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miércoles. 28.09.2022
CIENCIA

Una teoría sobre el origen de la vida

No hay una teoría sobre el origen de la vida que sea aceptada unánimemente. Varias ya han sido descartadas pero la teoría que aquí se describe se encuentra entre las que continúan en liza. 

Crecimiento-de-cristales
Crecimiento de cristales

En un artículo anterior había una descripción de cómo se organizaba la vida, se transmitía la herencia y de los problemas para explicar cómo se inició. En éste se contará la hipótesis que Cairns-Smith propone sobre el origen de la vida.

En su libro Seven clues to the origin of life Cairns-Smith utiliza la lógica de Sherlock Holmes, el famoso detective de ficción creado por sir Arthur Conan Doyle cuyas citas abren y cierran cada capítulo del libro para ayudarnos a encontrar al responsable del inicio de la vida en la Tierra.

Cairns-Smith duda de que los océanos primitivos estuvieran llenos de moléculas de vida pues ahora parece ser que la atmósfera de la Tierra tenía nitrógeno y dióxido de carbono en vez de fundamentalmente metano como se creía antes por lo que formar esas moléculas no habría resultado fácil; además la luz ultravioleta es más eficaz destruyendo moléculas de tamaño medio que haciéndolas como pudieron comprobar las naves que han explorado Marte y que no encontraron moléculas orgánicas como consecuencia de la radiación ultravioleta.

Ante esto planteó que un sistema de organización de la vida tan complejo debería ser el resultado de una evolución prolongada y que por lo tanto tendría que estar muy alejado de los organismos originales.

Su razonamiento es que 1/ solamente algunas moléculas de vida están presentes en todas partes, 2/ la mayoría de las moléculas omnipresentes no son moléculas de vida y 3/ las moléculas orgánicas habitualmente se originan en condiciones distintas a las típicas de la Tierra primitiva. Observando que algunas moléculas orgánicas son más sencillas de hacer y más estables que otras y que nuestro sistema contiene muchas de esas moléculas propuso que éstas moléculas orgánicas más fáciles de hacer y mantener podrían haber aparecido en las primeras fases de la evolución que estableció nuestra bioquímica central.

Lo que le pareció más significativo es que los nucleótidos y lípidos esenciales a nuestro sistema actual no son moléculas que se encuentren en todas partes, son demasiado complicadas y tienen todas las características de ser el producto de una primera evolución, no prerrequisitos de ella pues son difíciles de hacer e inestables. Incluso hoy, cuando se adquieren de un laboratorio, se recomienda transportarlas en hielo seco y almacenarlas a temperaturas inferiores a la de congelación.

Según C-S la probabilidad de que la vida apareciera por una combinación casual de moléculas es mínima pero cambiaría si hubiera una "memoria" del éxito o fracaso de cada intento

Teniendo en cuenta que la fabricación de las meléculas de nuestro sistema se realiza en catorce pasos serían necesarias  muchas casualidades, 10^94 combinaciones cada segundo durante todo el tiempo de existencia de la Tierra según sus cálculos para tener una probabilidad razonable de éxito; esa cantidad es muy superior al número de electrones  estimado en el Universo observado, que es 10^80. Estos números las convierten en candidatas poco probables para explicar el inicio de la vida. Sin embargo, el número de intentos sería inferior si hubiera una memoria de éxito y fracaso de cada intento: si en cada paso se estuvieran probando posibilidades hasta acertar con la adecuada yendo entonces al siguiente paso. Eso requiere que haya organismos que transmitan mensajes y que un fallo no destruya el proceso porque hay muchas copias de lo conseguido hasta entonces. A partir de entonces la biología se inicia y el problema es diferente pero ¿cómo se llega hasta allí?

Mirando el problema desde dos ángulos

Para proponer soluciones Cairns-Smith primero considera al conjunto de los seres vivos como colecciones de cajas metidas unas dentro de otras de manera que las más exteriores son los seres vivos actuales, muy diferentes unos de otros pero que si avanzamos hacia sus estructuras internas, hacia las cajas interiores, veremos que entre una ballena y un murciélago hay varias cosas compartidas: la forma de respirar, digerir y excretar, la disposición del sistema nervioso y circulatorio, el modo de fabricar piel y huesos. Si comparásemos una planta y un perro veríamos muchas diferencias pero al llegar más al interior encontraríamos que sus mensajes genéticos comparten el mismo código y forma de transmitirse, que son los mismos aminoácidos los que forman los enlaces en las cadenas de proteínas que se hacen. La  variedad de las formas de vida en la Tierra es superficial, si se llega al centro no la hay, y las variaciones en las siguientes cajas son las que originan especies que en su mayor parte se extinguen.

Todo remite a un núcleo interno fijo, probablemente el ADN, seguido en otra caja más externa por el ARN, éste por otra con las proteínas y éstas por los productos de las actividades de las proteínas como las membranas. La sucesión se obtiene preguntando ¿qué hace falta para controlar eso? que al final nos lleva al ADN pero se puede mirar desde otro ángulo, formulando la pregunta ¿qué hace falta para hacer qué? Las respuestas a esta pregunta nos llevan a un centro con pequeños trozos de moléculas que se ensamblan para formar las grandes moléculas orgánicas; esos trozos son una docena de tipos, todos con carbono, hidrógeno y oxígeno, algunos con fósforo y uno con azufre. Quien falta aquí es el nitrógeno que sin embargo estaba presente todo el rato en las respuestas a la primera pregunta, sobre la estructura de control en el ADN, ARN y las proteínas.

En la estructura de componentes los aminoácidos no están en el núcleo, aunque ocho de ellos se pueden hacer fácilmente añadiendo amoniaco a los subcomponentes centrales. Los nucleótidos están mucho más al exterior, pues para fabricarse necesitan casi veinte operaciones diferentes en las que se usan dos de los aminoácidos internos y muchas enzimas.

Algunos ejemplos

Pero si el ADN, que es quien transmite los mensajes genéticos, precisa de unas moléculas muy difíciles de obtener en las condiciones de la Tierra primitiva ¿cómo empezó todo? La respuesta de Cairns-Smith es que hubo un primer tipo de organismos que no necesitaban nucleótidos pero que evolucionaron y pudieron fabricarlos.

Hay ejemplos, como el sentido de la vista, en el que es difícil entender cómo pudieron evolucionar distintos elementos necesarios para su funcionamiento: la caja oscura, el diafragma, la lente, la superficie sensible a la luz porque sólo se puede ver cuando todos sus componentes trabajan juntos. En su explicación, C-S indica que una estructura en un organismo habitualmente tiene distintas funciones y que por ejemplo, las mandíbulas de los animales, además de para comer se pueden usar para luchar y para transportar cosas y que probablemente algunos usos aparecieron después. Similarmente, los gatos mantienen el calor con su piel y pelo pero para que sea útil deben estar limpios; ésto lo consiguen con su lengua, que es rugosa y puede usarla para la limpieza además de para comer. La lengua sirve a otros animales para mantenerse frescos, a otros para hablar, cosas todas distintas de su función inicial. Lo compara con un arco de piedras, que para construirse necesita un andamiaje que lo soporte pero que se puede retirar al acabarse pues el arco se sostiene solo. Este andamiaje inicial que desaparece cuando ya no es necesario es el que fue necesario en el origen de la vida aunque más complejo porque en bioquímica, al revés que en un arco, las moléculas no sólo se conectan con dos piedras sino con muchas moléculas.


El andamiaje con el que se construyó         


        Lo que se observa ahora              

Buscando lo sencillo

Hemos visto que para que pueda haber evolución es preciso que se transmita información genética pero no es necesario que el material genético sea uniforme ni que actúe del mismo modo. El que pueda producir un fenotipo, es decir, una expresión del individuo en un determinado ambiente que sea mejor que la anterior basta. La evolución pudo empezar con organismos sencillos que no tenían porqué estar hechos de moléculas orgánicas y que probablemente no lo estaban. Si unas estructuras pudieran mantener y reproducir algunos patrones que a veces sufrieran modificaciones arbitrarias, si esas modificaciones pudieran ser replicadas y el que se modificaran de una forma u otra variara las probabilidades de propagación de la estructura la evolución se habría puesto en marcha.

Lo que el ambiente tendría que proporcionar es material del que se pudieran hacer genes, condiciones que permitieran la replicación y razones por las que unos genes funcionaran mejor que otros.

Cómo se organizan los átomos y las moléculas es la siguiente área de interés y hay fundamentalmente tres maneras: manipulando las moléculas, ordenándolas de manera que sólo puedan organizarse de una forma determinada o mediante la autoorganización de las moléculas que utilizan la afinidad con el agua (hidrofilia) o su rechazo (hidrofobia) para esa construcción. Por ejemplo, las moléculas que tienen una cola de átomos de carbono e hidrógeno en un lado y dos átomos de oxígeno en la cabeza son hidrofílicas en la cabeza donde la carga eléctrica es positiva y ayuda a unirse con las cabezas de otras moléculas. Si estas moléculas las disuelves en agua, las colas, que son hidrofóbicas, se juntarán unas a otras en el interior, alejadas del agua, mientras las cabezas se agruparán en el exterior, más próximas al agua. Las colas también se pueden situar hacia el aire, especialmente si están junto a muchas otras colas. Estas son formas de organizarse o construirse y se dan mucho en los organismos, donde las membranas que rodean las células tienden a alinearse entre ellas de modo que el agua esté fuera y las colas de las moléculas se orienten hacia el interior.


Autoorganización de moléculas, con la cabeza hacia el exterior y la cola en el interior

La forma más común de autoorganizarse se da en los cristales: las moléculas están agitándose continuamente pero tienden a alinear los grupos hidrofóbicos así como a agrupar juntas las cargas positivas y negativas. El movimiento continuo de las moléculas permite probar muchas estructuras hasta llegar a la que tiene mayor cohesión que tenderá a mantenerse. La formación de estas estructuras requiere varios factores, que la temperatura no sea ni tan  elevada que impida a las moléculas estabilizarse ni tan baja que tarden demasiado en encontrar la estructura más adecuada, y que la concentración de moléculas sea suficientemente alta como para que las moléculas puedan atraerse a un ritmo superior al que se destruyen las estructuras. Además, las fuerzas entre las moléculas deben ser fuertes para que se queden juntas, pero reversibles para permitir seguir probando distintas estructuras y no debe haber demasiados tipos de moléculas alrededor porque habría tal cantidad de combinaciones que sería difícil que hubiera preferencia por alguna de ellas.

Requisitos para ser responsable del inicio de la vida

Las unidades para organizar los primeros genes deberían haber sido pequeñas para que se produjeran fácilmente en determinadas condiciones y porque al ser pequeñas, tendrían pocos tipos diferentes, lo que reduciría los errores en el proceso de autoorganización. Cuando se piensa en muchas unidades pequeñas unidas de un modo determinado por fuerzas reversibles y fuertes viene a la cabeza un material cristalino inorgánico. C-S sugiere la arcilla, aunque pocos la considerarían un cristal pues debido a que sus partículas tienen unas pocas milésimas de mm a simple vista parecen no tener forma. La arcilla se forma en dos grandes ciclos: el Sol hace que el agua del mar y otros lugares se evapore, forme nubes, llueva y forme ríos y corrientes que regresan al mar; la acción del agua disuelve rocas duras como el granito y forma poros y grietas que llegan a sobresaturarse creándose los pequeños cristales de arcilla. En algunos casos serán arrastrados al mar donde quedarán depositados en el fondo y pueden disolverse y volver a formar nuevos tipos de minerales de arcilla o recristalizarse. En algunos casos se producirá el segundo ciclo, el de la Tierra, en el que el calor del interior de la Tierra empujará con fuerza el suelo marino y formará a altas temperaturas y presiones rocas duras como feldespato, cuarzo y granito que más pronto o más tarde quedarán expuestos de nuevo y se disolverán por las aguas corriendo por sus superficies para continuar el ciclo del Sol.

Un candidato con posibilidades

La mayoría de los minerales de arcilla que se forman del modo descrito son silicatos entre los que se encuentra la caolinita. Está formada por tres planos de oxígeno con dos planos intermedios de átomos de aluminio y de silicio unidos a los átomos de oxígeno por enlaces covalentes. Hay también átomos de hidrógeno junto a los de oxígeno de una de las superficies. Estos cristales de caolinita tienen una parte de arriba y otra de abajo y un patrón formado por la disposición de los átomos de aluminio.

Investigando algunos tipos de caolinita, en particular illitas y smectita, se vio que los cristales crecían más rápidamente en una dirección y se rompían también con más facilidad en algunas direcciones. Armin Weiss, de la Universidad de Munich hizo crecer nuevas capas de smectita entre capas ya existentes de cristal y comprobó que las nuevas capas tendían a tener una densidad de carga similar a la de las capas entre las que habían crecido y que este tipo de herencia se mantenía en más de veinte generaciones.

Formas primitivas de vida

C-S pensó en la información que se podría transmitir y las formas de transmitirla pero se pregunta cómo es que no vemos alrededor de nosotros formas primitivas de vida pues  el mecanismo de los cristales de arcilla podría seguir generándolas. Podría ser natural que no se encontraran formas desarrolladas de vida por haber sido aniquiladas por las ya existentes mucho más evolucionadas pero C-S cree que efectivamente estamos rodeados de organismos primarios y que no los vemos porque no tienen ni los materiales ni el aspecto de vida que esperábamos. Cristales de arcilla creciendo en arenisca que tienen diferentes y elaboradas formas de crecer pueden ser organismos primarios y las formas y tamaños de los cristales influyen en su crecimiento rápido, en romperse de un modo adecuado o en superar condiciones difíciles. Simplemente con que algún aspecto de su forma o tamaño sea replicable, con errores a veces en su replicación llevaría a la selección natural; por ejemplo si unos cristales crecen de manera que ocupen todo el espacio en la roca bloquearían el paso del agua con material disuelto y dejarían de crecer los cristales mientras que otro tipo de crecimiento con una forma que permitiera a los cristales crecer sin rellenar todo el espacio permitiría que siguieran llegando nutrientes y expansionándose los cristales. Si en otro caso el flujo del agua fuera demasiado rápido para disolver las rocas antes de llegar a la arenisca volvería a disolver los cristales que se hubieran formado. Se evitaría si fueran impermeables o se esponjaran para cortar flujo en la zona.

Aún admitiendo que las cargas eléctricas de una capa y otra puedan hacer que unas capas crezcan  más que otras y que esa distribución se replique en la siguiente capa aún queda mucho por explicar hasta llegar a una operación más compleja como sintetizar moléculas.

El movimiento se demuestra andando

Para dar el siguiente paso C-S explica la fotosíntesis: depende de que algo capture la luz del sol y algo más mantenga objetos muy pequeños separados para que la carga eléctrica positiva y negativa originada por la luz y las primeras moléculas originadas por estos agentes no se vuelvan a unir eliminándose mutuamente. Los átomos de hierro, presentes en los minerales de arcilla son excelentes captores de luz y la capa de arcilla, muy delgada, es un microseparador ideal. Lo que faltaría sería tener los átomos captores de luz en el lugar adecuado, las membranas de arcilla dispuestas de manera conveniente y  las formas y tamaños de las partículas correctos.

Los cristales podrían constituir una secuencia de operaciones para síntesis orgánicas pues están bien dotados para ello al actuar como catalizadores pero sin ser demasiado reactivos y con la ayuda que moléculas orgánicas podrían suponer para hacer arcillas. La información a pasar sería cada vez mayor y más compleja y ese material genético pudo ir añadiendo otros elementos entre los que las moléculas orgánicas serían una buena opción al ser más eficientes pues los pequeños cristales se pueden ensamblar fácilmente pero se pueden separar también fácilmente por lo que la sustitución gradual de la vieja estructura de cristal por la nueva orgánica era sólo cuestión de tiempo.

En 2007 Kahr cortó cristales de ftalato de potasio hidrogenado y los usó como semillas para ver si sus imperfecciones se reproducían en los cristales hijos y efectivamente eso fue lo que ocurrió aunque los cristales hijos tenían imperfecciones adicionales de lo que concluyó que esos cristales no eran lo suficientemente fieles como para pasar una información de una generación a la siguiente.

Conclusión por ahora

No hay una teoría sobre el origen de la vida que sea aceptada unánimemente. Varias ya han sido descartadas pero la teoría que aquí se ha descrito se encuentra entre las que continúan en liza. Como dice Lynn Margulis, “nuestro conocimiento actual del origen de la vida probablemente no es mejor que nuestro conocimiento hace cincuenta mil años del origen del fuego. Podemos mantenerla y jugar con ella, pero aún no sabemos cómo encenderla”.

Una teoría sobre el origen de la vida