Encontrar la receta para la vida en la Tierra Understand article

Traducido por Francisco Javier Gil y Gabriel Pinto (Universidad Politécnica de Madrid). Hubo tres factores clave para el desarrollo de la vida en la Tierra, pero ¿cuál de ellos se dio primero? Estudios recientes podrían ayudar a resolver este debate.

Párate por un momento para meditar sobre ti mismo: piensa en tus ojos leyendo estas palabras, tu cerebro absorbiendo la información, y tu cuerpo conteniendo y dando energía a estos órganos. Pregúntate: ¿cómo es posible que esta compleja maquinaria bioquímica que somos haya llegado a existir? Es una pregunta profunda que ha interesado durante siglos a los científicos. Charles Darwin aportó una respuesta parcial a esta cuestión con su teoría de la evolución, detallando cómo cada especie emergió a partir de otra anterior.

Si seguimos la pista de la evolución lo suficientemente atrás en el tiempo, llegamos a un punto en el que las células tuvieron que aparecer por primera vez, es decir, se produjo el origen de la vida, que tuvo lugar hace unos cuatro mil millones de años. Hoy en día, los investigadores siguen tratando de resolver el puzle que supone averiguar exactamente cómo sucedió esto; sin embargo, hace tanto tiempo que es una tarea muy difícil.

 

Artwork depicting the formation of protocells in the early history of life on Earth
Ilustración que representa la formación de protocélulas en los primeros momentos de vida en la Tierra.
Richard Bizley/Science Photo Library
 

Comparar las formas de vida actuales en la Tierra proporciona argumentos sólidos acerca de cómo fue originada. Los humanos somos más parecidos a los árboles, insectos, bacterias y otros seres vivos de lo que puede parecer en un principio, en tres importantes aspectos. En primer lugar, todas las especies emplean moléculas similares para traspasar información genética: ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN). En segundo lugar, las células de las distintas especies tienen una apariencia más o menos parecida, compartiendo incluso los organismos unicelulares las características de las células de organismos mayores. Por último, el modo en que todas las células obtienen la energía que necesitan para sus procesos bioquímicos a través del metabolismo es muy similar. Estos argumentos hacen pensar que los elementos clave necesarios para el desarrollo de la vida en la Tierra fueron tres: ácidos nucleicos (ARN y/o ADN); una membrana, compartimento u otro modo de retener los contenidos de la célula; y el metabolismo.

Los investigadores ofrecen continuamente nuevas ideas sobre cómo pudo originarse la vida, pero una cuestión muy discutida en todas ellas siempre ha sido cuál de estos tres factores clave surgió primero. Recientemente, sin embargo, ha aparecido una nueva teoría capaz de resolver este debate: ¿y si en realidad los

Experimentos de la Tierra primitiva

Sabemos desde hace tiempo que las moléculas orgánicas pueden ser producidas artificialmente bajo las mismas condiciones que se podrían haber dado en la Tierra primitiva. El primer paso más conocido a la hora de entender cómo emergió la vida lo dieron Stanley Miller y Harold Urey con su experimento realizado en 1952 (Miller, 1953). Al generar chispas eléctricas en matraces que contenían agua, amoniaco, metano e hidrógeno se produjeron algunas sustancias orgánicas, incluyendo aminoácidos. Aun así, este experimento fallaba a la hora de explicar muchas de las cuestiones relacionadas con el origen de la vida, ya que no producía otras moléculas biológicas importantes, como los ácidos nucleicos.

Illustration of Miller and Urey’s 1952 experimental setup
Ilustración del montaje experimental de Miller y Urey en 1952
Nicola Graf
Water vapour: Vapor de agua;
Electrode: Electrodo;
Condenser: Condensador;
Cold water: Agua fría;
Cooled water containing organic compounds: Agua con compuestos orgánicos;
Sample for chemical analysis: Muestra para el análisis químico

A principios de los años 80, Tom Cech y Sidney Altman consiguieron el premio Nobel por el descubrimiento de enzimas hechas de ARN, llamadas ribozimas. Debido a que el ARN puede codificar información genética y las ribozimas pueden manipularla, estos científicos sugirieron que el ARN pudo haber hecho posible la vida por sí mismo, antes de que se dieran los otros factores mencionados. Esta idea se conoce como la hipótesis “ARN-primero” (‘RNA-first’).

John Sutherland, que actualmente trabaja en el Laboratorio de Biología Molecular del Medical Research Council (MRC) en Cambridge, Reino Unido, es una de las personas que han hallado evidencias a favor de esta hipótesis. En 2009, su equipo mostró como un ribonucleótido podía formarse bajo condiciones similares a las que se cree que existieron en la Tierra primitiva (Powner et al., 2009).

El equipo de Sutherland buscó entonces una mejor manera de producir azúcares de ribosa. Los investigadores habían demostrado que se podía fabricar a partir de formaldehído, pero este camino era “realmente trabajoso y complicado”; según el propio Sutherland. Su equipo investigó una ruta alternativa empleando únicamente cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y luz ultravioleta. Además de azúcares de ribosa, produjeron más de 50 moléculas diferentes, incluyendo algunas que podrían ayudar a formar aminoácidos, que, a su vez, podrían ensamblarse para formar las proteínas que forman la estructura física y las enzimas de las células vivas. Crear azúcares y aminoácidos al mismo tiempo es un gran avance, ya que las células actuales descomponen los azúcares durante el metabolismo para obtener la energía que necesitan (Ritson & Sutherland, 2013).

En 2015, el equipo del MRC demostró que el mismo sistema químico da lugar a moléculas grasas que pueden formar las paredes exteriores de las células, definiendo su forma (Patel et al., 2015). El sistema tiene también similitudes con el propio metabolismo. “Se están consumiendo moléculas pequeñas y se están creando otras más grandes” comenta Sutherland. “Esto sugiere que todos los subsistemas pudieron surgir al mismo tiempo”.

A continuación, Sutherland y sus colegas publicaron un estudio en 2019 sugiriendo que el ARN y el ADN pudieron haber aparecido al mismo tiempo, poniendo así en duda la hipótesis ‘ARN-primero’ (Xu et al., 2019).

Artwork showing an evolving protocell. Fatty acids (blue molecules with spherical heads) form an outer membrane
Ilustración que muestra una protocélula evolucionando. Los ácidos grasos (moléculas azules de cabeza esférica) forman una membrana externa.
Henning Dalhoff/Science Photo Library

Lugares de origen

Al igual que Sutherland, Frances Westall, del Centro de Biofísica Molecular de Orleans, Francia, cree que estos tres factores esenciales para la vida se dieron lugar al mismo tiempo por una cuestión de suerte. Bajo su punto de vista, las reacciones necesarias habrían ocurrido en las superficies de los minerales. Químicos de su equipo hablan de una “protocélula” con maquinaria metabólica y con ARN contenido en una minúscula bolsa mineral. En algún momento, las moléculas de grasas lipídicas habrían formado una pared externa alrededor de esta bolsa, dándole a las células la forma que conocemos hoy en día. “Dependiendo del medio,” dice Westall, “las concentraciones de lípidos, proteínas y ARN en matrices minerales porosas podrían haberse juntado para formar una célula con una membrana.”

Westall y otros están buscando el lugar en el que se originó la vida, estudiando los poros de los minerales en los respiraderos de las aguas profundas, que expulsan fluido alcalino caliente al exterior. Su equipo y ella han encontrado posibles ejemplos en rocas de Sudáfrica (Westall et al., 2018). “Aunque las temperaturas en los respiraderos puedan ser superiores a 300ºC, demasiado altas para preservar proteínas y otras moléculas esenciales, la temperatura del agua en el exterior es de 2ºC”, afirma Westall. El gradiente de temperatura facilita el flujo de agua y el movimiento de los componentes de alrededor, pudiendo también ayudar al impulso del metabolismo. Tal y como explica Westall, “los conductos de los respiraderos están llenos de minerales reducidos que pueden ser oxidados proporcionando energía a las reacciones prebióticas, y de superficies capaces de concentrar los compuestos orgánicos, así como otras estructuras y formaciones”. Otros investigadores han sugerido también que en este tipo de ambientes, es posible que las bombas iónicas celulares (proteínas que regulan el flujo de iones a través de las membranas celulares) hayan podido evolucionar (Lane & Martin, 2012).

Evidence of Earth’s earliest life forms has been found in hydrothermal vents
Se han constatado indicios de las primeras formas de vida en la Tierra en respiraderos hidrotérmicos
NOAA/Wikimedia Commons, dominio público
 

Aun así, la búsqueda de lugares con la química y energía adecuadas para permitir el metabolismo y la formación de células incluye también zonas volcánicas costeras, balsas de piedra pómez que flotan en el océano y géiseres. Una idea algo más especulativa es incluir también en esta lista a los meteoritos: en 2014 se descubrió que rocas procedentes del cráter de Ries (de 24 km de ancho), en el sur de Alemania, que se formaron hace aproximadamente 14,6 millones de años por el impacto de un meteorito, contenían formaciones microscópicas de aspecto tubular, que fueron relacionadas con actividad biológica (Sapers et al., 2014). Estos túbulos son similares a rastros fósiles de microbios encontrados en vidrio volcánico, lo cual sugiere que el agua que circulaba a través de las rocas podría haber permitido ser colonizadas por los microbios. De este modo, algunos investigadores creen que túbulos similares, formados hace miles de millones de años por impactos de otros meteoritos, pudieron haber ofrecido un hábitat viable para las primeras formas de vida.

Ciencia singular

Westall compara la combinación de los diferentes elementos necesarios para el origen de la vida a la preparación de recetas de cocina. “Si quieres conseguir el pastel perfecto, tienes que usar la cantidad exacta de cada ingrediente, además de la temperatura y tiempo de cocinado adecuados”, afirma. “Por otro lado, si te sientes con ganas de experimentar, también puedes cambiar los ingredientes y sus cantidades, la temperatura y el tiempo y ver lo que resulta”.

Según Westall, la idea de que los tres factores críticos para la vida surgieran simultáneamente se parece más al segundo enfoque, y es un tipo de ciencia inusual. “Tratar de realizar los experimentos en un escenario realista donde solo te quedas con todos los ingredientes en un contexto que no se puede controlar, que se ejecuta por sí solo, es realmente aterrador para los químicos», dice. “Si sucede algo interesante, es más difícil determinar el qué y el porqué. Pero ese es el camino a seguir ahora.»

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Resources

Author(s)

Andy Extance es un escritor científico que vive en Exeter, Reino Unido. Sus artículos exploran todo lo relacionado con la química, desde el medio ambiente de la Tierra al espacio, desde los alimentos a la fusión nuclear, y desde las celdas solares al funcionamiento de nuestro sentido del olfato.


Review

En la mayoría de los libros de texto escolares, en la sección dedicada a los orígenes de la vida, las referencias se limitan únicamente al famoso experimento de Stanley Miller y Harold Urey en el año 1952. Desde entonces, se han hecho más experimentos, y está claro que el origen de la vida será siempre una cuestión de interés para la comunidad científica.

Este artículo, que explora diversas teorías sobre el origen de la vida, puede emplearse de diferentes maneras, bien como un ejemplo de cómo evoluciona la ciencia mientras las preguntas de investigación básica permanecen, bien para explicar las teorías científicas relacionadas con los seres vivos. Será un viaje a través del tiempo, el espacio y el mundo de las grandes preguntas de investigación.

Algunas preguntas de comprensión podrían incluir:

  • ¿Cuándo se cree que se originó la vida en la Tierra?

  • ¿Cuáles son los tres factores que se consideran fundamentales para el surgimiento de la vida?


Panagiotis K Stasinakis, profesor de biología y director del Ampelokipoi Laboratory Centre for Natural Sciences (EKFE), Grecia




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