NeoFronteras

Pistas sobre el origen de la vida

Área: Biología,Paleontología — Martes, 6 de Enero de 2009

Un par de equipos de investigadores nos dan nuevas pistas sobre cómo y por qué podría haber surgido la vida.

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Pocas cosas son más interesantes y tan difíciles de saber como el origen de la vida. Desde que hace ya décadas, gracias al experimento de Miller y Urey, sabemos que es fácil conseguir los bloques orgánicos constitutivos de las moléculas de la vida. Incluso recientemente un análisis de las muestras dejadas por Miller procedentes de experimentos realizados en los cincuenta desveló alguna sorpresa. En esa época Miller realizó unos experimentos con una mezcla de gases similares a los gases volcánicos, pero no se sabe por qué no publicó nada al respecto. El análisis realizado en 2008 realizado con máquinas modernas, revelaba que se formaron 22 aminoácidos (bloques que forman las proteínas), 5 aminas y muchas otras moléculas formadas por radicales hidroxílicos.
Pero el paso siguiente, conseguir una molécula que porte información y se autorreplique es mucho más difícil. Al igual que los pasos que se dieron después hasta conseguir la primera célula.
Quizás no dispongamos de los cientos de millones de años que uso la Naturaleza o de un laboratorio de tamaño planetario repleto de moléculas orgánicas. Sin embargo, se sigue investigando en el tema. No es fácil describir los innumerables pasos que fueron necesarios, pero la descripción de alguno de ellos o la descripción de las reglas básicas detrás de todos ellos quizás sí sean útiles. Un par de equipos de investigadores nos dan nuevas pistas sobre cómo y por qué podría haber surgido la vida. En el primer caso desde el punto de vista experimental y en el segundo desde el punto teórico más básico.

Se cree que la primera molécula autorreplicante consistiría en ARN, pero no se sabe cómo podría haber evolucionado hasta tener un significado biológico. El equipo de Ernesto di Mauro del Istituto Pasteur-Fondazione Cenci-Bolognetti ha realizado un experimento que intenta responder la pregunta de cómo las moléculas orgánicas primitivas de ARN se ensamblaron para producir los cimientos de la vida. Concretamente, cómo unos trozos se fueron juntando hasta obtener una molécula de ARN con relevancia biológica.
El ARN crece mediante la adición de una nueva base a uno de los extremos de manera encadenada, pero el problema es que en aquella época no había enzimas que catalizaran esta reacción. Aunque el ARN puede crecer desde tamaños pequeños sin la presencia de enzimas lo hace de una manera tan lenta que nunca alcanza una longitud lo suficientemente larga. Además, sus extremos pueden unirse entre sí e impedir que se añadan más bases. Estos investigadores se plantearon si habría algún mecanismo que superara esta barrera termodinámica. Para ello cultivaron pequeños fragmentos de ARN en agua a diferentes temperaturas y grados de acidez.
Encontraron que bajo condiciones favorables, consistentes en una temperatura por debajo de 70 grados centígrados y un medio ácido, trozos de ARN de entre 10 y 24 bases se ensamblaban espontáneamente en el transcurso de 14 horas. Los fragmentos eran de doble hebra con los extremos unidos entre sí y no tenían el mismo tamaño, situación similar a la que se encontraría en el medio natural. Además, vieron que la reacción era más eficiente cuando mayor era el tamaño de los fragmentos hasta que decaía cuando se alcanzaban las 100 bases.
Esta fusión espontánea podría ser un sistema simple mediante el cual el ARN superó la barrera inicial para crecer y así adquirir un tamaño con relevancia biológica, de unas 100 bases. A partir de ese tamaño las moléculas de ARN pueden ser funcionales y plegarse en estructuras tridimensionales.

En otro estudio reciente Arto Annila de la Universidad de Helsinki y Erkki Annila del Instituto de Investigación de los Bosques Fineses dan pistas sobre las fuerzas termodinámicas que pudieron determinar el origen de la vida.
Todos los organismos están compuestos por moléculas que se ensamblan gracias numerosas reacciones químicas. Según el calor fluye de los focos cálidos a los fríos la termodinámica nos dice que estas moléculas obedecen la tendencia natural de disipar la diferencia de energía. Por tanto, las reacciones que se favorecen son las que disminuyen la energía del sistema hasta que se alcanza el estado estable o equilibrio químico.
Aunque estos autores no especifican las reacciones químicas implicadas que dieron origen a la vida, explican que las moléculas implicadas sufrieron una serie de reacciones cada vez más complejas para así minimizar la diferencia de energía entre la materia terrestre y la energía procedente del Sol. Finalmente el proceso avanzó tanto que dio lugar a las estructuras funcionales sofisticadas que llamamos seres vivos.
Según los autores la idea más importante del estudio es no hacer la distinción entre materia animada e inanimada, y que los procesos de la vida no son diferentes de otros procesos naturales.
El estudio fue publicado en International Journal of Astrobiology y en él se considera que la sopa primordial contenía los elementos básicos que reaccionaban entre sí y con una fuente externa de energía como el Sol. Los compuestos obtenidos formaban sistemas químicos que iban ensamblándose entre sí, prosperando los que capturaban y distribuían más y mejor la energía solar en busca del estado estable, en una suerte de selección natural. El proceso evolutivo no era (ni es) determinista, siendo incluso caótico, ya que los flujos de energía crean diferencias de energía que afectan los propios flujos.
Gracias a las variaciones al azar se conseguían compuestos novedosos que podían emerger del sistema primordial. Algunos de esos compuestos podrían haber sido excepcionalmente buenos creando flujos de energía, permitiendo al sistema disipar diferencias de energía de forma más eficiente y alcanzar altos niveles de entropía. Este tipo de compuestos ventajoso podrían haber ganado la competición sobre los demás en el periodo de evolución química. Pero estos científicos afirman que identificar estos compuestos será muy difícil. Explican que su estudio pretende explicar por qué surgió la vida pero no cómo lo hizo.
Según ellos lo más relevante es el hecho de que la tendencia física a disipar diferencias de energía no distingue entre materia animada de la inanimada. El orden y complejidad que caracteriza los sistemas biológico modernos no tiene valor por sí mismos, sino que su estructura y organización jerárquica emergió y se desarrollo porque proporcionaba modos hacia un aumento del flujo de energía.
Como ejemplos los investigadores citan el código genético, que podría haber servido como mecanismo de aumento de la entropía, aumentando el flujo de energía hacia un aumento de la entropía. Los organismos complejos actuales tienen un metabolismo celular que es otro sistema que aumenta la entropía y disipa energía en el ambiente. La cadena alimenticia de un ecosistema sería otro ejemplo.
La vida sería una cosa natural que emergería simplemente para satisfacer leyes de la Física básica. Por así decirlo, nuestro propósito como seres vivos sería distribuir la energía sobre la Tierra, energía proveniente de la gran diferencia de energía potencial entre el Sol y el frío espacio. Los organismos evolucionan por selección natural, pero a un nivel más básico la selección natural estaría dirigida por un principio termodinámico: aumentar la entropía y disminuir las diferencias de energía.
Los procesos naturales a partir de los cuales la vida emerge son los mismos procesos que mantienen a la vida funcionando en todas las escalas temporales. Desde el punto de vista termodinámico no habría un momento especial a partir del cual la vida surgió y no habría forma de distinguir el momento en el cual se paso de la materia inanimada a la animada.
Arto Annila añade que la búsqueda de un momento concreto para el origen de la vida parece un intento fútil porque la vida en su totalidad es un proceso natural que, según la segunda ley de la termodinámica, no define un comienzo. “Preguntar cómo comenzó la vida sería lo mismo que preguntar cuándo y dónde el primer soplo de viento que agitó la superficie de una laguna”, añade.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (resumen).
Artículo original.

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8 Comentarios

  1. lluís:

    ¿Por qué hay algo en lugar de nada? Pues está bien claro: para satisfacer la Segunda Ley de la Termodinámica. Pero esta segunda ley se aplica en sistemas aislados. El sistema Sol-Tierra no parece un sistema aislado.

  2. RicardM:

    Lluis, si no he entendido mal el artículo, no se habla del sistema tierra-sol sino de la “distribución” de la energia que llega a la Tierra, con independencia de su origen, aunque mayoritariamente provenga del sol. La conclusión a la que se llega es importante porque sugiere que la aparición de la vida es termodinámicamente inevitable. Se parece mucho a una receta de cocina simple. Ténganse todos los elementos químicos básicos de un planeta recién formado y aplíquese radiación electromagnética potente durante un montón de años. Al final seguro que obtenemos algún tipo de vida. La evolución posterior dependerá de las características concretas del planeta.

    Saludos y buen año nueve/o.

  3. lluís:

    Estoy de acuerdo contigo, RicarM, en que la conclusión de la inevitabilidad termodinámica de la vida parece importante. No me disgusta en absoluto esa idea, pero, tal como lo veo si “si nuestro propósito como seres vivos sería distribuir la energía en la Tierra, proveniente de la gran diferencia de energía potencial entre el Sol y el espacio frío”… pues tenemos un sistema “Sol-espacio frío-seres vivos (Tierra)” y esto no me parece un sistema aislado, que es donde se cumple la 2ª Ley. Y, es que en la naturaleza lo que son sistemas aislados no se verlos. Quizá todo el Universo sea un sistema aislado.

  4. NeoFronteras:

    Vamos a ver, estrictamente hablando los sistemas aislados no existen, al igual que los objetos puntuales de masa nula y otras idealizaciones que la Física necesita en sus modelos de realidad. No hay que confundir modelos de realidad con la realidad misma.
    Pero esos modelos se pueden aplicar más o menos bien a la realidad aunque ésta no cumpla estrictamente con todas las premisas a la perfección. Por eso aplicamos la ley del cuerpo negro a las estrellas, aunque no lo sean del todo. Además, la única manera de decir algo sobre un sistema es aplicar el paradigma que ya conocemos (o alternativamente construir otro nuevo).
    La Termodinámica se desarrolló para las máquinas de vapor, aunque una máquina de vapor no sea una máquina de Carnot o tan siquiera un sistema aislado.
    También existe una Termodinámica que se aplica a sistema abiertos y para sistemas fuera del equilibrio. Para el resto se puede aplicar la tradicional sin muchos problemas.
    Añadamos que los principios termodinámicos son postulados y como tales indemostrables. Los asumimos como verdaderos porque nunca se ha visto que se violen.
    Por último, los seres vivos son máquinas térmicas que se aprovechan de una manera u otra de dos focos, uno frío y otro cálido (el Sol y el frío espacio). Si tenemos en un lugar una sopa primordial con agua líquida a la temperatura adecuada, pero sin dos focos térmicos no se obtendrá nada. No hay manera de producir trabajo y por tanto no habrá posibilidad de obtener algo ni medianamente complejo. Es el gran problema de la luna Europa o de Encelado como posibles hábitats de vida: el agua líquida no garantiza nada (es condición necesaria pero no suficiente).

  5. RicardM:

    Gracias Neo por la aclaración. Hace mucho tiempo (demasiado) que no presto atención a este campo de la física.

  6. lluís:

    Y, LUCA, ¿Qué piensa de todo esto? ¿Piensa LUCA que la búsqueda del origen de la vida, parece un intento fútil? No lo sé. Habrá que preguntárselo.

  7. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Quizás el último párrafo estaba mal expresado, se ha rescrito para así transmitir mejor la idea original del investigador en cuestión.

  8. tomás:

    Muy estimado Neo:
    Me parece un interesantísimo artículo, sobre todo al exponer la idea de que bajo el origen de la vida subyace un fenómeno de lo más básico y natural. Se haya dado de la forma que sea, en el lugar más particular o, por el contrario, en grandes superficies favorables, es lógico e imprescindible que haya obedecido una de las leyes más fundamentales de la física, aunque no haya sido demostrada: el ineludible incremento de entropía.
    Muy posiblemente haya cierta razón al decir -penúltimo párrafo- que “desde el punto de vista termodinámico no habría… distinguir el momento…”. Sin embargo es evidente que sí hubo un proceso, antes del cual la materia era claramente inanimada, incluso desde el punto de vista termodinámico y, luego, manifiestamente viva.
    Se citan dos ejemplos: el metabolismo celular de los organismos complejos y la cadena alimenticia de un ecosistema. Voy a permitirme una analogía, consciente de su imperfección: un edificio, aparentemente, viola la ley por el “orden” conseguido en él si no se tiene en cuenta el incremento de entropía de la cantera, por citar una actividad importante. La suma de todos los incrementos que generan todas las actividades, supera con creces el decremento del edificio. Este sería la materia viva en la correlación. Sin embargo ha sido preciso el “catalizador” de la actividad humana. Echo en falta ese catalizador que creo imprescindible, porque así como el edificio no hay manera de que se haga a sí mismo, ni tampoco el proceso total, aunque aumente la entropía del todo, pienso que ese aumento de orden en el ser vivo no se va a dar a costa del entorno si no añadimos algo que lo inicie, tal como la chispa o el catalizador en una reacción 2H2 + O2 a temperatura ambiente o ese enzima para el ARN.
    Me gustaría saber si estoy en lo cierto.
    Soy consciente de que mi comentario puede ser aprovechado por creacionistas, pero de ese peligro no hay quién se libre y, si echamos mano de la Navaja de Occam, es más sencilla, próxima y demostrable la acción de un catalizador o el enzima en las reacciones que la de uno o varios dioses creadores. Espero que este razonamiento sirva para mantenerlos ausentes.
    Un afectuoso saludo.

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