022). La sustitución de un solo aminoácido en la estructura puede alterar significa tivamente su estructura y función, fenómeno bien documentado para sustituciones de glicina en colá geno tipo I (Shoulders & Raines, 2009; Beck et al., 2000). Pensado en términos probabilísticos, resul ta extremadamente improbable que cerca de mil aminoácidos se ensamblen de forma espontánea y precisa para formar una cadena funcional, y que luego tres de estas cadenas se encuentren y alineen correctamente para generar una estructura activa

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como el colágeno; esta intuición ha motivado de bates y trabajos que exploran caminos alternativos y graduales de aparición de funciones en péptidos más cortos y en bibliotecas de secuencias aleato rias (Hazen, 2017; Keefe & Szostak, 2001; Fried et al., 2022). Esta complejidad molecular plantea uno de los desafíos fundamentales para comprender cómo pudieron surgir las primeras proteínas en un entorno prebiológico (Schrum et al., 2010; Fried et al., 2022).

replicarse por sí solas. Para que se produzcan más proteínas, es necesario el ADN , que contiene las instrucciones para sintetizar ARN, y este, a su vez, dirige la síntesis de proteínas . Este principio, conocido como dogma central de la biología molecular, establece que la información genética fluye en la dirección ADN → ARN → proteína (Crick, 1970). Sin embargo, la síntesis tanto del ARN como del ADN requiere de proteínas especializadas que actúan como catalizadores ; es decir, el ADN codifica proteínas, pero las proteínas hacen posible la síntesis de ADN y ARN. De este modo, nos enfrentamos a una aparente paradoja: las pro teínas son necesarias para formar ADN, y el ADN es necesario para producir proteínas; entonces, ¿habría sido necesario que surgieran simultánea mente el ADN y las proteínas para apoyarse mu tuamente? (Crick, 1970).

Ahora bien, incluso si aceptamos que las proteí nas pudieron formarse espontáneamente, surge un nuevo problema: para existir vida se requiere la for mación de más de una proteína y estas no pueden Paradoja proteínas-ADN

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Hipótesis del mundo de ARN Una posible respuesta a esta paradoja podría en contrarse en la molécula de ARN . Según la hipó tesis conocida como mundo de ARN, esta habría sido la primera biomolécula en aparecer, pues posee la capacidad de almacenar información genética , al igual que el ADN, y de actuar como catalizador, función que hoy cumplen principalmen te las proteínas. De este modo, no habría sido ne cesaria la aparición simultánea del ADN y de las proteínas para dar origen a la vida: el ARN pudo haber desempeñado ambos roles en las etapas tempranas (Gilbert, 1986). Si el ARN pudo iniciar el sistema vivo al reunir almacenamiento y catálisis, entonces con la evolución, la función informacional quedara mayoritariamente en el ADN y la función catalítica en proteínas.

Sistemas actuales: dogma central y excepciones acotadas En los organismos actuales, el diagrama histórico de Crick sintetiza el dogma central: la información genética se almacena en el ADN, se transcri be a ARN y se traduce en proteína; además, el ADN se replica (Crick, 1958). La idea clave es la direccionalidad del flujo de información: desde los ácidos nucleicos (ADN/ARN) hacia las proteí nas. Existen excepciones —por ejemplo, la re trotranscripción (ARN → ADN) en retrovirus o la replicación de ARN en algunos virus— que no in vierten esta regla general (Crick, 1958; 1970). En síntesis, el principio central de Crick sigue vigente: la herencia genética reside en los ácidos nucleicos. El mundo de ARN ofrece una salida plausible a la paradoja de los orígenes al prescindir de la apari ción simultánea de ADN y proteínas, mientras que,

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en los sistemas actuales, el flujo de información quedó estandarizado en el dogma central, con ex cepciones que no alteran su direccionalidad funda mental (Crick, 1958; 1970; Gilbert, 1986).

Sobre el posible origen del ARN autorreplicante

El ARN se compone de ribonucleótidos , cada uno de los cuales contiene un grupo fosfato , un azúcar (ribosa) y una base nitrogenada : adeni na (A), uracilo (U), citosina (C) o guanina (G). Para explicar el posible origen del ARN autorreplicante, se ha propuesto que los nucleótidos se formaron mediante reacciones en las que se unieron ribosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato. Luego, estos ribonucleótidos se habrían enlazado, for mando polímeros de ARN , y al menos una de estas cadenas habría desarrollado capacidad de

Figura 2.7. Diagrama histórico del dogma central (reconstruc ción del esquema de Francis Crick, ca. 1958) [SVG]. Crédito: ver ficha. Licencia: ver ficha (Commons). Fuente: Wikimedia Com mons. Archivo: Crick’s_1958_central_dogma.svg . Recuperado el 4 de octubre de 2025, de http://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Crick%27s_1958_central_dogma.svg

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replicación . No obstante, hasta ahora no se ha demostrado experimentalmente que el ARN com pleto pueda formarse en las condiciones atribuidas a la Tierra primitiva. A pesar de que han pasado más de setenta años desde el experimento de Mi ller, el proceso exacto mediante el cual surgieron las moléculas de ADN, ARN y proteínas —y con ellas, la vida— sigue siendo un misterio en estudio. Determinar con precisión qué reacciones químicas dieron lugar a la primera forma de vida es todavía uno de los grandes de safíos de la ciencia (Pla García & Menor Salván, 2017; Aragón de la Cruz, 2003; Yong Lu & Ren Lu, 2012).

arqueas prosperaron en un planeta sin oxígeno libre en la atmósfera , obteniendo energía me diante reacciones de fermentación y otras formas de respiración que no reuqieren de oxígeno (anae róbica) (Knoll, 2015). Para que la vida pudiera ge nerarse y establecerse, se sumaron procesos deci sivos como el enriquecimiento de nutrientes esenciales como fósforo y nitrógeno , libe rados a los océanos por la erosión continental y la actividad volcánica en el caso del fósforo, y fijados biológicamente por cianobacterias y arqueas en el caso del nitrógeno (Planavsky et al., 2010; Stüeken et al., 2016). Hace más de 3.000 Ma, los antepasados de las cianobacterias desarrollaron la fotosíntesis oxigénica , liberando oxígeno (O₂) como subpro El origen de la vida bajo la huella del oxígeno

El origen de la vida anóxica

El origen de la vida fue un evento único, resultado de una serie de transiciones químicas y bio lógicas profundamente entrelazadas . En sus primeras etapas, hace unos 3.500 Ma, bacterias y

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decisivos en este tránsito se incluyen: la endosim biosis , que dio origen a mitocondrias y clo roplastos (Margulis, 1970); la aparición de la multicelularidad , con células que cooperaban y se especializaban (Grosberg & Strathmann, 2007); y la estabilización climática tras episodios de glaciaciones globales (Hoffman et al., 2017). Gracias a estas transiciones, hacia ~575–541 Ma surgieron las primeras biotas macroscópicas , seguidas de la Explosión Cámbrica , con una gran diversificación de animales (Xiao & Laflamme, 2009; Erwin et al., 2011; ICS, 2024). Posteriormen te, las plantas colonizaron la tierra firme, incremen tando el oxígeno atmosférico y fijando CO₂, lo que favoreció la diversificación de insectos —algunos de tamaño excepcional— (Dudley, 1998; Harrison et al., 2010; Clapham & Karr, 2012) y permitió el surgimiento de los primeros tetrápodos (Shubin et al., 2006; Niedźwiedzki et al., 2010). Con el tiempo

ducto. Este proceso desencadenó una transforma ción lenta pero trascendental: el oxígeno comenzó a acumularse en mares y atmósfera hasta provocar el Gran Evento de Oxigenación (~2.45–2.32 Ga) (Lyons, Reinhard, & Planavsky, 2014). El oxí geno atmosférico permitió además la formación de la capa de ozono estratosférico (O₃), que absorbió radiación ultravioleta y favoreció la expansión de ecosistemas en aguas poco profundas y, más tarde, en ambientes terrestres (Cooke et al., 2022; Deitrick et al., 2023). Durante este proceso, el hierro ferroso de los océanos se oxidó, origi nando los grandes depósitos de hierro bandeado (Konhauser et al., 2017). La acumulación de oxígeno abrió el camino a la respiración aeróbica , mucho más eficiente en la producción de energía, y facilitó la evolución de células más grandes y complejas. Entre los factores Hacia la complejidad biológica

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Figura 2.8. Los antepasados de las cianobacterias liberaron oxígeno al océano y la atmósfera, dando origen al Gran Evento de Oxi genación y a la capa de ozono, lo que favoreció el desarrollo de formas de vida más complejas. Imagen adaptada de ChatGPT (OpenAI, 2025).

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aparecieron los amniotas , precursores de repti les, aves y mamíferos (Falcon-Lang et al., 2007; Ben ton, 2007). Durante el Mesozoico, los dinosaurios dominaron los ecosistemas terrestres hasta su desaparición hace 66 Ma debido al impacto de Chicxulub, uno de los cinco grandes eventos de extinción masiva de la historia de la Tierra (Schulte et al., 2010; IODP Expedition 364, 2017; Goderis et al., 2021; Bambach, 2006; Marshall, 2023). Tras este episodio, los mamíferos diversificaron rápidamente. Mucho más tarde, en el Plioceno (~4.2–2.0 Ma), surgieron los Australopithecus , que consolida ron la bipedestación y sentaron las bases del linaje humano (Haile-Selassie et al., 2019; Berger et al., 2010). De esta forma, la historia del origen de la vida muestra cómo la química de la Tierra moldeó el camino de la evolución . Los procesos iniciados en los océanos primitivos hace miles de millones de años sentaron las bases de la extraordinaria diver sidad biológica que hoy conocemos.

Figura 2.9. Principales hitos en la historia del universo, la Tierra y la vida, desde el Big Bang hasta la aparición de los primeros homínidos. Imagen generada con ChatGPT (OpenAI, 2025).

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Resumen

que el ARN pudo haber sido la primera molécula compleja que se generó a partir de otras más simples. Esta hipótesis se sus tenta en que dicha molécula no sólo alma cena información genética, sino también puede actuar como catalizador, cumplien do funciones esenciales sin necesidad de proteínas ni ADN. De este modo, el ARN habría sido un paso natural dentro de este proceso abiótico. Sin embargo, aún no se ha logrado la obtención de moléculas más complejas en laboratorios, por lo tanto, las reacciones químicas que dieron paso al origen de la vida aún se investigan.

La vida en la Tierra pudo haber comenza do con la formación espontánea de molé culas orgánicas simples, como los aminoá cidos, a partir de compuestos inorgánicos presentes en la atmósfera primitiva. Esta idea, conocida como Teoría abiótica del origen de la vida, fue apoyada por ex perimentos como el de Stanley Miller, que simularon dichas condiciones primitivas y lograron sintetizar compuestos esencia les, como aminoácidos. Sin embargo, al no lograr obtener moléculas más complejas, como proteínas y ADN, se ha propuesto

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Investiga y reflexiona

Responde las siguientes preguntas a partir de la información entregada y de la búsqueda de antecedentes adicionales.

1. ¿Qué elementos químicos, además del hidróge no, forman parte esencial de las moléculas orgáni cas asociadas a la vida?

3. ¿Qué paradoja surge de la dependencia mutua entre el ADN y las proteínas, y cómo la aborda la hipótesis del “mundo de ARN”? 4. ¿Cómo la gran oxidación cambió las condiciones de la Tierra y permitió el desarrollo de organismos más complejos?

2. Explica en qué consistió el experimento de Stanley Miller y qué resultados obtuvo.