Life is life, naná nanana


Parece ser que la vida es un hecho en nuestro universo.  Y como seres, vivos, curiosos tenemos tendencia a preguntarnos, ¿cómo se originó la vida?

Dejando de lado las respuestas triviales, o la monorespuesta trivial, es todo un desafío científico responder a esta pregunta y a lo largo de los años la ciencia ha intentado entender el origen de la vida.  Por el momento, la cuestión no ha llegado a una solución satisfactoria, pero estamos cada vez más cerca de entender cómo surge la vida.

Es evidente que el problema del origen de la vida no se puede atacar desde un solo frente.  La vida es una cosa compleja, muy compleja, y en ella se conjugan razonamientos biológicos y químicos.  Pero también hay hueco para la física y las matemáticas.

En esta entrada lo que pretendo es dar una lista de modelos matemáticos y físicos que juegan un papel preponderante en el estudio del origen de la vida.  La lista no será completa, estos son simplemente los modelos que yo conozco o que yo he entendido en algún momento de mi vida. Espero que con las referencias dadas todos los que estéis interesados podáis profundizar en el estudio de este apasionante tema.

Al fin y al cabo, life is life.

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La utilidad de la física y las matemáticas en el problema del origen de la vida

Es más que evidente que el problema sobre el origen de la vida es un problema biológico y químico.  Pero también es evidente que es un problema complejo.

tsp_tee_math-ruleAnte los problemas complejos la ciencia tiende a reducirlos hasta sus ingredientes esenciales básicos para comprobar cuales son los mínimos requisitos para reproducir un fenómeno.  Este trabajo de idealización y de abstracción nos permite enfocar nuestros intereses a aspectos concretos del problema bajo estudio y nos permite diseñar mejores estrategias para afrontar el problema real.

La utilidad de los modelos matemáticos estriba en que son modificables, son simples y son eficientes.  Es lógico aceptar que no contemplan toda la generalidad del problema pero tenemos que asumir que su utilidad estriba justamente en eso.  Nos enseñan a pensar de manera concreta acerca de los aspectos cualitativos y cuantitativos del problema original.

Ni que decir tiene que los modelos matemáticos sobre el origen de la vida solo son una herramienta más que en ningún modo pueden eliminar la necesidad de afrontar un estudio experimental en términos biológicos y químicos.

Pero dado que este tema me ha apasionado desde siempre me apetece mucho dar una lista de modelos y de referencias para que si alguno de vosotros tiene la misma curiosidad sepa por dónde empezaría yo.

Habrás notado que sobre la física no he dicho nada porque poco hay que decir.  Todo lo que habita este universo está sujeto a las leyes de la física, seres vivos incluidos, así que para tener éxito en el estudio del origen de la vida la física tiene que jugar un papel del mismo rango que la química y la biología.

¿Qué es vida?

No tengo ni idea.  Hay mil definiciones de vida, cada una de ellas captura un aspecto y deja otros fuera.  No hay una definición que satisfaga a todo el mundo.  Tal vez no la necesitemos.

Lo que para mí está claro es que la vida siempre tiene unas características básicas comunes.  Tengan ustedes en cuenta que soy físico y por lo tanto tiendo a la sobresimplificación.

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Imagen tomada de la cuenta de Twitter del CSIC: https://twitter.com/CSIC/status/522388541100527616/photo/1

Las características que podemos encontrar en todo ser vivo son las siguientes:

  1. Son entes aislados.  Están compartimentados y son distinguibles del medio en el que se desarrollan.  Los seres vivos evolucionan, crecen y se autoorganizan por sí mismos.
  2. Disponen de redes de reacciones químicas muy complejas que conforman su metabolismo.  El metabolismo es la capacidad de transformar energía del medio en energía útil y estructuras en el ser vivo.
  3. Disponen de un conjunto de moléculas que codifican la información necesaria para la construcción de todas las reacciones metabólicas y la de transmitir su información a su descendencia.  Son sistemas que se autorreplican.

El problema del origen de la vida, que tiene miles de aspectos y millones de aristas, se puede resumir en dos grandes tendencias:

  1.   Primero se dieron las condiciones para crear las redes químicas complejas para generar el metabolismo y luego se encontró la forma de codificar y transmitir la información para construir dicho metabolismo.
  2. Primero se dieron las condiciones para tener moléculas que se autorreplican, moléculas genéticas, y estas mismas crearon un minimetabolismo que se fue haciendo cada vez más complejo.

Es decir:

1.-   Metabolismo primero

2.-   Genética primero

El origen de la vida desde el punto de vista químico

Por supuesto que para que aparezcan tanto el metabolismo como la genética previamente el medio tiene que ser capaz de producir de forma natural y espontánea moléculas complejas que puedan jugar un papel biológico.

En un ser vivo tenemos unos bloques básicos:

  1. Glúcidos  —-  Para acumular energía y establecer estructuras.
  2. Lípidos  —- Para acumular energía y establecer estructuras (por ejemplo membranas celulares)
  3. Aminoácidos   — Para generar proteínas que jugaran un papel en la aceleración y facilitación de las reacciones metabólicas (catálisis enzimática) y para la conformación de estructuras y moléculas mensajeras.
  4. Ácidos Nucléicos   — Para codificar la información genética del ser vivo.

La química tiene que responder a la pregunta de cómo se consiguieron estas moléculas a partir de las condiciones iniciales de la Tierra u otro planeta (el problema del origen de la vida no está confinado en nuestro planeta).

Si quieres ver un buen resumen, con muchas referencias, del paso de material químico simple a la síntesis espontánea de moléculas biológicamente útiles y de la aparición de redes químicas complejas te recomiendo el siguiente artículo:

Prebiotic Systems Chemistry: New Perspectives for the Origins of Life –  Fabuloso trabajo de revisión sobre el tema de la química prebiótica. Por Kepa Ruiz-Mirazo, Carlos Briones y Andrés de la Escosura (2014).

La química artificial, una buena herramienta

La química artificial es una rama que combina ideas químicas con reglas matemáticas.  Generalmente se parte de un conjunto de elementos denominados moléculas y un conjunto de elementos denominados reacciones.

El conjunto de moléculas son los que pueden reaccionar y los que pueden resultar como resultado de las reacciones.  Las reacciones nos dicen como combinar moléculas para obtener otras.

Las reglas pueden ser más o menos complicadas y podemos construir diferentes químicas y estudiar cuales de ellas pueden generar sistemas aislados que se reproduzcan o sistemas que pueden generar redes de reacciones complejas que emulen un metabolismo.

Es muy interesante el trabajo de Tim J. Hutton que es el caso más simple, y el único conocido, que da lugar a estructuras que se replican a sí mismas:

Para más detalles sobre este trabajo:  Desenmascarando la química artificial.

Si quieres ver toda la potencia y diversidad de químicas artificiales te recomiendo este trabajo de revisión en el que encontrarás muchos detalles:

Artificial Chemistries:  A review  (2011)

Con estas químicas artificiales podemos aprender como nuestra química real puede dar lugar a estructuras independientes que se autorreproducen.  No está mal para un modelo matemático.

Diferenciándose del medio

Parece evidente que las primeras biomoléculas se desarrollaron sobre superficies, bien metálicas, bien arcillosas, bien la superficie oceánica.  Lo que está claro es que estas biomoléculas se pueden crear en superficies. Vale, ya tenemos biomoléculas, pero… ¿cómo pueden aparecer estructuras individuales diferenciadas del medio en el que se han originado? ¿Es posible esto en un medio sometido a variaciones de energía, temperatura, presión, etc?

En un mundo donde impera el caos, es difícil aceptar que la probabilidad de que se forme una estructura estable y automantenida sea algo más alta que despreciable.  Pero, oh sorpresa, es justamente a causa del caos y de que los seres vivos están sometidos a flujos de energía, temperatura y entropía que se puede entender la aparición de estructuras que se mantienen en el espacio y el tiempo.

La idea teórica la propuso Ilya Prigogine y la denomino estructuras disipativas.  Su trabajo consistió en dar lugar a un esquema teórico-matemático en el que se prueba que bajo condiciones muy generales, caóticas y termodinámicamente alejadas del equilibrio, aparecen estructuras que pueden diferenciarse del medio.  Por este trabajo Prigogine recibió el premio Nobel de Química en 1977.

El ejemplo más simple de estructura disipativa la podemos encontrar en las reacciones químicas oscilantes.  Estas reacciones químicas simples con moléculas simples, dadas unas condiciones específicas, pueden establecer un ciclo de reacciones de reactivos a productos y viceversa.  Esto no puede parecer muy espectacular, es lo que pasa en cualquier reacción reversible, pero en las reacciones oscilantes pasa esto:

Hay que remarcar que una reacción oscilante tiene la siguiente estructura:

Reactivos iniciales —–>    Reacciones Intermedias  ——-> Productos finales

La concentración de reactivos iniciales decrece con el tiempo y la de productos finales aumenta con el tiempo.  Son las reacciones intermedias las que generan el carácter oscilante de dichas reacciones.

Las reacciones oscilantes son interesantes porque:

a)  Son reacciones en las que los mecanismo intermedios están fuera del equilibrio.

b)  Se generan patrones espaciales y temporales, lo que es un primer paso para definir estructuras estables que se mantengan en el espacio y el tiempo.

Los trabajos sobre los requerimientos mínimos para tener este tipo de reacciones están basados en modelos físico-matemáticos.  Una referencia muy ilustrativa es la siguiente:

Brusselator as a reaction-diffusion system

El fundamento físico matemático de las estructuras disipativas se puede encontrar en el discurso del Nobel de Ilya Prigogine:

Time, structure, and fluctuations

Lo que hemos aprendido de estos trabajos relativo al origen de la vida es que para generar orden e individuos que se distinguen del medio en el que viven  solo tienen que tener unas condiciones genéricas.  Estas condiciones son que haya flujos de energía y entropía, es decir, que no haya equilibrio termodinámico y que la dinámica de los constituyentes sea tan rica como para permitir fenómenos caóticos.  Como dijo alguien — Al orden solo se llega a través del caos –.   Es un proceso espontáneo que no necesita de la participación de nadie.

La Quasiespecies

Este es un modelo matemático especialmente interesante bajo mi punto de vista.  Se fundamenta en describir como actúa la evolución en el seno de un conjunto de moléculas o individuos autorreplicantes.

Si aceptamos que en algún paso del origen de la vida llegamos a tener sistemas autorreplicantes tenemos que entender como se llegó a estabilizar el sistema de transmisión de la información genética.  Dicha información está sometida a mutaciones que la modifican.  De hecho, nuestras células consumen gran parte de sus recursos en mantener estable su contenido genético y hay toda una enorme maquinaria de identificación y corrección de errores en nuestra información genética.  Pero en el inicio esta maquinaria no existía y no pudo estar codificada en la información genética de las moléculas autorreplicantes. La tasas de mutación serían altas y podríamos pensar que desastrosas.  Pues bien, los modelos de quasiespecies nos ayudan a entender cómo se estabiliza la información genética en un ambiente potencialmente letal para la misma a causa de la gran presión de mutaciones.

Lo interesante de este modelo es que presenta como ingredientes los siguientes elementos:

  1. Un conjunto de moléculas o individuos que se replican.
  2. Una tasa de mutaciones.
  3. La forma en la que las mutaciones pueden generar individuos viables pero diferentes de los progenitores y de como en sucesivas generaciones se puede llegar a la información genética de los individuos originales por medio de dichas mutaciones.

Lo que aprendemos de este modelo no es desdeñable.  Hemos aprendido que aunque el sistema de autorreplicación genere muchos individuos inviables también genera individuos viables aunque diferentes genéticamente de sus progenitores.  Esto hace que tengamos mayor confianza en un modelo de origen de la vida en el que los individuos pueden evolucionar y ser viables aunque estén sometidos a una alta tasa de mutación.

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Este campo tiene muchas aplicaciones, especialmente en virología dado que los virus son elementos muy simples compuestos básicamente por material genético.  Estos modelos ayudan a entender cómo evolucionan virus como el de la Hepatitis o el HIV.

Un trabajo con muchas referencias y muy interesante para introducirse en este tema es:

Dynamics, evolution and information in nonlinear dynamical systems of replicators  de Josep Sardanyés, tesis de master dirigida por Ricard V. Solé.

El metabolismo primero, que se lo digan a Dyson

Como hemos dicho, hay líneas que se basan en que lo primero que  fueron las cadenas de reacciones que dan lugar a un metabolismo.  Esta visión e la que tienen las teorías de Oparin (que expuso su teoría antes de conocerse la estructura y utilidad del ADN)  o la teoría de Wächtershäuser.

Santen1El señor Wächtershäuser expuso que la fuente del átomo de carbono, esencial para la formación de moléculas orgánicas complejas, era el CO2 de la atmósfera primitiva.  El problema viene de que hay que quitarle los dos oxígenos al CO2 para que sea posible emplearlo en crear moléculas orgánicas.  El método de hacer esto es suponer que esa tarea se llevaba a cabo por compuestos de hierro (con gran tendencia a captar oxígemos) presentes en las superficies de las piritas.  Además, la superficie de la pirita sirve como sustrato en el que las moléculas formadas permanecen ancladas y es más fácil producir un metabolismo primitivo que en un medio donde las moléculas se pueden difundir libremente, como en el océano.  Esta sin duda es una gran idea que está siendo puesta a prueba en el laboratorio.

Sin embargo, nunca está de más tener un modelo matemático que establezca las condiciones mínimas para que este metabolismo tenga estabilidad y posibilidad de evolucionar.  Aquí os dejo con tres modelos:

  1. El primero es el modelo que expuso el físico teórico Freeman Dyson en 1982 y que podéis encontrar en su delicioso libro:  Los orígenes de la vida.
  2. El segundo es un modelo basado en hyperciclos, que son redes de reacciones que se autoayudan (autocatalíticas) en un contexto bidimensional, siguiendo la imagen de la teoría de Wächtershäuser;
  3. El tercero es una discusión de los beneficios teóricos que tienen los modelos bidimensionales (pizzas) contra los basados en moléculas en un medio fluido de tres dimensiones (sopa primigenia):  SPATIAL MODELS OF PREBIOTIC EVOLUTION: SOUP BEFORE PIZZA?

Para acabar

Creo que hay suficiente material con suficientes referencias para entrar de lleno en el tema a todo aquel que esté interesado.  He intentado motivar cada caso y los modelos expuestos aquí se basan en mis gustos personales pero hay muchos más.

Antes de acabar me gustaría dar una última referencia que no sé si aún se sigue editando, espero que sí.  El libro en cuestión es:

Biofísica, procesos de autoorganización en biología de Francisco Montero y Federico Morán, de la Universidad Complutense.

Es de las mejores lecturas que he hecho jamás.  Un libro que te da todas las herramientas para afrontar este tipo de estudios.  Termodinámica de sistemas fuera del equilibrio, sistemas dinámicos, caos, etc.  Con el añadido de que está en castellano y de que ha sido escrito por dos especialistas españoles del tema.  Es una joya que uno tiene que tener, tiene que leer y tiene que estudiar.  Sin duda alguna lo recomiendo fuertemente.

Espero que la entrada haya resultado ilustrativa.

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Nos seguimos leyendo…

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7 Respuestas a “Life is life, naná nanana

  1. josemalopezfernandez

    Muy interesante el artículo. Muchas gracias. No obstante en los 3 puntos de definición de lo que entiende por vida considero que faltaría por introducir dos conceptos constituyentes de los seres vivos y que fácilmente podrían introducirse en las definiciones dadas.
    El concepto de temporalidad, se dice que los seres vivos se reproducen “nacen” pero no se dice que “mueren” y hoy por hoy ese es un constitutivo integral de lo vivo SU TEMPORALIDAD
    Otro concepto que no figura y que me parece esencial sería el de “autoconservación” El ser vivo tiende a mantanerse vivo aunque al final no lo consigue, pero es algo básico para entender su conducta. La “huida del peligro”

  2. Antonio (AKA "Un físico")

    El artículo citado en esta entrada: “Prebiotic systems chemistry” compila los esfuerzos en el estudio del origen de la vida. Y, de entre todos ellos, querría destacar el trabajo de Wächtershäuser y su mundo de hierro azufre (es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_del_mundo_de_hierro-azufre). Puesto que esta línea de investigación parece que se va consolidando. Contacté hace dos años y medio con una investigadora de allí y me dijo que ellos tenían un enfoque más práctico que matemático.
    Las matemáticas se vienen usando para elucubrar sobre sistemas de replicadores (como en la tesis aquí citada de Sardanyés); o para integrar las aproximaciones Template-Boundary-Metabolism (según lo que he hablado con investigadores). Sin embargo yo intuyo que para obtener resultados óptimos, necesitaríamos menos matemáticas y más química normal/práctica.

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  5. Buenas tardes,

    Lo primero daros la enhorabuena por el maravilloso trabajo que hacéis. Para los que lo tenemos todo por aprender es un privilegio poder leeros.

    Os escribo por que me interesaría mucho leer el libro de los Prof. Montero y Morán que recomiendas pero aparece como descatalogado. ¿Sabríais de alguna vía alternativa para conseguirlo?

    Un saludo,

    Alberto

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