El origen de la vida

Una de las grandes preguntas de la filosofía y en general de la humanidad ha sido siempre «¿de dónde venimos?». Lo que quizá no sepa mucha gente es que a día de hoy la biología ya tiene una respuesta, es decir, podemos explicar cómo es posible que exista el fenómeno de la vida, desde que surgió hasta el presente a través de la química y la evolución. Hay algunos matices que hacer sobre esa respuesta, por las lagunas de conocimiento que aún hay, pero intentaré dejarlo lo más claro que pueda. Espero que con esta entrada cualquiera pueda entender que es perfectamente posible por simples fenómenos naturales que la vida surja y genere lo que es tal como lo conocemos, cómo surgieron fenómenos como la evolución, y todo lo relacionado con la genética.

En primer lugar, vamos a establecer los matices. La respuesta no es por ahora única, ni podemos precisarla con total seguridad. Al igual que pasa con la extinción de los dinosaurios, que hay varias teorías muy plausibles para explicarlo (un meteorito o volcán, o ambos, junto con toda la cadena de sucesos ambientales que desencadenaron), pero nos cuesta determinarlo con total seguridad porque estamos hablando de algo que sucedió hace mucho tiempo y de lo que no tenemos un registro fósil completo para reconstruirlo, pues con cuestiones que retroceden en el tiempo mucho más, no 65 millones de años, sino en torno a unos 4.000 millones de años (y con organismos celulares que no dejan rastros tan claros como son los fósiles óseos), los problemas son aún mayores para determinar la respuesta correcta. Existen varias teorías sobre los fenómenos químicos que originaron la vida, cualquiera de ellas podría ser correcta, o podría serlo otra parecida que aún no se ha propuesto, o puede que varias sean ciertas porque la vida surgiese de diferentes maneras. Lo que sí sabemos, al igual que los físicos consiguen reconstruir el universo hasta escasos momentos después del Big Bang (acotando la incertidumbre a una laguna muy diminuta), es que esos mecanismos son perfectamente posibles y encajan con las evidencias que tenemos.

Así pues, tenemos respuestas potenciales para explicar el fenómeno de la vida, que están bien fundamentadas y nos permiten entender que la vida es un fenómeno explicable naturalmente (sin necesidad de milagros divinos). Por supuesto en Internet podéis encontrar mucha bibliografía abordando el tema en detalle, con datos sobre momentos precisos en que se estima que pudo aparecer la vida, evidencias de existencia de vida temprana en diferentes ambientes, minuciosas explicaciones de las diferentes teorías… pero no quiero repetir yo eso, despejemos la pizarra de un montón de datos farragosos y hagámoslo simple. Mi propósito no es presentaros un informe técnico muy preciso, sino resumirlo todo lo que pueda en plantear una explicación con la mayor sencillez que me sea posible, para ayudar a quien no entienda que la vida pudo surgir espontáneamente a comprender que algo así es posible. Y a partir de entender esto, ya podréis buscar en otras fuentes todos los detalles que os interesen para informaros más a fondo. Así que vamos al lío, sin muchas complicaciones, respondamos a esas preguntas sobre de dónde venimos y cómo es posible.

Diferentes teorías

Una de las afirmaciones que más se conocen al respecto es que en los albores de nuestro planeta, después de que este se enfriase, debían existir condiciones que favoreciesen la formación de los compuestos orgánicos de la vida, en ese «caldo primigenio» que hipotetizó el biólogo ruso Aleksandr Oparin en el siglo XX. Las diferentes teorías suelen diferir en el entorno en que se hicieron posibles esos compuestos (si fue en suspensión en el agua, entre lodos del fondo de sistemas acuáticos, etc.) y su unión para formar la primera célula. Salvo la teoría de la panspermia, que viene a decir que la vida llegó desde otro planeta en un meteorito, lo cual solo traslada la misma pregunta a otro planeta similar (como pudieran ser Venus o Marte hace tantos miles de millones de años).

Aleksandr Oparin

Sobre el origen de esas moléculas orgánicas, no entraré mucho en la química (que tampoco es mi especialidad y otros lo explicarán mejor), pero todo tiene que basarse en principios fundamentales de la física, como es la termodinámica. Todo sistema físico tiende a desplazarse a estados de más baja energía, como cuando soltamos una piedra y esta cae al suelo, atraída por la fuerza de la gravedad, o dicho de otro modo equivalente, cae porque cuando la soltamos (tras levantarla) ha acumulado energía potencial, y la libera cayendo hasta que choca con algo, donde su energía potencial es menor (y atravesar esa superficie requiere más energía de la que acumula). De igual modo, los átomos tienden a enlazarse unos con otros porque esos enlaces les permiten alcanzar un estado de mayor reposo, y así se forman muchas moléculas sin más intervención que los átomos encontrándose y enlazándose. Cuando algo pasa a un estado que requiere más energía, es porque recibe esa energía del exterior y el estado de mayor reposo es «dejarse llevar»; por ejemplo, cuando cogemos una piedra y la elevamos, para la piedra lo más sencillo es dejar que la arrastremos y aumentemos así su energía potencial, de lo que sería oponerse a nuestra fuerza o atravesar nuestra mano (por supuesto sin atribuirle ninguna voluntad, recordad que hablamos de meras interacciones físicas). Pues de igual modo, y sin detallarlo más, aceptamos como posible que se formen moléculas complejas, bien porque espontáneamente se enlacen los átomos, o bien porque algún aporte externo de energía las mueva a ello (como cuando las plantas crecen usando, entre otras cosas, la energía del Sol).

Hay que tener en cuenta que las primeras células debieron ser muy sencillas, y muy diferentes a los que son hoy en día nuestras complejas células, fruto de mucho tiempo de evolución. Las primeras células debían contener dos elementos básicos, que serían la membrana (bicapa lipídica) que las aislase del exterior, y moléculas en su interior capaces de mantener un metabolismo celular (una característica fundamental para la vida, como expliqué en esta otra entrada). Esas moléculas (además de los lípidos) debieron surgir previamente de manera espontánea en aquel «caldo primigenio», como he explicado antes, y luego accidentalmente algunas quedarían atrapadas dentro de burbujas de lípidos (con un interior también acuoso) que fue lo que permitió que surgiesen esas estructuras precelulares, algunas de las cuales podrían tener propiedades útiles para automantenerse constituyendo así una especie de protocélulas.

Esquema de la formación de las primeras protocélulas (fuente: https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/1-origen_celula.php).

Para entender esto, imaginemos un mundo acuático sin vida, lleno de moléculas interaccionando por pura química, en el que las condiciones son propicias para que se formen esas burbujas de lípidos y atrapen a algunas moléculas presentes en el medio. Esto podría haber sucedido numerosas veces, pero en muchas de ellas las moléculas atrapadas podrían limitarse a permanecer así hasta que la burbuja se rompía y volvían a separarse los componentes. De todos esos fenómenos de aparición de estructuras precelulares, en algunos casos la membrana formada podría ser un poco más estable, ya que su fluidez cambia en función de variables como la longitud de las cadenas de los lípidos y de si sus enlaces son saturados o no. Si además dentro de la membrana se formaba un medio ligeramente diferente al exterior, con unas moléculas capaces de reaccionar entre ellas y favorecidas por este medio interno (ligeras diferencias en concentraciones de elementos, por ejemplo), las interacciones químicas entre esas moléculas pudieron dar inicio a un metabolismo primitivo. Además, al estar encerradas dentro de una pequeña burbuja en vez de libres en la inmensidad del medio acuático, sus interacciones se veían favorecidas probabilísticamente, es decir, se encontraban más veces, como si fuesen bolas de billar rebotando por la mesa de billar y golpeándose unas a otras con más frecuencia de lo que lo harían rodando por el suelo de un extenso campo.

Otra cuestión de gran relevancia es ¿qué tipo de moléculas fueron aquellas que iniciaron la vida dentro de las membranas? Si nos fijamos en los pilares de nuestro metabolismo celular, de entre todas las funciones hay dos que destacan poderosamente: el almacenamiento de la información en el ADN, y la catalización de reacciones químicas llevada a cabo por enzimas. Podríamos pensar por tanto que lo necesario fueron esas moléculas, pero, según las teorías más aceptadas, no fue ninguna de esas, hay una explicación más sencilla y que encaja mucho mejor. Al igual que aunque hoy en día estemos formados por átomos, tras el Big Bang la materia no estaba en forma de átomos sino de partículas más elementales, y tardaron cientos de miles de años en formase los átomos como son hoy en día, de igual modo la biología molecular nos puede explicar cómo hubo algo aún más primitivo que luego fue reemplazado en gran medida por otras moléculas. Estoy hablando del ARN, el ácido ribonucleico, molécula que también tenemos en todas nuestras células y que es más sencillo que el ADN.

Mundo ARN

Conocida como «hipótesis del mundo de ARN«, esta explicación simplifica la cuestión a la posibilidad de que en aquel caldo primigenio existiesen moléculas simples de ARN. Hoy en día el ARN en nuestras células ha quedado relegado básicamente a funciones auxiliares, como servir de mensajero entre el ADN y las enzimas que sintetizan proteínas (entre otras cosas). Pero al principio de la vida, pudo tener el papel protagonista, de hecho para explicar la vida con esta hipótesis solo necesitamos las membranas lipídicas y moléculas de ARN, algo mucho más sencillo de aceptar que surgiese espontáneamente (frente a opciones más complejas que incluyan ADN y enzimas proteínicas). Distintos tipo de moléculas de ARN podrían haber cumplido todas las funciones básicas para dar inicio al metabolismo, como son almacenar la información genética (en el código genético ya presente en el ARN), y llevar a cabo la catalización de reacciones químicas, gracias a unas moléculas de ARN que actuarían como las enzimas, llamas ribozimas.

Representación esquemática de una ribozima (fuente: Wikimedia Commons).

Para quien no lo recuerde, el ARN (ácido ribonucleico) se compone de una cadena de ribonucleótidos, que a su vez están compuestos por una ribosa (un azúcar de 5 átomos de carbono), un fosfato, y una de las cuatro bases nitrogenadas (adenina, guanina, citosina y uracilo). Experimentos llevados a cabo por Harold Urey y Stanley Miller a mediados del siglo XX, así como por otros investigadores, acabaron demostrando que era posible que estas moléculas se formasen en las condiciones existentes hace miles de millones de años (en una atmósfera reductora). No me extenderé mucho más en detallar esto, baste decir que no se requiere ningún acto de fe para aceptar que los componentes básicos para que surgiese la vida pudieron aparecer por simple química orgánica; y quien quiera leer más sobre estos experimentos tiene una información muy completa en la entrada de la Wikipedia sobre abiogénesis.

Evolución temprana

Entonces tenemos un mundo primitivo, puramente químico, en el que empiezan a aparecer estructuras accidentalmente más complejas, con esas «burbujas» de lípidos que constituían una membrana que encerraba a estas biomoléculas de ARN. Y prácticamente desde el mismo inicio de la vida, por no decir que incluso antes, comenzó a operar evolución por la selección natural (si queréis una explicación más detallada de cómo funciona, podéis leerla en este enlace). Aquellas estructuras precelulares que eran más resistentes superaban el filtro de la selección, prolongando su existencia, mientras que todas las que no fuesen lo bastante estables se desagregaban y desaparecían. Ahora el siguiente paso necesario es la aparición del fenómeno de reproducción celular, y del metabolismo celular, que constituyen en cierto modo los fenómenos fundamentales para la existencia de la vida. Esto lo expliqué en una entrada anterior. El origen de la reproducción celular lo explicaré en detalle en una futura entrada.

Una vez tenemos esas primeras células formadas por ARN y una membrana (la bicapa lipídica), capaces de reproducirse y mantener un metabolismo que desafíe la entropía que conduciría una estructura inerte a su simple degradación, podemos empezar a hablar realmente de células vivas. Dentro de ellas, prácticamente todo era ARN (según la teoría que he explicado), en la cual algunas moléculas de ARN almacenaban la información, y otras, las ribozimas, llevaban a cabo la catalización de las reacciones químicas. Y dado que el ARN es una molécula menos estable de lo que es el ADN que tenemos hoy en día, o dicho de otro modo, se altera mutando con mayor frecuencia (podéis leer más sobre las mutaciones en esta entrada), esto pudo favorecer una acelerada diversificación de la vida en sus primeros momentos, generando nuevas formas de vida (todas unicelulares y procariotas) incluso con mayor facilidad de lo que evolucionan las bacterias hoy en día, que ya lo hacen a gran velocidad. Por supuesto, la alta tasa de mutación de aquellas células produciría que bastantes fuesen defectuosas y fuesen eliminadas por la selección natural, pero las que por puro azar sufrían mutaciones ventajosas lograban mantenerse y reproducirse cada vez más, generando células cada vez más estables y mejor adaptadas a su ambiente. Podríamos compararlo con la historia de la arquitectura, en la que empezamos viviendo en las cuevas que nos venían dadas (como esas «burbujas» de lípidos), pero con el tiempo fuimos desarrollando chozas, casas de barro, de ladrillo… y al mismo tiempo dentro del hogar descubríamos el uso del fuego, de herramientas, etc. Pues aquellas células por puro azar fueron produciendo versiones mejoradas de sí mismas (y también otras peores o simplemente no lo bastantes competitivas que desaparecían), siendo las más exitosas las que iban prosperando e imponiéndose en aquel mundo, mejorando sus membranas y procesos internos. Y la información genética para mantener esos logros se almacenaba en parte de su ARN que actuaba como reserva de información, para ser leído por las ribozimas y ejecutar esos genes ventajosos, simplemente manteniendo puras reacciones químicas favorecidas por las interacciones fisicoquímicas dentro del citoplasma.

Pero había un problema, cuando surgían mutaciones ventajosas, la misma facilidad para mutar del ARN que favorecía su aparición podía hacerlas desaparecer también con demasiada facilidad. Y eso nos lleva al siguiente salto en la evolución.

El mundo ADN

De algún modo meramente accidental, las células empezaron a incorporar desoxirribosas además de ribosas, que formaron estructuras de doble hélice a través de la unión de dos hebras moleculares por puentes de hidrógeno, y así empezaron a formarse las primeras moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico). El código genético ya presente en el ARN se transcribió a ADN a través de la asociación química entre bases que hicieron las ribozimas (guanina por citosina y viceversa, adenina por timina, y uracilo por adenina), y así la información genética pasó a estar contenida también en moléculas de ADN.

Representación de una doble hélice de ADN (fuente: https://genotipia.com/dia-del-adn-25-abril/).

¿Y cómo reemplazó el ADN al ARN como «copia de seguridad» de la información genética? Pues de nuevo la evolución por selección nos puede ayudar a entenderlo. Supongamos que en aquel mundo tenemos de repente dos tipos de células: las que siguen teniendo solo ARN, y las que han incorporado ADN; aunque estas al principio seguían usando tanto ARN como ADN para guardar la información, y sus ribozimas ejecutaban las instrucciones de ambas moléculas, que debería coincidir excepto por su tendencia a diferenciarse por mutación, acentuada en el ARN. Entonces la información valiosa que les ayudase a sobrevivir se podría acabar perdiendo en aquellas que no tenían ADN, por lo que he comentado antes de que la alta tasa de mutaciones en el ARN podría eliminar esos genes ventajosos. Así que las células que incorporaron el ADN se impusieron como los organismos más exitosos, extinguiéndose los demás. Posteriormente podríamos pensar también que aquellas que daban preferencia al ADN sobre el ARN a la hora de «leer» esos genes también tuvieron ventaja y se impusieron también sobre cualquier otra variante en que el ARN mantuviese un papel de reservorio de información. O como dice el refrán, «donde manda capitán no manda marinero», y así la mayor estabilidad del ADN frente a las mutaciones hacía que los genes ventajosos obtenidos precisamente por mutación azarosa se mantuviesen de manera más duradera, por lo que las células que «obedecían al ADN» de manera prioritaria leyéndolo para ejecutar sus instrucciones, podría decirse que «eran barcos gobernados por un patrón más fiable», así que mientras las demás naufragaban en el mar de la lucha por la supervivencia, estas nuevas versiones de la vida se impusieron con su nueva tecnología molecular.

El mundo proteico

La siguiente gran revolución de la vida llegó con la sustitución de las ribozimas por las enzimas de origen proteico, que a su vez quedaron ligadas al código genético con una traducción degenerada en la que varios codones de bases distintos equivalen a un mismo aminoácido proteico (como explico también en esta entrada). Este suceso también tuvo que ser un mero accidente; hoy en día conocemos lo que existe y nos preguntamos cómo pudo aparecer, aunque la cuestión quizá no es tan compleja como podamos pensar. Si bien el conjunto de mecanismos moleculares específicos que dieron lugar a las moléculas y procesos bioquímicos actuales pueden ser complejos, debemos estudiarlo siempre a través del prisma revelador de la evolución: no tuvieron por qué ser los únicos cambios que surgieron, pudo haber otros, que simplemente no fueron tan exitosos y desaparecieron. Así pues, entre todos los posibles cambios, y todos los que puede que sufriesen aquellas células, uno fue incorporar proteínas. Y esto resultó enormemente ventajoso para las células, por la gran cantidad de funciones que adquirieron, convirtiéndose en armas definitivas en la guerra por la supervivencia: aportaban apoyos estructurales a la membrana, facilitaban ciertos procesos, y sobre todo, surgió un tipo de proteínas, las enzimas, que también catalizaban las reacciones químicas, pero de un modo mucho más eficaz que las antiguas ribozimas. Por supuesto los diferentes tipos de proteínas pudieron surgir en diferentes momentos, incluso en diferentes líneas celulares que mezclasen sus genes por un proceso de transferencia horizontal o transgénesis natural (podéis leer más sobre estos procesos en esta entrada sobre transgénicos y esta otra entrada sobre virus).

Y al ser las proteínas un avance tan exitoso, especialmente las enzimas, reemplazaron a las ribozimas de ARN como maquinaria encargada de catalizar las reacciones químicas celulares. Por eso las células que incorporaron estos saltos evolutivos fueron tan tremendamente exitosas, y las anteriores versiones desaparecieron. Hasta el punto de que las ribozimas, que podrían haber sido tan frecuentes en el pasado, pasaron a ser tan escasas que los biólogos moleculares tardaron bastante en encontrarlas para probar su existencia.

La cuestión del orden de aparición de las moléculas

No obstante, cabe señalar que existe debate sobre si las proteínas se incorporaron después o antes que el ADN, dado que hoy en día ambas moléculas se necesitan mutuamente: las proteínas son las que «construyen» las moléculas de ADN, pero el ADN tiene la información para que esas proteínas sean a su vez construidas. Yo he optado por presentarlo en un orden concreto para facilitar la lectura de los no expertos, antes de hacer estas matizaciones, pero el orden concreto de estos sucesos es un debate que sigue abierto entre los expertos.

En cualquier caso, lo arriba explicado vale igualmente si invertimos el orden, y asumimos que desde el mundo ARN se pasó a un mundo proteico, y posteriormente las enzimas contribuyeron a la aparición del ADN. Pero a mí en la carrera de biología me lo explicaron en el mismo orden en que lo he contado aquí, así que a falta de un criterio mejor y evidencias sobre la resolución de tal cuestión, elijo mantener el orden ARN-ADN-proteínas.

Y con todo lo explicado anteriormente, se pueden entender las cuestiones que nos inquietaban. Cómo pudo surgir la vida a partir de simples lípidos y moléculas de ARN, cómo la evolución contribuyó a mantener a las células más exitosas fomentando su continuo mejoramiento, cómo la función de almacenamiento de información fue acaparada por el ADN al surgir, cómo las proteínas (y especialmente las enzimas) cambiaron la mecánica celular, y por tanto cómo el ARN, otrora la molécula por excelencia de la vida, quedó relegada a funciones menos dominantes, como servir de mensajero entre el ADN y las enzimas. Pero también por qué el ARN es la molécula que conecta tanto al ADN como a las enzimas, porque ambas se construyeron partiendo de las bases originales del ARN.

Esto nos permite explicar, de un modo muy convincente y totalmente factible, que la vida se originó por pura química, y unos principios tan sólidos y espontáneos como son la evolución por deriva genética y por selección natural contribuyeron a ir modificando la vida, hasta convertirla en lo que es hoy.

Concluiré con la anécdota de lo que sucedió cuando Pierre-Simon Laplace (astrónomo y matemático francés, 1749-1827) le presentó a Napoleón Bonaparte su libro ‘Tratado de Mecánica Celeste’. Napoleón le comentó «Habéis escrito un libro sobre el sistema del Universo, sin haber mencionado ni una sola vez a su Creador”, a lo que Laplace contestó «No he necesitado esa hipótesis, Sire

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