¿Cómo comenzó la vida? Parte 1: Abordando el problema

Pasó mucho tiempo para que los europeos comenzasen a pensar sobre el origen de la vida en términos naturalísticos. Antes del desarrollo de la bioquímica moderna, no era siquiera posible definir lo que era la vida, mucho menos buscar su origen. Más aún el estrangulamiento intelectual resultante del triunfo del cristianismo en el mundo occidental duró bastante después del período conocido como el “Iluminismo” que floreció en el siglo XVIII. El pensamiento mágico que permeaba las sociedades cristianas hizo imposible, aún para los grandes científicos, contemplar el origen de la vida en términos puramente materialistas.

Una de las grandes ironías de la historia de la ciencia es que un gran avance en el entendimiento científico causó un retroceso importante en la búsqueda del orígen de la vida. En la década de 1860 cuando el coloso de la ciencia francesa, Luis Pasteur refutó la hipótesis de la generación espontánea - la idea que la vida puede provenir de la materia inerte (por ejemplo las larvas a partir de la carne en descomposición, o las bacterias a partir de un caldo de carne), él efectivamente rehusó a la noción que sería científicamente respetable sustentar que la vida podía haberse originado espontáneamente en el pasado remoto. Pasteur, a pesar de sus magníficos descubrimientos en lo que hoy se denomina enzimología, permaneció como católico romano durante toda su vida. De hecho, se dice que Pasteur murió con un crucifijo en una mano y tomado de su esposa con la otra. A pesar de sus estudios pioneros en los fundamentos puramente químicos de las células vivas, parece que él nunca desistió completamente de las creencias vitalistas que proliferaban tan fácilmente en la época religiosa en la que vivió - ahora se sabe que él, en particular, admitia la posibilidad que la vida podía surgir espontáneamente como resultado de una “fuerza asimétrica” actuando en la materia orgánica e inorgánica.

Los vitalistas, debe recordarse, creían que los seres vivos no podían explicarse completamente en términos de materia y energía comunes. Traducido a un lenguaje más moderno la visión inherente del pasaje del Génesis citado arriba, los vitalistas creían que los seres vivos diferían de las cosas inertes debido a la posesión de un elán vital -una fuerza vital. Lo que debería haber sido un golpe fatal para esa idea realmente surgió en 1828 cuando el químico alemán Friedrich Wöhler sintetizó el compuesto orgánico urea a partir de cianuro de amonio, una sustancia inorgánica. (Los compuestos orgánicos fueron llamados así porque solo se encontraban en los organismos). Cuando Wöhler que no eran necesarios riñones vivos para producir esta humilde sustancia, disipó mucha de la mística que había envuelto la química de la vida. En la época de los experimentos elegantes de Pasteur, con los que refutó la idea de la generación espontánea (ver Figura 1), se habían sintetizado diferentes sustancias “orgánicas”en los laboratorios. Una visión mecanicista de la vida estaba avanzando con firmeza, pero la autoridad de Pasteur la congeló: Tan solo en los años 1920 es que una visión completamente mecanicista y materialista de los sistemas vivos puede surgir y volver su atención hacía el problema de cómo surgió la vida en la Tierra primordial.

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Figura 1. El experimento de Pasteur con el frasco de cuello de cisne. Pasteur colocó caldo en un frasco que fue esterilizado por ebullición. El cuello del frasco se modeló en forma de “cuello de cisne” para permitir que el aire entrase en la cámara del caldo pero que sirviese como trampa para las bacterias suspendidas en el aire. Para impedir que las bacterias fuesen succionadas hacía dentro del frasco con el flujo de aire cuando el caldo hervido se enfriase, el aire que entraba fue esterilizado por una lámina de platino al rojo vivo temporalmente conectada a la boca del frasco. Cuando el cuello del frasco no fue quebrado el caldo permaneció claro y libre de bacterias, mientras que si el cuello se quebraba el caldo se volvía turbio y lleno de bacterias. Esto probaba que las bacterias tenían que haber venido con el aire y no habían sido creadas espontáneamente por el mismo caldo.

No sorprende que los primeros esfuerzos substanciales par estudiar el origen de la vida desde un punto de vista natural viniesen de la Unión Soviética, donde los puntos de vista completamente ateos estaban libres para florecer, y de Inglaterra - donde la tradición Darwiniana siempre creciente habían vuelto a la Iglesia Anglicana tan impotente como la Monarquía. El teórico ruso fue un hombre llamado Alexander I. Oparín, y el pensador británico era el pensador ateo multifacético J. B. S. Haldane.

Fue en 1924 que Oparín divulgó sistemáticamente sus ideas de cómo la vida podía haberse originado, con la publicación de n pequeño libro titulado “El Origen de la Vida” [1]. Este fue ampliado a un tratado mayor, “El origen de la vida en la Tierra” [2] que sufrió revisiones progresivas a lo largo de la vida del autor (la tercera edición fue publicada en 1957). La primera publicación de Haldane sobre el asunto (en el que presenta la idea de la “sopa caliente y diluida”, a la cual ahora llamamos “sopa primordial” ), hasta donde puedo determinar apareció en 1928, en un ensayo publicado en Rationalist Annual. [3]

Una vez que el tabú contra la investigación científica del origen de la vida se quebró, científicos de todo el mundo fueron tras el asunto, y los últimos 50 años atestiguan un crecimiento explosivo de informaciones e ideas relacionadas con el problema de la biopoyesis (la formación de sistemas vivos). Hoy, la Sociedad Internacional para el Estudio del Origen de la Vida publica un buen periódico Orígenes de la vida y evolución de la biosfera “Origins of Life and Evolution of The Biosphere”, que está enteramente dedicado al asunto de la biopoyesis. A la vez debemos admitir que no tenemos aún una teoría abarcante que explique la biopoyesis con un grado de confiabilidad y amplitud - como la del origen de las especies, o aún la del origen de los sistemas estelares y planetarios - pero nos estamos acercando rápidamente a tal teoría a una velocidad animadoramente rápida. No pasa una semana sin algún nuevo relato de descubrimientos relevantes para el problema de la biopoyesis.

Fue, sin embargo, el propio Charles Darwin quien resolvió el problema que surgió con el experimento de Pasteur. En una carta citada en el inicio de este artículo, él explicó porque la demostración de Pasteur de que la vida no surge espontáneamente hoy no prueba la noción de que la vida no podía haberse originado espontáneamente en los primeros días de la Tierra.

Con frecuencia se dice que todas las condiciones para la primera producción de un organismo vivo están presentes, que podrían haber estado siempre presentes. Pero (y oh! que grande sería), si pudiésemos concebir en algún laguito cálido con todo tipo de amoníaco, sales fosfóricas, luz, calor y electricidad, etc., presentes que se formará químicamente pronto un complejo de proteínas para sufrir cambios aún más complejos, en la época actual tal material podría ser instantáneamente devorado o absorbido, lo que no era el caso antes que las criaturas vivas se formasen. [4]

Resumiendo, es la presencia de la vida ya desarrollada lo que impide la emergencia de nueva vida en la Tierra. Darwin puede también notar que el frasco de Pasteur era además pequeño para permitir los trillones de diferentes interacciones químicas que deben ser necesarias, y que la vida de Pasteur era además corta para juzgar procesos que deben haber exigido millones de años para que fueran concluidos. Los científicos que intenten construir modelos teóricos de procesos que se han extendido por enormes volúmenes de espacio y vastos períodos de tiempo tienen que encontrar modos de escalar tanto el tiempo como el espacio. Fue apenas en los años recientes que comenzamos a descubrir como proyectar experimentos en los cuales escalonábamos el tiempo y el espacio.

Aunque Oparín consagró una considerable atención al problema que Pasteur a los estudios del origen de la vida, Haldane no se impresionaba con la autoridad francesa. En su ensayo de 1928 “El origen de la Vida” él descartó los experimentos de Pasteur en un párrafo:

“Es difícil afirmar que cualquier lapso de tiempo disminuirá la gloria de las realizaciones positivas de Pasteur. Él, curiosamente, publicó pocos resultados experimentales. Un cínico sugirió que toda su obra no recibiría un doctorado de filosofía hoy en día! Pero cada experimento era definitivo. No he sabido nunca de alguien que haya tenido que repetir cualquiera de los experimentos de Pasteur con resultados diferentes de los del maestro. Aunque sus deducciones a partir de sus experimentos fueron algunas veces precipitadas. No es, tal vez, totalmente irrelevante que él haya tenido que trabajar, en sus últimos años, con la mitad del cerebro. Su hemisferio cerebral derecho fue severamente dañado por la ruptura de una arteria cuando apenas tenía 45 años, y los cerebros de los microbiólogos que le sucedieron mal compensaran ese accidente. Aún así durante su vida algunas de las conclusiones que dedujo de su trabajo experimental fueron desaprobadas. Él había dicho que la fermentación alcohólica era imposible sin la vida. Buchner la obtuvo con un extracto de lúpulo y libre de células. Y desde su muerte la brecha entre la vida y la materia no viva se ha disminuido grandemente.” [5]

Antes de examinar los escritos de Oparín, Haldane, o de los investigadores subsiguientes que se apoderaron del problema de la biopoyesis, es necesario considerar primero lo que queremos explicar puntualmente. ¿Qué es exactamente la vida? Ignorando por un momento la cuestión de si los virus deben considerarse seres vivos podemos notar que todas las formas universalmente consideradas como vivas comparten ciertas características básicas. Por ejemplo, los seres vivos son celulares en su estructura y están conformadas por lo menos por una célula - un objeto gelatinoso rodeado por una membrana estructuralmente dinámica compuesta de lípidos (sustancias grasas) y proteínas. Todos los seres vivos son capaces de reproducirse - por lo menos al nivel celular (las hormigas obreras y las monjas católicas, no tienden a reproducirse a nivel orgánico) Todos los seres vivos son capaces de cambios evolutivos, es decir, producir descendencia de diferente que difieren entre ellas en un cierto grado. Los seres vivos interactúan con su ambiente (eliminando desechos e ingiriendo materiales brutos necesarios para producir energía), sustituyen partes dañadas, y crecen. La energía producida puede ser mecánica (usada para el movimiento) o química (usada para sintetizar los componentes de la célula) La energía luminosa también puede ser absorbida y usada por algunas células, y ciertos tipos de células pueden aún producir luz - aunque la producción de luz no se considera un proceso fundamental para los sistemas vivos en general.

A parte de las características citadas - las cuales se pueden encontrar en un libro didáctico de segundo grado desde 1920 - podemos notar que todas las formas de vida modernas pueden ser vistas como sistemas conteniendo información, en los cuales ésta (específicamente las instrucciones de cómo construir un organismo vivo de acuerdo con ciertas especificaciones) está almacenada en unas moléculas gigantes y autorreplicantes (los genes), que son mantenidos por un ciclo regular de cambios químicos involucrando diferentes tipos subordinados de moléculas. El ciclo químico que llamamos vida se muestra en la Figura 2. Los lectores notarán que la molécula que es la piedra fundamental en el ciclo químico de la vida es el ADN (ácido desoxirribonucleico) - la materia de la que los genes están hechos. Dados los materiales brutos apropiados (moléculas de tamaño medio llamadas desoxirribonucleótidos), las moléculas de ADN son capaces de reproducirse. Entre tanto, para producir los materiales brutos es necesario un cierto número de reacciones químicas.

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Figura 2. el ciclo químico que define la vida hoy. Las flechas deben leerse “provocan un cambio o la ocurrencia de” en lugar de “se transforma en”, como sería el caso de las ecuaciones químicas comunes. Así también, si se da una supresión de desoxirribonucleótidos, el ADN es capaz de reproducirse, si están presentes ribonucleótidos puede hacer que forme ARN. El ARN a su vez puede provocar la formación de proteínas. Las proteínas enzimáticas pueden entonces controlar casi todas las reacciones químicas para mantener a la célula funcionando, incluyendo la producción de proteínas, ARN y ADN, respectivamente. Toda la química que tiene lugar en la célula puede ser vista solamente como medios que posibilitan la replicación del ADN. Así como una gallina puede ser vista como la manera como un huevo hace otro huevo. Las células y los cuerpos pueden ser vistos como la manera que el ADN hace más ADN!

Como se puede inferir de la figura 2, casi todas las reacciones químicas en las células son reguladas por enzimas - proteínas que son capaces de acelerar las reacciones químicas, y hacer que estas sean realizadas con una alta precisión. Las enzimas, entretanto, como todas las proteínas, requieren la ayuda del ARN (ácido ribonucleico) para formarse. El ARN a su vez depende de la información almacenada en el ADN para contruirse.

¿Cómo comenzó ese ciclo de reacciones químicas interconectadas? Ese es el problema fundamental que tenemos que resolver

En busca de lo primitivo

Es bastante cierto que los primeros seres vivos no eran elefantes ni orquídeas - y mucho menos seres humanos, como lo afirma Génesis 2:7! Por lo tanto para ayudar al esclarecimiento de los primeros seres vivos debemos olvidar tales formas complejas y altamente evolucionadas. De modo también obvio, los primeros seres vivos eran extremadamente primitivos y simples - más simples que cualquiera de los organismos de hoy en día. En la búsqueda de la naturaleza de los primeros seres vivos, claramente debemos estudiar las formas de vida más simples disponibles, en lugar de preocuparnos con organismos complejos como amapolas o pingüinos. Si pudiéramos conocer los orígenes de los organismos más simples conocidos, el resto del mundo vivo puede ser explicado por los principios conocidos de la transformación evolutiva.

En la búsqueda de las formas más primitivas de vida tenemos que bajar mucho - aún más bajo que los tele-evangelistas. Eso reduce el campo a apenas dos candidatos: los virus y las bacterias. Si bien los virus son estructuralmente más simples que las bacterias, no parece que ellos sean más primitivos que estas. Más aún, existe una discusión sobre si ellos son completamente “vivos”. Los virus no tienen una estructura celular y están típicamente formados por dos componentes: una molécula núcleo de ADN o ARN, y una cáscara o envoltura compuesta por una pequeña variedad de moléculas proteicas. Muchos virus son tan simples que fueron sintetizados en el laboratorio hace años. Todos saben que los virus son parásitos, aunque porten información genética sobre como reproducirse, en realidad ellos solo consiguen hacerlo en el interior de las células de otros organismos, y es realmente el organismo hospedero el que provee la maquinaria para reproducir los virus! No se conoce ningún virus de vida libre. Al contrario de todas las cosas indiscutiblemente vivas que se conocen, los virus se pueden cristalizar como la sal y el azúcar, y ser almacenados indefinidamente, una vez redisueltos son capaces de infectar las células hospederas - como si su “ciclo de vida” nunca se hubiese interrumpido!

En lugar de ser los virus los conectores entre los mundos vivo y no vivo, como antes se supuso, estos parecen ser ahora el producto de una larga evolución y representan el no plus ultra de reducción parasitaria. Así como los parásitos animales como la tenía pierden los ojos, el aparato digestivo y otras características anatómicas que sus ancestros de vida libre poseían, los virus parecen haber perdido todo menos lo absolutamente esencial, lo que los vuelve los parásitos más perfectos del mundo. Al haber perdido hasta la estructura celular, los virus son esencialmente “genes desnudos”-cubiertos apenas en unas pocas proteínas, que son necesarias para facilitar la entrada a las células hospederas y en la subversión de su maquinaria metabólica.

Si los virus no son las formas de vida más primitivas hoy en día, entonces debemos buscar entre las bacterias y sus semejantes - los llamados procariontes. A diferencia de los eucariontes (organismos con células que contienen núcleo y otras organelas complejas como los cloroplastos y la mitocondrias), los procariontes se caracterizan por una completa austeridad de construcción. Su genoma ( o su conjunto completo de genes) - en vez de estar organizado en cromosomas y estar rodeado por una membrana nuclear - típicamente consiste de un filamento largo y circular de ADN que está unido a la membrana celular. Para mantener su simplicidad general, las célula procariotas tienden a ser menores que las células eucariotas: cuando hay menos por ser empacado el paquete es menor.

De todos los procariotas conocidos hoy, los menores y menos complejos son los micoplasmas, organismos semejantes a los de la pleuroneumonía (OSPN). Irónicamente estos organismos fueron descubiertos por Luis Pasteur, pero él fue incapaz de aislarlos y verlos, porque los microscopios electrónicos eran tan difíciles de encontrar como el actual rey de Francia. La pequeñez (y la simplicidad necesaria) de esos organismos es difícil de imaginar sin ayuda.

En un artículo clásico escrito hace ya tiempo en Scientific American, [6] Harold Morowitzy Mark Tourtellotte hicieron algunas comparaciones para ayudar a los lectores a visualizar exactamente lo pequeños que son esos organismos. Los menores cuerpos elementales (de las OSPN) tienen cerca de 0,1 micra de diámetro - cerca de un décimo de diámetro de una bacteria común. Eso es un centésimo del tamaño de las células de los tejidos de un mamífero, y cerca de un milésimo de diámetro de una ameba. Aún así, una célula OSPN está tan está tan cerca del tamaño de un átomo como lo esta de un protozoario de 100 micras! (ver Figura 3). Una medida mejor de su simplicidad es su masa, al darse el peso como una noción de la cantidad de materia que realmente está empacada dentro de la célula. Considerado en términos de masa, una ameba es un millón de veces mayor que una OSPN, y una rata de laboratorio es casí un billón de veces mayor que una ameba.

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Figura 3. El cuerpo elemental (célula reproductiva) de un OSPN (organismo semejante a los de la pleroneumonía) comparado en tamaño a la menor célula teóricamente posible y a los componentes atómicos y celulares que la forman.

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Hay límites teóricos de que tan pequeña puede llegar a ser una entidad auto-reproductora, y un número mínimo de “moléculas funcionales” que esta puede contener. El cuerpo elemental del OSPN está muy próximo a esa menor célula teórica, tan solo apenas dos veces su diámetro y ocho veces su masa. En términos de contenido molecular, el cuerpo elemental del OSPN es lo bastante simple para que la síntesis en el laboratorio no este del todo por fuera de los límites de las posibilidades en un futuro próximo.

Algunos números: La menor célula hipotéticamente posible tendría que tener como mínimo 1,5 millones de átomos (sin contar los átomos de las moléculas de agua). El cuerpo elemental del OSPN contiene 20 millones de átomos. La molécula de ADN que codifica el cuerpo del OSPN tiene un peso molecular 2,88 millones de daltons, y la menor molécula teóricamente adecuada pesaría cerca de 360.000 daltons (un daltón tiene aproximadamente el peso de un átomo de hidrógeno), en términos de número de aminoácidos y unidades de nucleótidos necesarios (los bloques de construcción de las proteínas y del ADN y el ARN respectivamente), el OSPN sobrevive con apenas 600.000, comparado con el límite posible de 75.000 (en comparación un OSPN “adulto” contiene cerca de 9,4 millones de tales bloques de construcción y las bacterias contienen números mucho mayores). La estadística más animadora, es la del pequeño número de macromoléculas (proteínas, ADN y ARN) necesarias para mantener un cuerpo elemental de OSPN funcionando: cerca de 12.000. Ese número es tan pequeño que se requiere ser patológicamente escéptico para sugerir que la creación de tal organismo en laboratorio será siempre imposible.

Está claro que la creación de un OSPN en el laboratorio no sería la prueba de que la vida tenía que haberse originado sin una orientación inteligente. Esa será nuestra tarea en la parte II (“Polvo estelar en la sopa primordial”) y en la parte III (“Las primeras células”) de ese artículo para mostrar que es posible simular las condiciones de la Tierra primitiva, y para explicar de comienzo como la química de la vida pudo haberse originado sin una inteligencia, y entonces como la organización dinámica de los sistemas vivos puede iniciarse. Terminamos la Parte I con la certeza de que las formas de vida más simples hoy en día son de hecho muy simples, y que estas son un alivio realista para dirigir una tentativa a entender origen de la vida en el planeta Tierra. Estas no poseen cosas superfluas que nos desvíen de nuestra búsqueda, y nos permiten reconstruir los estadios intermedios que deben haberse desarrollado en la transición de lo prebiótico hacía el mundo de la vida. En las partes II y III veremos que la vida es un producto natural de la química cósmica, y que no hay necesidad de invocar poderes sobrenaturales o lo que quiera que sea - para introducir en las producciones de la Tierra el pulso de la vida.

Notas:

[1] Alexandr I. Oparin, Proiskhozhdenie Zhizni [The Origin of Life] (Moscow: Izd. Moskovskii Rabochii, 1924).
[2] Alexandr I. Oparin, Vozniknovenie Zhizni na Zemle, 1ª ed. (Izd. Akad. Nauk SSSR, 1936); The Origin of Life on Earth, 3d English ed., trad. Ann Synge (New York: Academic Press, Inc., 1957).
[3] J. B. S. Haldane, “The Origin of Life,” Rationalist Annual, 1928; Science and Human Life (reedição; New York and London: Harper & Brothers, 1933). Voltar
[4] Oparin, The Origin of Life on Earth, p. 79.
[5] Haldane, Science and Human Life, pp. 143-144.
[6] Harold J. Morowitz and Mark E. Tourtellotte, “The Smallest Living Cells,” Scientific American, Março 1962, pp. 117-126. Voltar

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