El Origen de la Vida

  • En Busca del Alma Perdida

     
    ¿Puede haber un misterio más grande en el universo que el hecho de la propia vida? ¿Qué es exactamente estar vivo? ¿Existe algo de naturaleza inexplicable que dota a los organismos de la capacidad de vivir?
    En la entrada anterior (“Las Fuentes de la Vida”) comentábamos la dificultad que siempre ha supuesto tanto para la biología como para la filosofía responder a la pregunta ¿Qué es la vida? Sin embargo, el ser humano en su búsqueda incansable por comprender los grandes enigmas de la existencia, ha buscado desde el principio de los tiempos sus propias respuestas.

     

    Los pueblos de la prehistoria pensaban que seres espirituales con inteligencia y voluntad habitaban en todo, incluso aquellas cosas con apariencia inerte como las montañas, los ríos, las rocas… también en los fenómenos naturales como el viento, el trueno o la lluvia, que eran personificados y venerados por su poder como dioses. A esta creencia se la denominó “animismo” que significa alma en latín, pues pensaban que la vida dependía de una fuerza inmaterial o anima que existía dentro de todas las cosas. Aunque esta idea fue extinguiéndose poco a poco, se siguió creyendo en la existencia de esa sustancia escurridiza que explicaría qué es la vida.

    Los fenómenos naturales eran venerados como dioses
     
    Hipócrates (460-370 a.C), médico de la antigua Grecia, también creía  que la vida no era el resultado de unos órganos que funcionaban, sino una causa, un principio que se unía al cuerpo. La materia era inerte y para formar a un ser vivo se necesitaba añadir este principio animador. 
     
     
    Para Aristóteles (384-322 a.C) el alma era la característica general de los seres vivos y su condición previa. La definía como “entelequia primera de un cuerpo natural organizado” Entelequia es ese estado donde se ha alcanzado todas las capacidades potenciales llegando a la perfección. Así como el cortar es la esencia del hacha, el alma es la vida o esencia del cuerpo. El alma es la fuerza que organiza el cuerpo según las posibilidades de éste. Vida y alma son una misma cosa.

     

    Contrarios a estas ideas surgieron los «atomistas» (Leucipo, Demócrito) quienes tenían una concepción de la naturaleza totalmente materialista y estaban convencidos de que todos los fenómenos naturales eran explicables según la forma y tamaño de los átomos. Aristóteles se opuso a los atomistas pues él no creía que existiera el vacío entre las partículas porque la materia era continúa y no podía dividirse en partes irreductibles. Se negaba, además, a que la vida pudiera ser explicada de forma mecánica. Aquí comienza una discusión que tendría su continuación varios siglos más tardes y que sigue incluso en nuestros días.

     
     
     
    Durante la Edad Media, todas las explicaciones aportadas por los filósofos griegos, cayeron en el olvido, ya que lo único que importaba era la creencia en Dios y sus leyes.
    En el siglo XVI se creía que los sistemas vivos eran distintos a los no vivos porque poseían una “fuerza vital” que al actuar sobre ellos los dotaba de vida. A esta corriente se la denominó “vitalismo”. Corriente que tuvo su mayor adversario en las ideas mecanicistas surgidas en el siglo XVII, a cuyos seguidores se les denominaría más tarde fisicistas. El «mecanicismo», se basaba en que toda la realidad podía explicarse mediante la mecánica pues su estructura era comparable a la de una máquina. Los fenómenos naturales sólo debían explicarse en referencia a la materia, el movimiento y sus leyes. Redujo las funciones biológicas a procesos químicos y físicos y puso fin al dualismo espíritu-cuerpo. Descartes, máximo representante de esta doctrina filosófica, eliminó el alma de los seres vivos y redujo el fenómeno de la vida a una realidad explicable por el desplazamiento de sus partes. La única diferencia entre el ser humano y un autómata era su creador, del primero era Dios y del segundo el hombre.
     
     
    En este momento histórico, donde Newton había considerado a todo el universo como un mecanismo perfecto de relojería y el cuerpo era explicable según el orden matemático, resurge el vitalismo defendiendo ese “principio vital” que debía estar presente en la materia viva y la diferenciaba a la inerte. A los vitalistas se les debe la distinción entre materia orgánica e inorgánica y la creencia de que las reacciones químicas que se daban en la materia orgánica eran “vitales”.
     
    ¿Existe una fuerza vital?

    En el siglo XIX se discutía si las reacciones químicas en los organismos vivos se podían conseguir en los laboratorios, es decir, si se podían obtener a partir de sustancias inorgánicas. Algo que no consideraban posible los vitalistas por esa “peculiaridad” que creían exclusiva de los seres vivos. Sin embargo, en 1828 el químico Friedrich Wöhler obtuvo urea (producto químico de deshecho en la orina animal) utilizando cianato de potasio y sulfato de amonio. Louis Pasteur también pensaba que los cambios que se daban en la fruta para transformarla en vino era “vitales” y sólo los podía realizar las células de la levadura. En 1898 se demuestra que una sustancia extraída de la levadura podía provocar fermentación fuera de la célula viva y fue llamada enzima (del griego Zymos que significa fermento). 

    Estos descubrimientos sirvieron para apoyar el argumento mecanicista de que las complejas reacciones de los seres vivos podían reducirse a otras más simples y fácilmente explicables. A nivel molecular y celular, los procesos fisiológicos fueron explicándose como procesos fisicoquímicos y los vitalistas empezaron su declive ya que no consiguieron demostrar la existencia de esa “fuerza vital” no material en la que creían.
    Friedirich Wöhler sintetizó urea en el laboratorio sin usar seres vivos   

     

     
    En el siglo XX, reapareció entre los físicos algunas creencias vitalistas. Niels Bohr sugirió que los organismos vivos estaban regidos por leyes análogas a las de la física que no se daban en la naturaleza inanimada. Otros físicos como Schrödinger, Elsasser y Wigner compartieron ideas similares.
    En 1931 el fisiólogo Haldane declaró que el vitalismo había sido abandonado como creencia aceptable, sin embargo, pensaba que las interpretaciones puramente mecanicistas no podían explicar la coordinación tan característica de la vida y la secuencia ordenada de sucesos que se daban en el desarrollo.
    De ambas posturas, vitalista y mecanicista, surgió una nueva interpretación denominada «organicismo» que en la actualidad es el paradigma dominante. Esta corriente defiende que a nivel molecular se pueden explicar los procesos fisiológicos por mecanismos fisicoquímicos, pero que, a nivel superior estos mecanismos tienen una influencia prácticamente nula.

    ¿Qué quiere decir esto?

    Tanto la materia viva como la inerte pueden agruparse en diferentes niveles de organización que siguen un orden jerárquico. Cada uno de estos niveles incluye a los inferiores y se convierte en la base de los superiores. En la materia viva, cada nivel de organización aporta propiedades que no se encuentran en niveles inferiores. Además cada uno posee características propias denominadas emergentes. Por ejemplo, una proteína no es la suma de los aminoácidos que lo integran porque posee unas características que no se encuentran en los aminoácidos aislados. Estas características emergentes no se podían predecir aunque se conozca el nivel inferior
    Los niveles de organización son: subatómico, atómico, molecular, celular, pluricelular, población, ecosistema.
     
     
    Los organicistas defienden que la organización de las partes controla todo el sistema y que existe integración en todos los niveles que se manifiesta a nivel bioquímico, del desarrollo y en el comportamiento del organismo completo, por lo que ningún sistema se explica describiendo las propiedades de sus componentes de forma aislada. Las características propias de los seres vivos no se debían a su composición sino a su organización.  La idea principal del organicismo es que “el todo es más que la suma de sus partes”.
    Hoy en día, ante el reconocimiento de la dificultad para responder a la pregunta “qué es la vida”  los biólogos prefieren buscar mejor aquello que caracteriza a los seres vivos. Decía el prestigioso biólogo Ernst Mayr que, la vida podía estudiarse desde el punto de vista científico incluso podía definirse qué es un organismo vivo, así como, distinguirlo de la materia inerte, pero esto mismo no podía hacerse con la abstracción del concepto “vida”. 
    La vida, pues, se resiste a ser un espacio explicable totalmente por la ciencia, ya que no se puede controlar ni predecir.
     
     
    Aquí os dejo el vídeo de Michael Jackson titulado «Earth Song» que nos recuerda la necesidad de proteger la vida en la Tierra. 
     

    Referencias:

    – Así es la Biología. Ernst Mayr

    – Conocimientos fundamentales de biología. Rosaura Ruiz Gutiérrez

    – Aristóteles. Francisco Rodríguez Valls

    – El saber filosófico: Antiguo y moderno. J.Martinez, Aurora Ponce de León

  • Las Fuentes de la Vida I

    De todas las características maravillosas del planeta Tierra, una de las más increíble y enigmática es la de ser el escenario donde se desarrolla la vida, la existencia. Y es que nos encontramos ante uno de los misterios más complejos del universo. Pero, ¿qué es la vida? ¿Qué es lo que diferencia a un ser vivo de algo que no lo está? Encontrar una definición que sea capaz de hacer justicia a tan extraordinario fenómeno ha sido una constante tanto en la filosofía como en la ciencia, pero siempre parece que se escapa algo de carácter trascendente e indefinible.

    Podríamos decir que todo ser viviente está formado por un mecanismo perfecto ensamblado por pequeñas piezas que dan una respuesta precisa ante los estímulos externos. Esta sería una explicación denominada mecanicista, pero… ¿es eso la vida? ¿acaso las máquinas están vivas? ¿o podríamos decir que un ser vivo es algo más que la suma de sus piezas? ¿y cómo se definiría ese algo más? Más adelante volveremos sobre esta idea.

    Al margen de la definición de vida, podemos avanzar en este asunto si nos limitamos a destacar lo que caracteriza a un ser vivo de otro que no lo está, es decir, un organismo con una estructura material muy organizada y compleja que se relaciona con el ambiente intercambiando materia y energía, y que además, se nutre, se relaciona y se reproduce.
    Pero, vayamos por partes…
    ¿De qué están hechos los seres vivos?
    La materia viva posee unas características y propiedades que las distingue de la materia inerte gracias a los átomos que la componen (bioelementos). De los 92 átomos naturales, sólo 27 son bioelementos. Estos se combinan entre sí para formar las moléculas de la vida (biomoléculas) que pueden ser orgánicas e inorgánicas. Las inorgánicas forman el agua, las sales minerales y los gases. Las orgánicas están formadas por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. El carbono hace posible que se puedan formar enlaces muy estables (covalentes) y unirse a otros carbonos para formar largas cadenas.

    A partir de la materia orgánica se formó la primera célula que se considera el elemento más pequeño que puede considerarse vivo.

    ¿Cuándo surgieron los seres vivos?
    Gracias a los restos fósiles sabemos que la vida en la Tierra surgió hace unos 3.500 millones de años, es decir, tan sólo unos 500 millones de años después de que el planeta se estabilizase y enfriase lo suficiente tras su formación. Lo verdaderamente sorprendente es que surgiera tan deprisa. Como dice Stephen Hawking, la vida podría haber tardado 7.000 millones de años en aparecer y aún le sobraría tiempo para que pudieran desarrollarse seres como nosotros que se preguntan sobre el origen de la vida. De todo el tiempo que disponía la Tierra antes de desaparecer, la vida empleó tan sólo 1/14 de dicho tiempo.

     ¿Por qué tanta prisa? No se sabe.
    ¿Cómo surgieron los seres vivos? (Lo que creemos hasta ahora)
    El interés del ser humano por conocer el origen de la vida se remonta a miles de años atrás. En un principio se creía en la teoría de la generación espontánea, es decir, que la vida podía surgir de materia sin vida “abiogénesis”. Esta idea fue defendida por Platón, Aristóteles y otros grandes filósofos griegos quienes estaban convencidos de que determinados seres como, por ejemplo, las ranas procedían del lodo o los gusanos de la carne en descomposición.

    Pero, en la segunda mitad del siglo XIX, Louis Pasteur demostró, hirviendo caldos y soluciones en distintos matraces, que éstos permanecían estériles por tiempo indefinido si no se rompían y eran invadidos por microorganismos exteriores, lo que puso fin a la creencia en la generación espontánea. Pasteur, sin proponérselo, estaba apoyando la teoría de la biogénesis, es decir, que la vida sólo podía proceder de la vida.

    En 1908 apareció la teoría de la panspermia, que defiende que la vida se habría generado en el espacio exterior y habría llegado a la Tierra viajando en cometas y meteoritos. Sin embargo, es una teoría controvertida ya que se considera poco probable que una espora o cualquier tipo de célula pudieran resistir a las temperaturas extremas, al vacío y a las radiaciones. Aunque se ha comprobado la existencia de restos orgánicos en cometas… ¿de que sirve esta teoría a parte de trasladar el misterio del origen de la vida a otro lugar del universo? 

    Un paso más allá en esta idea lo dio la teoría de la panspermia dirigida, que propone que, la vida fue deliberadamente traída a la Tierra por seres inteligentes superiores de otros planetas. Claro que, para que la comunidad científica lo aceptara, primero debía demostrarse la posibilidad de vida inteligente extraterrestre… ¿Quién sabe?

    Finalmente, llegamos a la teoría quimiosintética o abiótica publicada en 1924 por el biólogo Alexander Oparín. Basándose en la idea de que el origen de la vida se encontraba en la célula y que éstas estaban compuestas de moléculas orgánicas e inorgánicas, propuso que las primeras moléculas orgánicas se formaron a partir de los gases de la atmósfera primitiva y la acción de descargas eléctricas de las tormentas y de la luz ultravioleta del sol. La atmósfera primitiva carecía de oxígeno y estaba formada por hidrógeno, metano y amoniaco. Las moléculas fueron arrastradas por la lluvia y se acumularon en los océanos formando la “sopa primigenia”. Aquella acumulación fue aumentando su complejidad hasta que, de forma insólita, comenzaron a  hacer copias de sí misma y reproducirse. Las moléculas que mejor se reproducían se unieron a otras y se encerraron en pequeñas gotas denominadas “coacervados” que fueron los ancestros de las primeras células.

    En 1952, Stanley Miller realizó un famoso experimento de laboratorio basándose en la teoría de Oparín. Para ello, sometió a descargas eléctricas una mezcla química que simulaba la atmósfera primitiva de la Tierra. Al cabo de 2 días encontró un 2% de aminoácidos.

    ¿Qué importancia tienen  los aminoácidos?

    Los aminoácidos son las pequeñas unidades de las que están compuestas las proteínas. Poseen unas características químicas que les permiten  plegarse de manera específica para realizar determinadas funciones: enzimática, estructural, reguladora, defensiva.. Todos los aminoácidos poseen una misma estructura básica, esto es:
                   – un átomo central de carbono
                   – un grupo amino (NH2)
                   – un grupo carboxilo (COOH)
                   – una cadena lateral (R)

    Existen muchos tipos de aminoácidos, pero sólo 20 forman parte de las proteínas.

    Los aminoácidos tienen dos configuraciones (levógiras y dextrógiras) según estén dispuestos sus átomos en el espacio. La forma D se produce cuando el grupo NH2 se encuentran a la derecha del carbono y la forma L cuando se encuentra a la izquierda. Curiosamente todos los aminoácidos que componen las proteínas de los seres vivos tienen forma L.

    Pero, volvamos a Miller…
    Su experimento tuvo una acogida entusiasta entre la comunidad científica pues parecía que los elementos constitutivos de la vida eran relativamente fáciles de obtener por procedimientos naturales. Sin embargo, los geoquímicos defienden ahora que la atmósfera primitiva estuvo compuesta por nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua, pero no por amoniaco, metano o hidrógeno como defendía Oparín. En estas condiciones es mucho más complicada la formación de los aminoácidos.
    Ahí no queda la cosa… y es que la formación de aminoácidos plantea, además, otros desafíos… Como hemos dicho, los aminoácidos pueden tener dos configuraciones (levógiras y dextrógiras) y ambas aparecen en la naturaleza en la mismas proporciones, así como,  en los experimentos realizados en el laboratorio, pero las proteínas están formadas únicamente por aminoácidos levógiros…

    ¿Cómo pudieron seleccionarse sólo los que giraban a la izquierda? ¿Y qué implica? 

    Pues que si quisiéramos, por ejemplo, obtener de forma natural una proteína formada por 100 aminoácidos, la proporción de obtenerla únicamente en su versión levógira sería de uno entre 1030. Lo curioso es que mientras todos los aminoácidos son levógiros, todos los carbohidratos de los seres vivos son dextrógiros.

    Y eso no es todo…

    Para que la proteína funcione bien es necesario que todos sus enlaces sean peptídicos para que posea una estructura tridimensional correcta. Un enlace peptídico consiste en la unión del grupo carboxilo (COOH) del primer aminoácido con el del grupo amina (NH2) del segundo y así se va constituyendo el esqueleto de la proteína, uniendo cabeza con cola. En las simulaciones en el laboratorio sólo la mitad de los enlaces eran apropiados, por lo que la probabilidad de obtener 100 enlaces de este tipo vuelve a ser de 1 entre 1030. Por lo que la probabilidad final de que una proteína de 100 aminoácidos levógiros se ensamble al azar mediante enlaces peptídicos es de 1 entre 1060. Estas cifras se asemejan bastantes a las que vimos en la entrada “¿Qué pasaría si…?”

    Además, el físico Paul Davies nos recuerda que la segunda ley de la termodinámica describe la tendencia de los sistemas cerrados a degenerar, perder información y orden, aumentando su entropía (ver “En la diana del tiempo”). Para que una solución concentrada de aminoácidos diera lugar a un enlace polipéptido de forma espontánea tendría que invertir la tendencia termodinámica al desorden y eso sólo sería posible en un volumen de fluido del tamaño del ¡universo observable!

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    universobservable
    Universo observable

    Pero las proteínas no se forman simplemente mezclando aminoácidos, porque éstos deben ocupar posiciones muy concretas en la cadena determinadas por el código genético. El requisito de una secuencia correcta es tan importante que esa es la diferencia que puede haber entre una célula viva y un cristal o un copo de nieve. Pensar que todo es cuestión de puro azar es, según palabras de Paul Davies:

    «… comohacer explotar dinamita bajo un montón de ladrillos y esperar a que formen una casa”.

    Entre las diversas clases de aminoácidos, como hemos dicho, 20 forman parte de las proteínas. Por lo que si tenemos 20 la probabilidad de conseguir el aminoácido correcto en la posición correcta es de 1/20. Por lo que conseguir 100 aminoácidos en la secuencia correcta sería de 1 entre 10130. Estos cálculos se refieren a una sola proteína, pero la vida requiere de cientos de miles de proteínas…

    Referencias:
    – La vida en el espacio. La nueva ciencia de la astrobiología. Lucas John Mix
    – ¿Ha enterrado la ciencia a Dios? John C. Lennox
    – Biología 1. Patricia Campos
    – Biología 1. Un enfoque constructivista. Maria de los Angeles Gama
    – Conferencia de Stephen Hawking: “ La vida en el universo”
    – La vida de un joven planeta. Andrew H. Knoll

  • Las Fuentes de la Vida II

    Al margen del enigma que plantea la aparición de materia orgánica a partir de la inorgánica, existe un misterio más por resolver… hemos dicho que para que un organismo se defina como vivo debe ser capaz de regenerarse, replicarse y evolucionar.
    Para explicar el origen de la vida es necesario, pues, saber cómo pudieron los sistemas vivos tener esta capacidad.
    Al principio se sostenía que no podía existir la vida sin un sistema genético primitivo. Las proteínas no pueden almacenar la información genética para la síntesis de una nueva proteína, en cambio, los ácidos nucleicos si pueden almacenar información genética.
    ¿Qué son los ácidos nucleicos?
    Son grandes moléculas orgánicas formadas por la repetición de unas moléculas más pequeñas denominadas nucleótidos. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico).
    En el  ADN reside la información genética de un ser vivo. Se trata de una molécula extremadamente larga en forma de doble hélice y compuesta por dos cadenas de nucleótidos que se repiten en toda la cadena.
    ADN
    El ARN ayuda al ADN a transferir información vital para la síntesis de proteínas. Se trata de una molécula constituida solo por una sencilla cadena de nucleótidos.
    Pero, existe un problema…
    los ácidos nucleicos necesitan enzimas para poder duplicarse, es decir, proteínas. Esto nos lleva a al problema siguiente… ¿Qué fue antes las proteínas o los ácidos nucleicos? ¿el huevo o la gallina?
    Existen dos hipótesis que intentan dar explicación a este enigma:
    “El Mundo de ARN” plantea que el ARN fue la primera forma de vida en la Tierra que luego desarrolló una membrana celular a su alrededor convirtiéndose a la primera célula sin núcleo (procariota). Parece ser que, éstas moléculas se formaron espontáneamente. El ARN tenía entonces función de material genético que luego fue relegada al ADN, que era más estable, y también funcionaba como proteína, pero la selección natural lo sustituyó por las proteínas que eran más eficientes para llevar a cabo funciones enzimática, estructural y de transportes en los seres vivos.
    Y además…

    Si el ARN se formó en la Tierra primitiva a altas temperaturas su vida tuvo que ser muy breve ya que es muy inestable cuando la temperatura es elevada, por otro lado, si la temperatura hubiera sido baja el ARN no se hubiera podido sintetizar. A finales de los 80 los científicos Robert Shapiro y Gerald Joyce se cuestionaron si el ARN podía ser sintetizado en las condiciones primitivas a mayor velocidad que la de su destrucción por la radiación ultravioleta, por hidrólisis  o por reacción con otras moléculas.

    La conclusión a la que llegaron fue que, aunque la síntesis hubiera sido posible en la Tierra primitiva, ésta habría dado lugar a cantidades muy pequeñas de ARN.

    Pero, hay una dificultad adicional…

    El ARN puede construirse con nucleótidos levógiros o dextrógiros, pero no con ambos a la vez. Por lo que, de nuevo… ¿Cómo de una mezcla de nucleótidos levógiros y dextrógiros pudo construirse el ARN de la células que  exclusivamente son dextrógiros? Nadie lo sabe. El origen del código genético sigue siendo uno de los grandes misterios de la biología.

    Son tantas las preguntas que plantea esta hipótesis que muchos investigadores han abandonado la idea de que el ARN fuera la molécula primordial de la vida.

    Fuentes hidrotermales submarinas

    La otra hipótesis  que intenta dar una explicación es la del “Metabolismo primero”.

    El metabolismo se define como una serie de transformaciones químicas y procesos energéticos que suceden en los seres vivos. Para ello se necesitan enzimas que originen sustancias que a su vez son productos de otras reacciones.
    Esta hipótesis propone que las primeras entidades vivas que surgieron fueron unas redes metabólicas primitivas que crearon el ambiente propicio para que, después, surgieran los ácidos nucleicos.

    Estas pequeñas moléculas primitivas que formaban estas redes metabólicas lograron replicarse (dividirse) pasando información a sus descendientes y evolucionar.

    Entre los distintos modelos que aporta esta hipótesis se encuentra el del químico Günter Wächtershäuser que defendió que el ciclo metabólico primitivo debió producirse en la superficie de minerales como la pirita, cerca de las fuentes hidrotermales submarinas, donde la temperatura y la presión eran muy altas, y el ambiente anaeróbico.Las primeras células habrían sido burbujas formadas por lípidos en la superficie de estos minerales. Sin embargo, hasta hoy en día los defensores del “metabolismo primero” no han podido demostrar que las reacciones químicas podían ser capaces de transmitir información hereditaria y evolucionar. Además, al margen de estas dos hipótesis, y llegado al punto de que tenemos todos los aminoácidos, todos los nucleótidos, etc. que necesitamos

    ¿Cómo se combina todo esto para formar un ser vivo?
    De nuevo, nadie lo sabe.
    Y el misterio continúa… 
    Referencias:
    – La vida en el espacio. La nueva ciencia de la astrobiología. Lucas John Mix
    – ¿Ha enterrado la ciencia a Dios? John C. Lennox
    – Biología 1. Patricia Campos
    – Biología 1. Un enfoque constructivista. Maria de los Angeles Gama
    – Conferencia de Stephen Hawking: “ La vida en el universo”
    – La vida de un joven planeta. Andrew H. Knoll

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