Señoras y señores, con todos nosotros: La Vida


La ciencia, y por ciencia queremos decir el ser humano, se enfrenta a muchas preguntas que aún no hemos podido responder. Personalmente, por encima del origen del universo, de las sorpresas cuánticas, de la unificación de los campos y sus interacciones; por encima de todo eso, siempre me ha fascinado el origen de la vida.

La vida es algo de lo que tenemos constancia directa, identificamos si un sistema está vivo o si no lo está. Sin embargo, aún no tenemos una definición totalmente satisfactoria del concepto ‘vida’. Bien es cierto que hay una frontera difusa entre lo vivo y lo no vivo, uno siempre puede recurrir a los virus para forzar la conversación, pero a partir de cierto nivel la distinción entre sistemas vivos y sistemas inertes es más que evidente.  Y la pregunta es: ¿cómo se originó la vida? ¿qué condiciones dieron lugar a la misma?

Yo siempre me he sentido perdido en la literatura que trata el tema, generalmente me pierdo entre los distintos modelos, los experimentos, las propuestas, etc.  Lo que se intentará en esta entrada es mostrar las características de los principales modelos que intentan explicar el origen de la vida. No hablaremos de modelos concretos o de experimentos, simplemente distinguiremos entre las dos corrientes principales a la hora de afrontar la pregunta sobre el origen de la vida.  Todos los modelos actuales se pueden enmarcar en una de estas dos categorías con sus respectivas particularidades y características.

¿Estás vivo?

Dejando de lado el, también, maravilloso problema de la clasificación de virus a un lado u otro de la frontera de lo vivo, podemos aceptar que cuando un sistema está vivo presenta varias características muy claras:

  • Está aislado del exterior. Pero actúa como un sistema abierto, es decir, puede intercambiar materia, energía e información con el entorno. De hecho, es un sistema que puede invertir los flujos naturales de estas magnitudes.
  • Tiene un complejo sistema químico que transforma unas sustancias en otras y que las emplea para preservar su conformación y su complejidad. A esta red de reacciones bioquímicas se le conoce como metabolismo.

Un mapa metabólico es una intrincada red de reacciones acopladas. Con este sistema un sistema vivo obtiene energía aprovechable y los bloques que conforman su estructura.

  • Además poseen una maquinaria, también química, que es capaz de acumular información, se puede replicar de manera fiel, aunque sujeta a cambios y errores. Esta maquinaria involucra a los ácidos nucleicos que son el soporte físico de la información genética. Esta información codifica las proteínas y enzimas que controlan los procesos metabólicos y estructurales.

Los ácidos nucleicos condensan la información que se propaga de generación en generación. Son los responsables de codificar la información necesaria para el mantenimiento de la estructura y el metabolismo del organismo.

Estas dos maquinarias están acopladas en los seres vivos que una no se da sin la otra.  El grado de complejidad, las interrelaciones, las retroalimentaciones y la eficiencia de ambas son una magnífica sorpresa. Sentir cierto vértigo intelectual cuando uno se enfrenta a la realidad de esta maravillosa maquinaria de lo vivo es, cuanto menos, inevitable.

¿Qué fue primero?

Las dos corrientes principales, en mi opinión, acerca del origen de la vida se pueden clasificar en:

  • Primero fue el metabolismo.
  • Primero fue la replicación genética.

Estas son, según lo entiendo yo, las dos grandes propuestas para el origen de la vida. Por supuesto, hay una tercera vía, que la vida tuviera un origen doble debido a la combinación de ambas opciones.  Ahora, pasaremos a describir someramente los puntos esenciales de estas posibilidades y luego daremos una breve lista de cómo se enmarcan los distintos modelos.

Ni que decir tiene que no soy un experto en este campo, el tema siempre me ha interesado así que cualquier aclaración o comentario a los posibles malentendidos que tenga en mi cabeza serán bienvenidos.

Primero, metabolismo

En esta opción para plantear modelos sobre el origen de la vida se considera que el metabolismo es fundamental para el funcionamiento de un ser vivo. Fenómenos tales como el transporte de moléculas, modificación de las mismas y construcción de nuevas moléculas cada vez más complejas, toman el papel preponderante en el paso de lo inerte a lo vivo.

Los elementos esenciales en esta categoría son los siguientes:

  • El medio es rico en compuestos que pueden ser utilizados para generar moléculas con interés biológico. Es lo que Haldane y Miller definieron como la sopa primordial.

  • Algunos de estos compuestos presentan diferentes polaridades en distintas zonas de los mismos. Esto hace que haya zonas hidrofílicas y otras zonas hidrofóbicas. Este hecho hace posible imaginar que se formaran bolsas en las que se encerrara material rico en compuestos prebióticos.  Oparin llamó a estas bolsas, los coacervados. Y Dyson los llama “bolsas de basura“.

Imagen al microscopio de los coacervados. (Tomada de la Wikipedia)

  • Dentro de estas bolsas de basura se pueden generar espontáneamente procesos de catálisis. Es decir, que estadísticamente podría darse el caso de que unas moléculas consiguieran un grado de especialización que ayudara a la construcción de otras moléculas.
  • Si este mecanismo se estabiliza, y el coacervado, liposoma y bolsa de basura, va absorbiendo material del exterior (rico en moléculas prebióticas), crecerá a la vez que aumenta su cantidad de materia procesada.
  • Llegado a cierto tamaño estos objetos serán vulnerables a modificaciones del medio y tenderán a dividirse para conservar la estabilidad.

Aquí debería de operar la selección natural a un nivel muy profundo. ¿Por qué?

  1. Aquí tenemos un mecanismo de generación de un metabolismo que actúa estadísticamente, sus resultados no serán muy fiables en el sentido de que no habrá control sobre el resultado de las reacciones catalíticas.
  2. Además proporciona un mecanismo de reproducción muy poco eficiente porque en ningún momento se asegura que la división de uno de estos objetos asegure que los descendientes puedan operar de la misma forma que el sistema original.

Así pues, esperando el tiempo suficiente, la selección natural privilegiará a los procesos que más efectivos y eficientes sean. Esto llevará a una mayor especialización en la catálisis y una mayor estructura y complejidad en el sistema.  Se supone, que teniendo la suficiente paciencia, algunos de estos sistemas descubrirá los ácidos nucleicos y aprenderá a incorporarlos en su red metabólica como contenedores de información.

Primero, replicación

La otra opción es que lo primero que se tuvo fueran moléculas más o menos complejas que tuvieran la capacidad de replicarse. Un gran paso fue el descubrimiento de que el ARN (un tipo de ácido nucléico) cumplía con dos requisitos, se podía replicar de manera más o menos fiel (una misma molécula actuaría como catalizadora y molde de una copia de ella misma) y además podría codificar información para generar una proteína.

En este conjunto de modelos se habla de dos conceptos muy interesantes, las quasiespecies y los hiperciclos.

Quasiespecies 

La situación es la siguiente:

  1. En el medio tenemos los elementos necesarios (monómeros) para generar polímeros de ARN.
  2. Cada molécula de ARN sirve de molde para que se genere una copia de ella misma.
  3. El proceso de réplica no es exacto, pero si se generan copias con pequeñas mutaciones de forma que las variaciones estructurales no sean dramáticas las copias se comportarán como una quasiespecie. Ya que las sucesivas copias de cada uno de sus elementos dará lugar a otro elemento de la quasiespecie.
  4. Evidentemente habrá variabilidad en los componentes en las sucesivas copias. Y puede que haya elementos que se copien más fielmente que otros. Así podrán convivir distintas quasiespecies que competiran, en el sentido Darwiniano, por los monómeros presentes en el medio.

Este proceso está fuertemente influenciado por las posibles mutaciones, así que uno espera que haya una crisis y todo se vaya al traste.  Los estudios experimentales nos dicen que para que la crisis no se presente las cadenas de ARN no pueden ser muy grandes, esto parece que es un problema a la hora de definir sistemas catalíticos/enzimáticos complejos.

Hiperciclo

Supongamos que tenemos N quasiespecies de forma que se copian a si mismas dando lugar a elementos de su quasiespecie pero que codifican proteínas que ayudan en el proceso de copiado de otras quasiespecies.

Es decir, tenemos la quasiespecie (de ARN) 1 que codifica la proteína 1. Este proteína 1 ayuda en la copia de la quasiespecie 2, esta genera la proteina 2 que ayuda en la copia de la quasiespecie 3. Y así sucesivamente hasta que la quasiespecie N genera una proteína N que ayuda en la copia de la quasiespecie 1.

Las I representan distintas quasiespecies del ARN. Las E las proteínas que ayudan en la copia de otras quasiespecies. Esta es la representación de un hiperciclo.

El concepto de hiperciclo está atacado por varios frentes:

  • El ARN egoísta: Si uno de las quasiespecies se reproduce más rápidamente y no genera una proteína que ayude a otra quasiespecie, esta quasiespecie egoísta dominará la evolución del ciclo (actúa como parásito) y al final extingue todas las restantes quasiespecies.

En (a) se representa un hiperciclo estable. En (b) la quasiespecie P actúa egoístamente y acabará por extingir el hiperciclo.

  • El cortocircuito: Si uno de los elementos del hiperciclo sufre una mutación de tal forma que genera una proteína que ayuda en la copia de una quasiespecie más alejada de él que la que inicialmente le correspondía en el hiperciclo se llegará a una contacción del mismo. Si este proceso es muy virulento puede llegar a colapsar todo el hiperciclo.
  • La extinción:  Si una de los elementos del hiperciclo reduce su pobalción a cero, el hiperciclo se rompe y desaparece.

No es difícil convencerse que tanto la posibilidad del ARN egoísta como la del cortocircuito aumentan cuantas más quasiespecies tengamos involucradas en el hiperciclo.  Por otro lado, la extinción será tanto más probable cuanto menor sea el hiperciclo.  Así que combinando estas informaciones se puede dar una cota del tamaño de un hiperciclo que asegure su estabilidad.

Primero, metabolismo y replicación

Para escapar de las restricciones del hiperciclo y de las limitaciones de una reproducción estadística como la expuesta en el caso de un metabolismo inicial sin un sistema de codificación de información genética hemos de llegar a la idea de que la vida se originó por una cooperación entre ambos proceso.

Las propuestas más interesants son las que dicen que inicialmente la infomación genética estaba asociada a productos químicos inorgánicos, como trazas metálicas en arcillas.  Estos metales actúan como semillas a las que las moléculas orgánicas se anclan y se polimerizan.  En este proceso podemos entender cómo se replican estas, ya que cuando están ancladas a las arcillas sirven de molde (en el caso de ácidos nucleicos) o su disposición en la arcilla es la que hace de molde. Cuando los polímeros alcanzan cierto tamaño se separan del sustrato liberando los sitios de anclaje y el proceso continúa.

Ejemplo de polimerización y copia de un acido nucléico anclado a arcilla.

Aquí nos enfrentamos con el problema de cómo se crean membranas y se individualizan los sistemas vivos.

Conclusión

El origen de la vida es uno de los grandes problemas científicos de la humanidad. Estamos lejos de tener una imagen previa aceptada y contrastada, aún así es un campo de actividad creciente y está en la frontera de la física, la química, la biología y la matemática.

Por ahora andamos a tientas en este tema, en esta entrada solo hemos pretendido ofrecer un breve esquema para acomodar los distintos modelos sin entrar en muchos nombres, experimentos y escuelas. Pero no os pongáis nerviosos, aquí van unas cuantas referencias:

Origins of life Freeman Dyson.  Libro fácil de leer escrito por Dyson, un gran físico teórico que dedicó parte de su tiempo al problema del origen de la vida.

The origin of life Oparin. Este es un texto clásico donde se presenta la teoría de origen de la vida que preponderó en los primeros tiempos de este campo de estudio. En él se presenta la opción, el metabolismo es lo primero.

Before enzymes and templates: Theory of surface metabolism Wachtershauser. Review sobre la posibilidad de que el origen de la vida esté asociado a una interacción con superficies arcillosas (o de otro tipo).

Approaches to the origin of life on Earth  Kauffman.  Una estupenda revisión de los distintos tipos de acercamientos al problema de la vida por parte de uno de los expertos mundiales en el campo.

Controversies on the origin of life Peret. Este es un artículo que me gusta mucho. En él se presentan las disintas visiones sobre el problema del origen de la vida desde distintas perspectivas.

Nos seguimos leyendo…

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9 Respuestas a “Señoras y señores, con todos nosotros: La Vida

  1. Pingback: Biología | Annotary

  2. Hola, bueno, sólo quería compartir una entrada curiosa sobre la explicación de la vida http://www.biocab.org/Definicion-de-Vida.html

  3. Antonio (AKA "Un físico")

    Señoras y señores, en efecto, el autor de esta entrada tiene muchos malentendidos en su cabeza: (1) aplica la selección natural a un conjunto metabólico, (2) las cuasiespecies, aunque existieran, nunca iban a competir “en el sentido Darwiniano”, (3) rebatir el hiperciclo apelando al ARN egoísta es kafkiano.
    Y ahora, hablando de ciencia, (4) no se ha comprendido eso de asociar la infomación genética a productos químicos inorgánicos.

    • Bueno, creo que la aplicación de la selección natural a la evolución molecular y de cadenas de reacciones tiene una larga historia que no vamos a poder discutir aquí. (http://www.springer.com/life+sciences/evolutionary+%26+developmental+biology/journal/239).

      El concepto de quasiespecie es un concepto muy conocido en biología teórica y ha sido aplicado tanto a conjuntos moleculares como a virus. Basta hacer una búsqueda bibliográfica para notar esto.

      Cualquier estudio sobre la estabilidad de un hiperciclo concluye que la presencia de una molécula egoísta compromete a la misma. Desde los trabajos de Eingen hasta nuestros días.

      Me parece que la behemencia está muy bien, pero las formas convendría cuidarlas un poco.

      • Antonio (AKA "Un físico")

        C.C., aplicar la selección natural a la evolución molecular no te va a dar ningún conocimiento científico sobre cómo se originó la vida. Esta discusión la he tenido con un catedrático de barcelona y la conclusión a la que él llegó (“pero si no hay replicación, no hay vída”) fue pura tautología. Tampoco vale la pena darle vueltas a los puntos (2) y (3): tal vez sirvan para algo en biología, pero no te llevarán a descubrir nada del origen de la vida.
        Sobre el (4), está claro que no has comprendido eso de asociar la infomación genética a productos químicos inorgánicos. Cuando lo consigas, tal vez llegues a alguna conclusión científica sobre el origen de la vida.
        Por otro lado, no me descalifiques. Me llamas vehemente (que significa irracional-impulsivo) cuando en realidad eres tú el que no sabes y, lo peor, es que sin saber intentas explicar.

  4. Enrique, esto ya es un despiporre. Que hagas entradas brillantes de física, pase, pero que hagas entradas brillantes de cualquier tema científico ya es demasiado… ;-P
    En serio, fantástica, como siempre. Es un verdadero placer leerte.
    Un besote!

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