lunes, 10 de agosto de 2015

EL ORIGEN DE LA VIDA


SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA

* Pero, ¿qué es la vida?
Lo primero que hay que considerar al hablar del origen de la vida, es a qué nos referimos cuando hablamos de “vida”. Instintivamente todos podemos reconocer lo vivo de lo no vivo, al menos cuando se trata de macroorganismos. Pero si nos vamos a los extremos, las cosas no son tan fáciles. Cabe preguntarse ¿qué es la vida?. Un ser vivo puede definirse desde muchos puntos de vista. Podemos realizar una definición fisiológica, centrándonos en las funciones que son capaces de realizar los seres vivos, es decir, alimentarse, excretar, respirar, moverse, reproducirse, etc. Una definición metabólica se basaría en el intercambio de materiales que lleva a cabo un organismo vivo con su entorno (el metabolismo). Una definición bioquímica nos hablaría de enzimas y ácidos nucleicos, y otra termodinámica diría que un ser vivo es un sistema abierto que intercambia energía y materiales con su ambiente.

Eligiendo una de las múltiples definiciones, podemos decir que un ser vivo es una entidad individual, de dimensiones muy variables pero concretas, que utiliza la química del carbono para efectuar una serie de funciones agrupadas, en general, bajo las tres denominaciones siguientes:
- Autoconservación.
- Autoreproducción.
- Autoregulación.

La Autoconservación es la capacidad que tienen los seres vivos de evitar la tendencia que todos los sistemas tienen al desorden, es decir, la capacidad de conservar su entropía, lo que hacen a expensas del medio ambiente a través de la respiración y la nutrición y, como última fuente de energía, la energía solar. Cuando un organismo vivo, a causa de la acumulación de desperdicios en su medio interno y a la desincronización de las reacciones metabólicas, no es ya capaz de almacenar la energía ambiental necesaria para su conservación, muere.

La Autoreproducción es la facultad de utilizar la energía para sintetizar los elementos constituyentes de su propio organismo. Esta función no se detiene aquí: un ser vivo llega a ser capaz de duplicarse a sí mismo y sintetizar otro individuo enteramente nuevo semejante a él, gracias a la réplica del ADN y a la división celular.

La Autoregulación es la posibilidad que tienen los seres vivos de reemplazar cualquier elemento celular depauperado y adaptarse lo mejor posible a su entorno a fin de mantener su constantemente amenazada individualidad. Una modificación en el medio que atente contra la integridad del organismo, desencadena un cambio de comportamiento tendente a restablecer el equilibrio, lo que hace posible la adaptación al medio cambiante.

Estas tres funciones ilustran la complejidad que oculta cualquier organismo vivo, por diminuto y simple que sea. ¿Cómo, a partir de simples átomos, pudo llegarse a esta extrema complejidad?.


* La vida, ¿un proceso irrepetible?
Es importante tener en mente una referencia temporal. Nos dicen los físicos que el famoso big-bang que dio lugar al universo que hoy conocemos, se produjo hace entre 13 y 15.000 millones de años. Hay que dar otro salto importante para llegar a la formación de la Tierra. Nuestro planeta existe como tal desde hace unos 4.500 millones de años. Por cierto, que a los que piensen que la vida en la Tierra durará eternamente o a todos aquellos que nunca se lo han planteado, hay que decirles que tenemos fecha de caducidad. Nuestro apreciado sol, como todas las estrellas, tiene una existencia limitada y cuando nos falte él (en realidad mucho antes), nuestro planeta volverá a ser biológicamente estéril. Estamos aproximadamente a la mitad del camino.

¿Es la vida un fenómeno único en el Universo, un hecho que se produjo en un lugar privilegiado, a través de una serie de circunstancias tan especiales que no se ha dado en ningún otro lugar o bien es un hecho banal, común en cientos, miles o millones de lugares distintos?. En realidad no hay término medio. O bien hemos de pensar en algo irrepetible, en cuyo caso es imprescindible contemplar la intervención divina, o si se trata de un proceso difícil, pero posible, si tenemos en cuenta las magnitudes del Universo ha tenido que producirse necesariamente en multitud de lugares distintos. Y ello no sería una consecuencia posible, sino totalmente cierta y verosímil. En el primer caso sería vano encontrar ningún tipo de explicación científica. En el segundo, la vida es un hecho habitual, banal, presente en incontables mundos y debe seguir una cierta lógica. En las próximas líneas seguiremos la estela de esta última explicación.

Si consideramos la vida un hecho “posible” (y lo es, ya que la vida es una realidad) y científicamente explicable, lo primero que hay que tener en cuenta es que en nuestro planeta se desarrolló a través de un antepasado común. Un ancestro único que se deduce de las múltiples similitudes existentes entre todos los seres vivos conocidos sin excepción:

- Mismos monómeros componentes de los elementos básicos que componen la vida: las proteínas y los ácidos nucleicos.
- Mismo sistema de replicación, a través del ADN y del ARN.
- Procesos metabólicos muy similares en todas las células: qué moléculas hacen qué cosas, cómo y dónde se producen las proteínas, cómo se almacena y se libera la energía, etc.

Ahora bien, este primer ancestro común no tuvo porque ser necesariamente el primer ser vivo de la Tierra, es más, probablemente no lo fue. La vida pudo haber surgido varias veces y extinguirse antes de la última y definitiva. Durante sus primeros quinientos millones de años de existencia la Tierra sufrió un impresionante bombardeo de meteoritos, cometas y asteroides. Un impacto de un objeto de “sólo” 60 Km. de diámetro liberaría suficiente energía como para hacer hervir todos los océanos del planeta y esterilizar cualquier atisbo de vida. ¡Y esto sucedió en varias ocasiones!. Se cree que sólo 10 Km. de diámetro fueron suficientes para la extinción de los dinosaurios (en realidad, tras el impacto de hace 65 millones de años no sólo se extinguieron los dinosaurios, sino ¡todo animal terrestre de un peso superior a los 25 kg.!).

Hasta hace algo más de 3500 millones de años no se redujo el número de impactos a un nivel similar al actual. Sólo entonces fue posible el desarrollo de la vida sin más interrupciones. Ello conduce al primero de los dilemas que la vida ofrece a los científicos: su desarrollo fue increíblemente rápido: ¡hay rastros de vida de hace 3800 millones de años!.

¿Cómo fue posible ese desarrollo?. ¿Cómo se produjo el paso de la materia inorgánica, inerte, a esa complejidad enorme que significa la vida?. En el fondo la vida se resume en Metabolismo y Reproducción (o replicación). Todo lo que envuelve a la vida y le da su significado, la autonomía, la nutrición, la complejidad, la organización, el crecimiento, el contenido en información, la permanencia, el cambio, la muerte, etc., todo puede ubicarse en el ámbito de ambos conceptos. En realidad la vida es un acuerdo mutuamente beneficioso entre las proteínas (el metabolismo) y el ADN (la reproducción). El ADN y sus genes precisan a las proteínas para “hacer cosas”, alejarse del peligro, protegerse, buscar materias primas, crear biomasa para ganar competitividad, etc. Y las proteínas necesitan a los genes para su replicación y permanencia.


* ¿Cómo pudo suceder?
¿Cómo pudo empezar todo?. Antes de que hubiera vida los procesos geofísicos y químicos dejaron sus huellas en las rocas. Después, los procesos evolutivos, biológicos, son observables en los fósiles y en las propias especies vivas. Pero, ¿cómo fue la transición entre la actividad meramente química inerte y el metabolismo biológico organizado?. No existe ninguna evidencia directa, no hay ningún rastro observable de ese instante. Y probablemente nunca lo encontremos, lo que obliga a la comunidad científica a trabajar con hipótesis.

La puerta a la investigación científica sobre este tema la abrió Darwin, que con sus escritos y teorías rompió los moldes que habían impedido toda discusión al respecto. Sólo después de Darwin los científicos fueron capaces de abordar el origen y el desarrollo de la vida desde un ámbito ajeno a los conceptos míticos y religiosos. Hasta ese momento las cosas eran como eran y siempre habían sido así. Todas las especies presentes en la Tierra y las extinguidas, todas, absolutamente todas habían sido creadas en el mismo instante por un ente sobrenatural en el origen de los orígenes. Y no había más discusión. Hubo que esperar hasta finales del siglo XIX y principios del XX a que aparecieran las primeras explicaciones atrevidas que contradecían los dogmas religiosos. Y fue uno de los primeros científicos postulantes el que ofreció una explicación al tema que nos atañe que aún hoy en día sigue siendo la más plausible y clara. A pesar de que modernas teorías ofrecen distintas soluciones, la que dio el ruso Alexander Oparin en un pequeño libro publicado en 1927 y posteriormente ampliado por el mismo autor, es de una lógica fácil de asimilar. En realidad se trata de decidir el orden de los acontecimientos: ¿qué fue primero, los enzimas (es decir, las proteínas, el metabolismo), los genes (el sistema de replicación) o el marco físico celular donde se contienen todos los procesos del organismo?. Oparin expuso una teoría que señalaba el inicio en el marco físico, en el que posteriormente se instauraron los enzimas y en el que finalmente se hicieron un lugar los genes. En los últimos decenios otros autores han expuesto teorías que anteponen los genes a los enzimas y al marco celular, por este orden, (el llamado “mundo de ARN”) e incluso otros que inician sus explicaciones con los enzimas a los que siguieron el marco y finalmente los genes. Por su sencillez y tratándose de un breve espacio en el que hacer una pequeña aproximación, en este artículo se describen someramente sólo las ideas de Oparin.

Todos los seres vivos están compuestos de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y pequeñas trazas de otros elementos. ¿Por qué éstos y no otros?. La explicación es sencilla: se trata de cuatro de los cinco elementos más abundantes en el Universo (el quinto es el Helio, pero éste no cuenta ya que se trata de un gas inerte no reactivo, incapaz de formar enlaces). La vida, al menos la conocida, en realidad se sustenta en la química del Carbono, las posibilidades de este elemento para combinarse con los otros átomos presentes en la vida lo convierten en el eje central de toda la historia.


* Un proceso de millones de años.
Y ahora hay que situarse a casi 4000 millones de años de distancia en el tiempo, en un planeta todavía cargado de erupciones volcánicas, violentos terremotos, extraordinarias tormentas eléctricas, asediado por las radiaciones ultravioletas (aún no se había desarrollado la capa protectora de ozono, que fue un producto de la propia vida). Fue ese a nuestros ojos violento e inhóspito lugar el que proporcionó el medio ideal para el inicio de todo el proceso. Es importante también considerar que nuestro planeta goza de la presencia de agua líquida desde hace más de 4000 millones de años. Sin ella no hubiera sido posible el desarrollo de la vida (al menos la vida que conocemos). Entre las primeras moléculas elementales presentes en la Tierra, básicamente el agua (H2O), el metano (CH4), el dióxido de carbono (CO2) y el amoníaco (NH3), se produjeron las incipientes reacciones en cadena que dieron lugar a los primeros monómeros, moléculas básicas que combinaban los cuatro elementos antes mencionados. En realidad este proceso no es tan complicado e incluso ha podido ser reproducido a nivel de laboratorio de forma bastante aproximada. Los científicos han sido capaces de crear ese ambiente reactivo y hostil descrito y “producir” moléculas básicas como son los aminoácidos. Pero, ¿cómo pudieron formarse los polímeros, es decir, el siguiente paso, la unión de las sencillas moléculas básicas para producir moléculas mucho más complejas?.

Los polímeros tenían muchos “enemigos”:

- La propia agua, el medio fundamental, el disolvente universal, donde las proteínas y los ácidos nucleicos tienden a descomponerse.
- Las radiaciones ultravioleta, que no permiten la estabilidad de las moléculas complejas.
- El oxígeno presente en el ambiente, que se une con el carbono secuestrándolo e impidiendo de ese modo su participación en otras moléculas (proceso que constituye la oxidación).

Las moléculas encontraron soluciones para hacer frente a estos “enemigos”. La primera protección fue buscar refugio a los rayos ultravioleta. Y ese refugio lo encontraron en el medio líquido, en la llamada sopa primordial, a unos 10 metros de la superficie, donde podían aprovechar el calor del sol para las reacciones químicas y evitar el daño de los rayos ultravioleta.

La otra solución protectora, la más importante, la que Oparin situó en primer lugar en el orden de los procesos biológicos, se obtuvo cuando se formaron los primeros fosfolípidos, moléculas con un extremo hidrófilo y otro hidrófobo. Estas moléculas se formaron cuando el metano presente en la Tierra, bajo la influencia de los potentes rayos ultravioleta, dio lugar a la aparición de grandes formaciones de hidrocarburos condensados que se oxidaron y se solubilizaron en el agua, formando las cadenas de fosfolípidos. Estas moléculas tienen la peculiaridad de formar pequeñas esferas estables en presencia de agua, uniendo entre sí las partes hidrófobas y ofreciendo al medio líquido exterior las hidrófilas. Estas microesferas o coacervados fueron una invención fundamental porque facilitaron a las moléculas básicas un lugar privilegiado, protegido, aislado del medio, para el desarrollo de la vida.

Las microesferas de fosfolípidos podían subdividirse, chocaban unas con otras, explotaban y volcaban al medio su contenido: moléculas elaboradas que habían sido posibles gracias a su protección, que se habían formado de forma aislada al medio que las rodeaba. Bolsas lipídicas, protegidas de los rayos ultravioleta, flotando a cierta profundidad en los océanos primordiales, con contínuos aportes e intercambios de material orgánico: ese fue el principio. De alguna forma (es muy difícil asegurar hechos que ocurrieron hace casi 4000 millones de años) estas microesferas llegaron a constituir entidades autónomas, con una membrana protectora que con el paso del tiempo consiguió hacerse selectiva al paso de las moléculas del medio. ¡Se convirtieron en un sistema separado, independiente, capaz de establecer una frontera entre él y los demás!.

Apliquemos por un momento las teorías de la evolución del propio Darwin a ese proceso inicial: esferas cargadas de material orgánico compitiendo por su estabilidad y permanencia. Aquellas que contuvieran las reacciones internas a un nivel que no llegara a la autodestrucción permanecerían. Las otras desaparecerían. Las que consiguieran a través de lo que inicialmente pudieron ser pequeños defectos de forma, que sus membranas evitaran el paso de moléculas o enzimas perjudiciales para su estabilidad o, al contrario, permitieran el paso selectivo de moléculas necesarias para su equilibrio interno también tendrían más probabilidades de permanecer en el medio. Estas esferas más estables fueron siendo cada vez más numerosas y en ellas se formaron por primera vez muchos de los enzimas que aún hoy catalizan procesos biológicos fundamentales para la vida.

Algunas teorías apuntan a que el sistema de replicación (ARN, ADN) pudo también formarse de la misma forma. Otras en cambio prefieren apuntar a que las moléculas replicantes se formaron en el propio medio, de forma autónoma, a base de combinaciones y recombinaciones de la materia orgánica presente en el caldo prebiótico. Hay que tener en cuenta que sólo tuvo que formarse una molécula capaz de replicarse... El resto fue un incesante e interminable proceso de replicación y mejora. Hasta que una molécula replicante “infectó” una microesfera capaz de contener procesos metabólicos. Una “infección” que resultó beneficiosa para ambos y que se convirtió con el tiempo en simbiosis y finalmente en una asociación definitiva. La bolita de enzimas proporcionó a la molécula replicante protección frente a un medio ávido de moléculas complejas y, además, una fuente de material para la replicación. La molécula replicante ofreció a la microesfera metabólica algo de extraordinario valor: la capacidad de perpetuarse en el tiempo más allá de la permanencia de ella misma.


* Casualidad, azar, aleatoriedad.
De este sencillo modo nos explica Oparin todo el proceso. Pero esta aparente sencillez se desmonta si la dejamos exclusivamente en manos del azar: monómeros que se forman al azar, reacciones que tienen lugar casualmente, combinaciones que se producen siguiendo pautas aleatorias, cualquier cosa sería posible. Si nos atuviéramos sólo al azar, la casualidad, sería prácticamente imposible que coincidieran todas y cada una de las reacciones necesarias para producir las moléculas precisas, los sistemas reactivos necesarios que conforman la complejidad interior de la más simple de las células. Sería como pretender que al lanzar al suelo el contenido de un sobre de sopa de letras se formaran “por azar” unos versos de Machado. Hay que concluir que no estuvo todo sometido al azar. En química existe una lógica que hace que las combinaciones y asociaciones no sean casuales. Pongamos un ejemplo: ¿cuánto tardaría un chimpancé en escribir El Quijote golpeando al azar las teclas de un ordenador, si sólo cada vez que acertara con una letra del texto pudiera pasar a buscar la siguiente?. En todos y cada uno de los pasos se partiría de cero y las probabilidades de acierto y error en cada avance serían las mismas. La química no funciona así. Para entenderlo podemos pensar en otro ejemplo: ¿cómo adivinaríamos nosotros una frase en un texto?. No actuaríamos como el chimpancé probando con todas las letras del alfabeto en cada paso, sino que tras descubrir que la primera letra es una “E”, probaríamos con una “L”, ya que es probable que la frase se inicie con el artículo “EL”, o si tuviéramos el artículo “GA” propondríamos no sólo una letra, sino directamente las sílabas “TO” o “LLO” para formar las palabras “GATO” o “GALLO”. La química también funciona así: hay una tendencia natural de los elementos y las moléculas a combinarse de una forma concreta y no de otra, en determinadas circunstancias, en un proceso continuo de principio a fin.

Podemos aún ir un poco más allá. Casualidad, probabilidad, azar, aleatoriedad: palabras que necesariamente tienen que estar en nuestra mente cuando pensamos en los inicios de la formación de la vida en la Tierra. Pero ¿qué significa “seguir una pauta aleatoria”?. ¿Quiere decir que puede suceder cualquier cosa?. Detengámonos un momento en este punto. Una pauta aleatoria es aquella que no puede reducirse a una fórmula o algoritmo. Por ejemplo, la secuencia siguiente: 1313131313131313 puede describirse fácilmente con el siguiente algoritmo o “receta”: “repítase 8 veces 13”. En cambio, la secuencia 15241507392 se nos muestra más compleja y tiene, por tanto, un algoritmo más complejo: “multiplíquese el número 123456 por sí mismo y al resultado súmesele el mismo número de partida, es decir: (123456x123456)+123456”. Así pues, a mayor complejidad buscada en la secuencia, más complejo será el correspondiente algoritmo. Si lo que buscamos es una secuencia o código con la mayor de las dificultades, es decir, con el más alto contenido posible de información, debemos recurrir a las secuencias aleatorias, o sea, a aquellas no resumibles en una “receta”. El genoma es la secuencia que define la creación de un ser vivo y la que contiene el paquete de información necesario para ello. ¿Es aleatoria la secuencia que define el código genético de un ser vivo?. Si no lo es, al menos lo parece. Aunque siempre debemos dejar la puerta entreabierta a que pueda existir un algoritmo, una receta detrás de la secuencia del genoma. Un código dentro del código genético cuya receta sería: “hágase un ser vivo”.

Aceptando que el ser vivo está plagado de secuencias aleatorias, no lo está de cualquiera de ellas. Sólo forman parte del genoma, por ejemplo, aquellas secuencias aleatorias capaces de codificar información biológicamente relevante. Es decir, un genoma es a la vez aleatorio y altamente específico, propiedades que en sí mismas parecen contradictorias. ¿Cómo puede una mezcla de azar y ley cooperar para dar lugar a una estructura aleatoria específica?. ¿Podría la “aleatoriedad específica” ser el producto de algún proceso determinista consecuencia de leyes similares a las de la física y la química?. No conocemos ninguna ley en la naturaleza capaz de conseguirlo, lo que no quiere decir que no exista. Pero aún podemos encontrar cierta explicación bebiendo de nuevo en las fuentes de Darwin: el azar, en forma de mutaciones aleatorias, y la ley bajo el paraguas de la selección forman la combinación óptima de aleatoriedad y orden necesarios para crear el “objeto imposible”: el ser vivo.


* Las primeras células.
Tras todo este largo y complejo proceso (pero posible, no lo olvidemos) aparecieron los primeros seres vivos: las células procariotas. Las células procariotas son pequeñas bolsitas con filamentos de ADN, membranas lipídicas con poros formados por proteínas y un citoplasma interior sin orgánulos específicos pero repleto de todas las moléculas esenciales para la vida: enzimas, ARN y ADN. Tuvieron un éxito abrumador, ya que ocuparon todos y cada uno de los hábitats posibles del planeta y permanecieron como únicos representantes de la vida ¡durante 2500 millones de años!. Hace 1400 millones de años aparecieron las células eucariotas, dotadas ya de un núcleo en el que se refugia el ADN y de múltiples orgánulos, cada uno de ellos con misiones específicas (síntesis del material proteico, almacenamiento y producción de energía, evacuación de residuos, etc.). ¡Y hace sólo 600 millones de años que aparecieron los primeros metazoos, o animales formados por un gran número de células diferenciadas!. Un largo proceso de variación en el que las múltiples posibilidades de avance hacia una u otra dirección hacen que si procediéramos al rebobinaje de la película de la vida, con toda seguridad el resultado final no sería el que todos conocemos: la vida seguiría siendo vida, pero bajo formas distintas a las actuales. Es por ello por lo que no cabe esperar que en algún lugar del Universo existan formas de vida iguales a las de la Tierra. Similares quizás, pero iguales prácticamente imposible. La vida sería también posible si nuestros ancestros iniciales hubieran seleccionado aminoácidos distintos para la formación de las proteínas biológicas y no cabe pensar que el único sistema replicador posible sea el que está presente en nuestras células. Hay tantas posibilidades distintas que hay que imaginar un Universo plagado de vida bajo infinitas formas y sistemas imposibles de adivinar.


* ¿Es la vida un fin programado?
Algunos autores, aún dando crédito al proceso descrito por Oparin o a procesos similares presentes en nuevas teorías, apuntan a la posibilidad de que la vida quizás no haya “empezado” nunca. ¿Podríamos pensar que la vida estuviera presente en el Universo desde el principio del mismo, viajando de un lugar a otro en sus formas más simples y elementales, ella misma o sus componentes fundamentales, junto a meteoritos, cometas, etc.?. ¿Pudo la vida desarrollarse de alguna forma similar a la descrita en algún lugar inimaginable del Universo al principio del principio, inmediatamente después del big-bang?. No tuvo más que suceder en un lugar y, a partir de él, distribuirse por todo el Universo. Se han encontrado rastros de aminoácidos y proteínas en fragmentos de meteoritos caídos sobre la Tierra. No es aún suficiente prueba para sostener esta teoría, llamada de la Panspermia, pero sí para hacernos reflexionar al respecto.

Y, por último, como última reflexión, si la vida es un hecho posible y, por tanto, común en el Universo, tan común como lo es en nuestro planeta (¡hay vida por todas partes!), ¿podrían existir unas aún desconocidas leyes o normas que empujen a la materia inorgánica hacia la vida?. ¿Es la vida un estado alternativo de la materia?. O más aún, ¿hay propiedades inherentes a los átomos y las moléculas que los dirigen hacia la vida?. El hecho es que la vida, cuando surge como es el caso de nuestro planeta, tiene una irrefrenable tendencia a formarse, extenderse y permanecer en cualquier medio. ¿Es el fin último del Universo ordenar la materia en forma de vida para dar lugar a seres capaces de pensar en ello?. Tengo la impresión de que en los próximos decenios las investigaciones respecto a todo ésto darán mucho que hablar.

Josep Crusellas
(2003)
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BIBLIOGRAFÍA
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