Orígenes. La vida. Introducción

INTRODUCCIÓN

La segunda sección del volumen Orígenes que estamos comentando lleva por título “La vida” y ha sido escrito por Carlos Briones (aka @brionesci). Como nos explica en la introducción que voy a resumir, el objetivo de esta parte de la obra consiste en:

Exponer lo que la ciencia sabe (y lo mucho que ignora) sobre los acontecimientos que pudieron producirse y combinarse durante [el] lapso de tiempo, de no más de 400 Ma, que cambió para siempre el devenir de nuestro planeta. También mostraremos, más brevemente, los procesos y transiciones fundamentales que se han sucedido durante la evolución de los seres vivos.

Podríamos en suma resumir la finalidad de este bloque en la búsqueda de respuesta a una, aparentemente, sencilla pregunta: ¿Cómo a partir de la química, emergió la biología?

¿Cómo surgió la vida?

En la tarea de obtener respuestas para esta pregunta tan crucial para comprender cómo hemos llegado hasta aquí, los científicos emplean dos estrategias complementarias. La primera línea de trabajo es la que se denomina del pasado hacia el presente o de abajo hacia arriba. Consiste en proponer modelos y realizar experimentos para intentar llegar a la biología a partir de una química que sea progresivamente más compleja e inter-relacionada. Lo más complicado desde este punto de vista es establecer la frontera entre lo vivo y lo inanimado, es decir, a partir de qué momento puede empezar a considerarse como vivo un sistema químico.

La segunda aproximación se conoce como del presente hacia el pasado o de arriba hacia abajo y está basada en la comparación de los organismos actuales entre sí, y de éstos con las especies extintas que conocemos a través de sus fósiles. En la década de los ochenta del siglo pasado, y gracias al análisis de la información de un mismo gen, se demostró que todos los organismos provenimos de un mismo antepasado común: LUCA (del inglés Last Universal Common Ancestor). No sabemos cómo pudo ser LUCA, pero sí que sus características eran las mismas que tenemos en común todos sus descendientes.

A pesar de todos los esfuerzos, quizás nunca sepamos cómo ocurrió el origen de la vida, ya que éste fue un hecho histórico y por tanto irrepetible, pero cada vez tenemos más claro lo que pudo ocurrir.

¿Dónde se produjo el origen de la vida?

Se plantean dos posibilidades: pudo ser endógeno, es decir, haberse iniciado en entornos tan distintos como pequeños charcos, la superficie del mar, las emanaciones hidrotermales submarinas o la atmósfera. Pero también pudo ser exógeno, lo que implicaría que la vida (o alguno de sus constituyentes moleculares) se formó en otros planetas o satélites. Es lo que conocemos como panspermia. Lo más probable que haya un poco de los dos aspectos, y parte de los ingredientes se formaran en la Tierra, y otros llegaran con los meteoritos o cometas. En cualquier caso, la discusión sobre si el origen de la vida se produjo en nuestro planeta o fuera de él no resuelve ningún problema; simplemente lo cambia de lugar.

El azar

Cuando tratamos de comprender un suceso tan complejo, es imposible no pensar en el posible papel que haya podido tener la necesidad y el azar en el surgimiento de la vida. En este sentido, tenemos que hablar de Jaques Monod, un biólogo francés que sostuvo que “la estructura actual de la biosfera no excluye, sino que al contrario apoya, la hipótesis de que el acontecimiento decisivo sólo haya ocurrido una vez. Esto significaría que su probabilidad a priori era casi nula. […] Nuestro número ha salido en el juego de la ruleta del casino de Montecarlo”.

Frente a esta posición, Robert Shapiro (químico) mantiene que “si la vida hubiese surgido en nuestro planeta como resultado del puro azar, la aplicación de la teoría de probabilidades indica que se habría requerido para ello un tiempo mucho mayor que la edad del Universo”.

Por su parte, el también biólogo Christian de Duve afirmó “En mi opinión, la forma en que la vida se originó en la Tierra es, visto con suficiente amplitud, un fenómeno determinista. Por tanto, si se dan las mismas condiciones en otro planeta, debemos esperar que la vida surja en formas químicamente similares a las de la Tierra”.

La conclusión de nuestro autor es que “la vida sería el resultado de las opciones que tiene la materia para, sin dejar de obedecer las leyes de la física y la química, incrementar progresivamente la complejidad de los procesos en los que participa hasta generar una dinámica auto-replicativa que le permite mantenerse alejada del equilibrio termodinámico gracias a un consumo constante de energía. Los intentos frustrados de originar la vida fueron probablemente numerosos, de forma que LUCA y sus descendientes seríamos el resultado de muchas jornadas de suerte en la ruleta de la Tierra primitiva”.

Pero, ¿qué es la vida?

Como sucede en cualquier campo de investigación, tratar de comprender el origen de la vida implica llegar a un cierto consenso sobre cuál es su objeto de estudio.

La primera definición racional la encontramos en las obras de Aristóteles quien afirmó que “Vida es aquello por lo cual un ser vivo se nutre, crece y perece por sí mismo”. A partir de aquí, nuestro autor realiza un recorrido histórico a través de las obras de Engels, Oparin, Schrödinger (y su famoso libro “¿Qué es la vida?”) y a los “autómatas auto-reproductores” como definía a los seres vivos el matemático John von Neumann.

Durante el último medio siglo también se han propuesto varias definiciones más cercanas a la química y la biología, como la de John D. Bernal en 1965: “La vida es un sistema de reacciones orgánicas acopladas potencialmente capaces de perpetuarse, catalizadas por etapas y de forma casi isoterma por catalizadores orgánicos específicos y complejos, que son producidos por el propio sistema”.

John Maynard Smith, Christian de Duve y Lynn Margulis ofrecieron cada uno también su punto de vista sobre tan escurridizo concepto, tal y como hicieron ya en España, Ricard Solé, Juan Pérez-Mercader y de forma conjunta, Kepa Ruiz-Mirazo, Juli Peretó y Álvaro Moreno.

Sin embargo, todas estas aproximaciones no han hecho sino mostrar lo complicado de la tarea, ya que hasta qué punto podemos preguntarnos qué es la vida antes de que encontremos otro ejemplo de vida fuera de la Tierra, con el cual podamos comparar las características de los seres vivos que conocemos. Robert Shapiro lo ha expuesto con maestría: “¿Cómo definiríamos lo que es un mamífero si el único mamífero que hemos visto es una cebra?”.

Por lo tanto, una opción alternativa a tratar de ofrecer una definición de este concepto consiste en estudiar las características fundamentales que diferencian a los seres vivos de los inanimados. Y así encontramos tres propiedades comunes a todos los seres vivos: poseen información heredable que transmiten a su progenie, están compartimentados de forma que el ser vivo se diferencia de su entorno, y desarrollan un metabolismo gracias al cual intercambian materia y energía con dicho entorno.

Tenemos que destacar que la replicación de la información genética de los seres vivos no produce copias idénticas del original. Esto es muy importante porque de ahí surgen errores o mutaciones que son la fuente de cierto grado de diversidad. Esta característica es clave para que opere la evolución por selección natural: los individuos que estén mejor preparados para soportar las condiciones del ambiente (mejor adaptados) mostrarán una mayor eficiencia biológica y dejarán más descendientes que los demás.

Por lo tanto, con estos conceptos en mente, podemos tomar como una definición operativa válida la adoptada por el Instituto de Astrobiología de la NASA: “Un ser vivo es un sistema químico auto-mantenido que evoluciona como consecuencia de su interacción con el medio”.

La química de los seres vivos.

En la parte final de la introducción vamos a conocer (aún de forma somera) algunos de los conceptos clave que vamos a necesitar para seguir el desarrollo de la sección.

Si analizamos la composición de los seres vivos al nivel más básico, es decir, estudiando los elementos de los que estamos hechos, tenemos que saber que el 99% de toda la materia viva está constituida únicamente por oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre. El 1% restante se reparte entre otros elementos de la tabla periódica (minoritarios pero imprescindibles). En definitiva, el análisis de la composición elemental de la vida pone de manifiesto que somos fundamentalmente agua y carbono.

Aunque nada impediría que exista algún tipo de vida no basada en agua y/o carbono (y de hecho en ninguna de las definiciones que se manejan se pone como condición dicha composición), resulta evidente que la bioquímica que conocemos utiliza la mejor base química posible.

Por último, no podemos dejar de hablar de las biomoléculas orgánicas: los glúcidos, los lípidos, los aminoácidos y proteínas, los nucleótidos y ácidos nucleicos y distintos tipos de metabolitos.

Los glúcidos: actúan como almacenadores de energía.

Los lípidos: son las principales moléculas que forman las membranas biológicas, y también pueden funcionar como compuestos de reserva energética y como moléculas reguladoras.

Los aminoácidos: son los constituyentes de los péptidos y proteínas, y desempeñan un papel fundamental en el metabolismo.

Los nucleótidos: son los monómeros que constituyen los ácidos nucleicos (ácido ribonucleico o ARN; y ácido desoxirribonucleico o ADN). Por otra parte, algunos ribonucleótidos como el ATP o el GTP son moléculas fundamentales como intercambiadoras de energía en el metabolismo. Se denomina genoma al conjunto de la información genética que posee una célula o un virus. En los organismos celulares, los genomas son de ADN y se estructuran en uno o más cromosomas. Por su parte los genes son regiones del genoma que poseen la información para ser transcritos en forma de ARN mensajero y otros tipos de ARN.

Las proteínas están formadas por cadenas de aminoácidos (generalmente de entre 100 y 600 monómeros) y son las principales responsables de las estructuras y funciones de las células.

Este rápido repaso por la composición química de la vida nos ha llevado desde el agua hasta, por ejemplo, el sistema nervioso central de un ser humano. Con ello se ponen de manifiesto los distintos niveles de complejidad que puede llegar a adquirir la química cuando se organiza en forma de sistemas vivos. Las características químicas y bioquímicas fundamentales de los organismos no han variado desde LUCA hasta hoy, lo que plantea un gran reto: intentar averiguar cómo se produjo la transición o el salto entre la química y la biología hace más de 3500 Ma.

Bueno, hasta aquí mi resumen de esta estupenda introducción. Como veréis, nos esperan suculentos capítulos para profundizar en el fascinante mundo de la vida, así que ¡a comentar qué os ha parecido!