A continuación os presento un texto recopilatorio de aquellos hechos más importantes entorno a los estudios realizados sobre el origen de la vida.
Life's Origins
La vida tal y como la conocemos hoy es un concepto difícilmente definible. Algunos autores se decantan por definirla como un hecho fortuito e irrepetible que ha desembocado en un proceso bioquímico muy complejo que nunca llegaremos a desentrañar.
Pero ¿Qué es la vida?
Existen múltiples acercamientos al concepto de vida, unos más elaborados y otros menos, como el propuesto por el físico R. Feynman quien a esta respuesta contestó: “No sé lo que es la vida pero sé perfectamente cuándo mi perro está muerto”. Esta definición por contraposición a la muerte sólo nos lleva a un callejón sin salida, la indefinición del propio concepto.
La vida es un proceso químico, capaz de mantenerse por sí mismo, que perpetúa su composición pese a las variaciones del exterior y que se perpetúa en el tiempo gracias al proceso reproductivo. Bajo esta sencilla definición cabe destacar que el elemento mínimo que puede ser definido como “vida” es la célula, concepto este último definido por Hooke tras observar por primera vez en la historia con su sencillo microscopio una lámina de corcho, en la que encontró las celdas de pared celular que definían el espacio celular.
Entonces, algunos se preguntarán ¿los virus están vivos? Tomando la definición que acabamos de realizar, resulta sencillo responder. En realidad los virus no son capaces de reproducirse ni de mantenerse por sí mismos sin un elemento “vivo” al que parasitar, por tanto sólo cabe establecer que los virus no están vivos.
Hasta aquí hemos definido de forma sencilla un enorme y complejo mecanismo de automantenimiento y reproducción, pero todos los lectores coincidirán conmigo en que en realidad la vida es un proceso bioquímico muy complejo, con grandes incongruencias que nos llevan a plantearnos ¿cómo se ha llegado a un modelo tan complejo?
El premio Nobel Jack Szostak nos demuestra con cada publicación desde su laboratorio en Harvard, que la vida es un proceso sencillo que no requiere de la gran complejidad que a día de hoy observamos incluso en la más sencilla de las formas de vida. ¿Entonces porque estamos dónde estamos?
La reproducción es inherente a la vida tal y como acabamos de definir. Este proceso no es perfecto, es un mecanismo necesario que genera errores, variación, que permite a la vida ensayar con ella misma. A ese mecanismo reproductor en el que se introducen errores de forma sistemática, y que permite a la vida explorar nuevas posibilidades lo llamamos evolución.
En realidad es la evolución, la responsable de la complejidad que observamos hoy en toda forma viva. Es la evolución la que lleva a la selección del más apto en cada momento, lo que no quiere decir que se seleccione el más eficaz en todos los aspectos, sino aquel que en una determinada situación es más eficaz ante un cambio importante en el medio ambiente. Este proceso lleva inexorablemente a la procreación del más eficiente en cada momento, y eso lleva a acumular errores, variaciones y soluciones no óptimas para otros aspectos que no han supuesto un escollo evolutivo en ese momento y que por tanto han pasado sin ser “filtrados” por la selección natural. ¿Será esto todo? En otro momento habrá que ver qué tenía que decir a esto Lynn Margulis.
Dicho esto, creo que podemos entrar en los acontecimientos históricos que definen la historia del estudio de la vida.
Historia
En la Grecia antigua Anaxágoras planteó un origen de la vida denominado panspermia. La panspermia explicaba que las semillas de la vida irían diseminándose por el espacio y sembrando vida en cada planeta. Esta idea de generación de la vida de forma espontánea permaneció durante siglos sin ser rebatida, hasta que Francesco di Redi en el siglo XVII demostró que la generación espontánea (la vida apareciendo de la nada) no ocurría en un matraz con materia orgánica de forma azarosa sino como consecuencia del contacto con moscas que “sembraban” allí sus huevos. Hasta 1864 no fue defenestrada la generación espontánea definitivamente. Louis Pasteur y su experimento con matraces en cuello de cisne consiguieron demostrar que el aire portaba pequeñas partículas que contagiaban la vida a aquellos matraces estériles. Pasteur describió el primer mecanismo para mantener un medio rico en nutrientes libre de microorganismos.
En 1924 (y después de forma más extensa en 1936) Alexander Ivanovich Oparin publica un estudio en el que defiende un origen de la vida basado en la acumulación de materia orgánica en los océanos prebióticos, lo que Oparin definió como Sopa Prebiótica. Esta sopa prebiótica, rica en materia orgánica, sería consecuencia de las emanaciones volcánicas a la atmósfera primitiva, la cual sería rica en vapor de agua y gases reducidos. La atmósfera primitiva estaría sometida a constantes bombardeos de meteoritos, descargas eléctricas y una elevada radiación ultravioleta. Según Oparin, esta situación provocaría una acumulación de moléculas orgánicas en los océanos prebióticos que poco a poco y gracias a energía libre presente en ellos, llevaría a la aparición de complejas moléculas orgánicas y finalmente a la aparición de coacervados que rápidamente evolucionarían hacia las primeras células primitivas.
En 1953 Stanley Miller, un estudiante de doctorado del laboratorio de H. C. Urey, desarrolla un experimento que demuestra de forma sencilla y efectiva que en las condiciones atmosféricas planteadas por Oparin, es factible la aparición de materia orgánica. En tan sólo una semana, el montaje de Miller produjo incluso aminoácidos. Este hallazgo supuso una revolución en el estudio científico sobre el origen de la vida.
Desde el experimento de Miller han pasado mas de 60 años durante los cuales se han ido resolviendo algunas lagunas existentes en el planteamiento de Oparin. Finalmente se ha consensuado que la atmósfera primitiva no pudo ser reductora sino neutra. Por otro lado, se han encontrado rocas en Canadá con una edad estimada de 4.280 m.a por lo que parece claro que la superficie del planeta se enfrió entonces. Y que la densidad de la atmósfera era suficientemente alta como para frenar los impactos de meteoritos hace ya 4.000 m.a, por lo que el inicio de la vida pudo darse a partir de esta fecha. Sin embargo, los primeros fósiles descubiertos -bacterias del azufre- poseen una edad de 3.400 m.a. Esto nos da unos 600 m.a para que evolucione la primera forma viva. La “sopa” o “consomé” como dicen otros autores pudo generarse cerca de los humeros submarinos, dónde la materia inorgánica fluye enérgicamente, de manera que se genera una zona de alta concentración y elevada temperatura que permitiría la reacción entre las moléculas inorgánicas hasta la aparición de moléculas orgánicas.
Estado actual
En la actualidad existen dos enfoques de estudio contrapuestos que avanzan a marchas forzadas y en ambos casos con grandes hallazgos. El primero se plantea como una investigación de arriba hacia abajo y abanderado por Craig Venter, el cual trabaja desde la hipótesis de crear la forma de vida más sencilla posible eliminando genes superfluos de una forma de vida ya de por sí sencilla, Mycoplasma mycoides. En junio de 2006 C. Venter patenta su Mycoplasma laboratorium, una forma de vida con tan sólo 600 genes que hasta ahora no existía. Se había creado la primera forma de vida autorreplicante y automantenida. De esta forma Venter demostró que la vida no requiere de millones de genes para perpetuarse. En este momento, el laboratorio de Venter se dedica a la síntesis de nuevos microorganismos capaces de fijar el CO2 y producir hidrocarburos.
El segundo enfoque, que desarrolla la investigación de abajo hacia arriba, se gesta entorno a los hallazgos de 1982 de Altman y Cech, quienes reciben el premio Nobel en 1989 por su descubrimiento en relación a la actividad catalítica de los ARN, lo que hoy conocemos como ribozimas. A raíz de estos hallazgos y otros relacionados, se inicia un nuevo razonamiento que lleva a pensar que el dogma central de la biología (ADN ARN PROTEÍNA) tal y como estaba establecido hasta la fecha, era demasiado complejo como para ser el sistema en el que se basó la vida para abrirse camino. Comienza una nueva doctrina que presenta al ARN como primera molécula importante en la vida, con función enzimática y por tanto responsable de la autoperpetuación y con función informativa y por tanto responsable de la transmisión de información entre generaciones. Bajo este enfoque varios grupos comienzan a desarrollar investigaciones en paralelo, pero será Jack Szostak y su equipo quienes encabecen esta carrera por demostrar que la vida ocurrió en un breve espacio de tiempo y gracias a una molécula con doble función, el ARN. En el laboratorio de Szostak se han conseguido crear ribozimas autorreplicantes que evolucionan rápidamente generando un gran abanico de funciones.
En 2009 Szostak y Alonso Ricardo exponen un sencillo pero elaborado modelo teórico que pudo ser responsable del origen de la vida, la vida basada en el ARN. Antes de entrar a desarrollar este modelo, veamos que hallazgos lo legitiman:
La síntesis espontánea de nucleótidos citosina y uracilo unidos a grupos fosfato tras mezclar cianuro, formaldehido y acetileno (todas moléculas muy comunes en la Tierra primigenia).
En los espacios existentes entre microláminas de arcilla se produce polimerización espontánea de nucleótidos, alcanzándose polinucleótidos de hasta 50 unidades. Esto ya fue demostrado por Cairns-Smith en 1985, en su malograda hipótesis de la “arcilla”.
La presencia de ácidos grasos -y no fosfolípidos- en cantidad suficiente en un medio acuoso da lugar a vesículas. Éstas son impermeables a grandes moléculas como polinucleótidos de doble cadena y permeables a monómeros y polinucleótidos monocatenarios.
Las vesículas de ácidos grasos crecen de forma espontánea al adicionar al medio ácidos grasos. Las vesículas al llegar a un tamaño determinado se escinden en dos. Cuanto mayor es el número de moléculas en el interior de una vesícula mayor es la presión osmótica que empuja al agua a su interior, lo que provoca primero el crecimiento de la membrana y segundo la escisión en dos vesículas de menor tamaño y contenido similar.
Se ha observado que el crecimiento de estas vesículas se produce en forma tubular más que esferoidal -sin existencia de citoesqueleto-, por lo que su parecido a las bacterias actuales es mayor de lo esperado.
La temperatura del medio afecta a la polimerización espontánea. Así se ha constatado que en presencia de una hebra monocatenaria de nucleótidos y nucleótidos libres, si la temperatura desciende, los monómeros se acoplan a la hebra monocatenaria manteniendo el emparejamiento C-G A-U y generándose enlaces estables entre los monómeros. Por otro lado, estas cadenas bicatenarias, sometidas a temperaturas elevadas, provocan la separación de ambas cadenas.
Estos hechos, han llevado a plantear un modelo teórico en el que la vida se originaría cerca de surgencias marinas -black smokers- dónde existe una elevada concentración de materia inorgánica y temperatura elevada. Allí se generarían pequeñas vesículas de ácidos grasos con un elevado contenido en nucleótidos, algunos de ellos polimerizados. Estos al ascender junto con la corriente convectiva generada por la surgencia, se irían enfriando lentamente, y se produciría la polimerización de una doble cadena de ARN. La vesícula tras enfriarse, volvería a descender, calentándose progresivamente y permitiendo la escisión de dos cadenas en el interior de la vesícula, la cual volvería a crecer por incorporación de ácidos grasos. Al crecer permitiría la incorporación de más nucleótidos y con cada ciclo, aumentarían el número de coacervados ricos en ARN. Entre ellos en algún momento la secuencia azarosa de ARN comenzaría a realizar alguna función beneficiosa para la estabilidad “celular” y progresivamente sería “seleccionada” y se amplificaría hasta colonizar el humero en cuestión. Habría comenzado el proceso de selección natural y de aparición de la vida.
Noviembre 2011
Referencias bibliográficas
A. Ricardo y J. Szostak. “Orígenes de la vida” Investigación y Ciencia. Noviembre 2009
S. Monroe. “Geología. Dinámica y evolución de la Tierra”. Paraninfo. 2008.
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