aula permanente de formación abierta

El origen de la vida: teorías y escenarios
Juan Antonio Aguilera Mochón
(Universidad de Granada)
Toledo, 16 de Noviembre de 2006
1. Introducción
Acaso el origen de la vida sea el salto cualitativo más trascendente de nuestra
historia, después del propio origen del Universo, claro (¿por qué hay algo en lugar
de nada?). Incluso la aparición de la inteligencia humana no se nos resiste tanto
como la aparición de la vida a partir de materia "inerte".
Tiene una particularidad respecto a otros "orígenes", como el del Universo o el
del Sistema Solar, que también fueron eventos históricos que ocurrieron de una
vez para siempre: los sucesos relevantes entran en el rango de la química y
podemos intentar repetirlos en el laboratorio. No parece haber nada esencial que
impida que un día lleguemos a sintetizar seres vivos a partir de sustratos inorgánicos en el laboratorio. No todos los científicos están de acuerdo: para Jacques
Monod (premio Nobel en 1965), la aparición de la vida fue un suceso tan
improbable que no podemos confiar en repetirlo: nos tocó, según él, el premio
gordo de la lotería universal.
A pesar de aquel aspecto favorable (la posible reconstrucción de los
hechos en el laboratorio), es del origen que menos sabemos. Piénsese en la
enorme dificultad de recrear lo que ocurrió hace quizás 4.000 millones de años.
Sin embargo, los físicos son capaces de hablarnos de lo que ocurrió ¡en los
primeros segundos de la historia del Universo... hace unos 13.700 millones de
años! ¿Qué pasa con el origen de la vida? Que no sólo fue hace mucho tiempo,
sino que de lo que hay que dar cuenta es
muy complejo, y no tenemos de momento
más ejemplos de vida que estudiar...
De las posibles respuestas iniciales que vemos en el recuadro, las dos
últimas son las que tienen credibilidad
científica, y la última es la más fructífera...
2. Planteamiento del problema: el origen de los seres vivos
actuales
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El preguntarnos por nuestro origen nos lleva a nuestros antepasados, a
ancestros cada vez más remotos. Retrocediendo miles y miles de generaciones,
en millones de años, veríamos que tenemos antepasados comunes con los
chimpancés... con todos los animales... con las plantas... ¡e incluso con las
bacterias! Podemos construir árboles genealógicos de todos los seres vivos
basados en el parecido de las moléculas informativas: ácidos nucleicos y
proteínas.
Esto es posible porque somos muchos y muy diversos los seres vivos,
pero tenemos suerte: en el funcionamiento básico de todos se aprecian unos
notables "denominadores comunes esenciales". Concretamente, todos:
 Funcionamos a costa del trabajo de unas proteínas que aceleran las
reacciones metabólicas: las enzimas. Todas ellas formadas inicialmente a
partir de 20 aminoácidos.
 Su funcionamiento y su reproducción dependen, y están dirigidos, por la
información genética almacenada en los ácidos nucleicos, en ADN
generalmente. Esa información se traduce en proteínas con la necesaria
participación de otros ácidos nucleicos, los ARN. En esa traducción hay un
código genético casi común.
 Tenemos una estructura celular: aquellos ácidos nucleicos, proteínas, etc.,
están englobados dentro de una membrana de proteínas y lípidos. Pero no
todas las células son iguales: hay procariotas (las bacterias y las llamadas
arqueas) y eucariotas (con núcleo, mitocondrias, etc.). Sin embargo, en la
actualidad está más que demostrado que la organización eucariota procede
de una asociación (simbiosis) entre procariotas ancestrales.
A menudo se hace referencia a estos denominadores comunes como "la
unidad bioquímica de los seres vivos".
Esa extraordinaria unidad nos lleva a la muy probable existencia de un
antepasado común de los organismos actuales: el llamado LUCA (Last Universal
Common Ancestor). Que sería un procariota (célula sin núcleo) con los
denominadores comunes citados.
Estudios recientes hablan de un
LUCA con unos 600 genes. Pero
quizás el LUCA fuera una población
heterogénea
con
abundante
transferencia (‘lateral’) de genes
entre ellos.
Entonces, al preguntarnos por
nuestro origen, en realidad también
LUCA
queremos saber el de todos los
seres vivos actuales, acaso unas 30 millones de especies... y el de los seres
vivos pasados y extinguidos. Además, hay que tener presente que los
organismos sólo pueden subsistir dentro de un sistema ecológico global: la Tierra.
La biosfera no se entiende si no es en íntima conexión con la atmósfera, la
hidrosfera y la litosfera.
Pero atención: ese ancestro común del que divergieron todos los organismos
no tiene que ser necesariamente el ser vivo más antiguo de nuestra ascendencia.
Por tanto, el camino a recorrer en nuestro estudio es:
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Situación de partida --> 1º "ser vivo" (capaz de evolucionar por selección
natural) ---> antepasado común = LUCA.
3. El estudio del problema
¿Qué se puede hacer para averiguar lo que pasó entre la situación de partida
y el LUCA? Necesitamos saber todo lo posible de esos dos estados.
E interrogarnos por la situación de partida nos lleva a la pregunta: ¿cómo
era la Tierra cuando apareció la vida?
Que a su vez nos lleva a otra: ¿cuándo apareció la vida?
¿Cómo saberlo?: buscando fósiles.
¡Se han hallado fósiles microscópicos de 3.500
millones de años de antigüedad en el oeste de Australia!
Aunque trabajos como los de Juan Manuel García Ruiz
ponen en entredicho su origen biológico.
¿Cómo era la Tierra en esa época o unos millones
de años antes? El Sistema Solar se formó a partir de un
material "de desecho" procedente de anteriores estrellas.
La vida sólo puede fabricarse a partir de material reciclado.
¿La razón?: los elementos (átomos) pesados necesarios
para la vida sólo se forman en el corazón caliente de
supernovas. Somos polvo de estrellas reciclado.
Hace 4.550 millones de años se formó, a partir de
una nebulosa de polvo y gas, la Tierra por "acreción de planetesimales", por
agregación gravitatoria de cuerpos de diverso tamaño.
Hasta hace 4.200 millones de años, la Tierra tendría una superficie
fundida, magmática, infernal. Después, ya habría posibilidad de formación de una
corteza sólida, y de que existiera agua líquida. Aunque hasta hace 3.900
millones de años estaríamos en la época del "Gran Bombardeo Meteorítico"...
Entonces, hace 3.900 millones de años, tendríamos un planeta
suficientemente enfriado para albergar una litosfera (corteza), hidrosfera
(océanos) y atmósfera. ¿Cómo serían estas últimas? La atmósfera inicial, muy
reductora, rica en H2, se perdió en el espacio (viento solar), y fue sustituida por
otra procedente de la desgasificación del interior (que aún sigue): de los volcanes.
Tendría CO2 (anhídrido carbónico), N2 (nitrógeno), H2O (agua)... y menos CO,
NH3 (amoniaco), CH4 (metano)... Y, por supuesto, ¡casi nada de oxígeno (O2)!,
un terrible veneno para la aparición y para el funcionamiento de la vida hasta que
ésta aprendió a usarlo en su provecho.
La extensión de la hidrosfera se desconoce; es probable que la masa de
agua fuese inferior a la actual. De hecho, puede que la masa de los océanos
haya ido creciendo gracias a la llegada de nueva agua procedente de los
cometas que seguirían cayendo, procedentes de la nube de Oort o del cinturón
de Kuiper.
Sería un planeta con mucho más vulcanismo que ahora, de días más
cortos, con la Luna más cerca. Y con un Sol más débil: un 25-30% menos intenso
que el actual. Con una probable frustración del origen de la vida por uno de esos
grandes impactos de meteoritos, que harían hervir los océanos y erosionarían la
atmósfera.
Por el Sol más débil hay un problema: la Tierra debería haberse
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congelado. Sin embargo, nunca ha estado congelado todo el planeta. La
explicación: un efecto invernadero suficiente, debido a más CO2 o a más CH4 y
más NH3 (como propuso Carl Sagan poco antes de morir).
En resumen, la situación de partida consiste en una superficie terrestre en la
que lo más relevante era una atmósfera con CO2, H2O, N2, menos CH4 y NH3...,
por supuesto, sin el terrorífico O2. Con abundante lluvia de cometas y meteoritos.
Con muchos volcanes, en buena parte submarinos. Con una temperatura media
no muy superior ni inferior a la actual, que permitiría la abundancia de agua
líquida.
Lo que vamos a contar ocurrió quizás en poco tiempo (pocos millones de
años). Cabe pensar que los compuestos químicos que había en la Tierra primitiva
reaccionaron originando sustancias cada vez más elaboradas hasta engendrar la
expresión más sencilla de un ser vivo. Este es el concepto de evolución
química, que arranca de los trabajos pioneros del soviético Aleksander Oparin
(1924), sobre todo, y del británico John Haldane (1929). Aunque las hipótesis de
Oparin sólo fueron ampliamente conocidas cuando su segundo libro, de 1936, fue
traducido al inglés dos años más tarde.
Mediante la evolución química, en los mares primigenios se aliñaría una sopa
orgánica capaz de evolucionar hasta dar lugar a unas células simples de las que
derivaría el resto de los seres vivos.
¿Se pueden reconstruir esos hechos? Sí, si tuviéramos los presuntos
productos iniciales y simuláramos el ambiente original.
Esto no se empezó a hacer hasta el año 1952,
cuando Stanley L. Miller comenzaba su tesis
doctoral dirigida por el premio Nobel Harold Urey. Miller diseñó un aparato en el que puso una mezcla de
agua, hidrógeno, amoniaco y metano. Con un
mechero Bunsen hirvió el agua del matraz. Produjo
"relámpagos", no sin temor, en forma de descargas
eléctricas de 60.000 voltios. Tras una semana
analizó los productos: Miller encontró en su aparato
¡varios aminoácidos!
El extraordinario experimento (publicado en el número del 15 de Mayo de
1953 de la revista Science) supuso un gran apoyo al concepto de evolución
química. Y Miller sigue siendo un líder en estas materias.
En 1961, Joan Oró consiguió formar adenina, esencial para la formación de
ácidos nucleicos. Se han hecho ya miles de experimentos de simulación de las
condiciones de la Tierra primitiva, empleando las fuentes de energía más probables: radiaciones ultravioleta, descargas eléctricas, calor, impacto de objetos. De
esa multitud de experimentos puede extraerse una conclusión muy interesante: el
ácido cianhídrico (HCN) y el formaldehído (HCOH) son intermediarios esenciales de esas síntesis. Qué paradoja: uno de los venenos por excelencia, el
cianuro, y un clásico conservante de cadáveres, el formol, hicieron posible la
aparición de la vida.
La validez de los resultados de muchos de esos experimentos se ve
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reforzada por la existencia de materia orgánica en los cometas, en los meteoritos,
en el polvo interestelar... La química orgánica es ubicua en el Universo.
Aunque hubiera una mala síntesis de compuestos orgánicos en la Tierra,
tendríamos muchísima materia orgánica de procedencia extraterrestre: sigue
cayendo a toneladas (sobre todo, en forma de partículas de polvo interplanetario).
Además, la comparación entre los compuestos orgánicos del meteorito de
Murchison (que cayó en Australia en 1969) y los del experimento de Miller revela
unas coincidencias extraordinarias.
En resumen: muchos de los constituyentes básicos de los seres vivos se
encontraban en la Tierra primitiva.
Pero de aquí a los primeros seres vivos y al LUCA hay un largo trecho. Si no,
recordemos un momento:
-Es fundamental para el funcionamiento del organismo ancestral que actúen
las enzimas, largos polímeros de aminoácidos, de estructura compleja.
-Esas enzimas se sintetizan gracias a la información contenida en los ácidos
nucleicos.
-Pero para que los ácidos nucleicos se dupliquen y expresen la información
hacen falta a su vez las enzimas.
Es el problema del huevo y la gallina el que se plantea. Se hace muy
complicado sostener que aparecieran primero las proteínas y luego los ácidos
nucleicos, o al revés: ¡parece que hace falta que se forme todo el conjunto a la
vez! Es algo enormemente improbable que por reacciones químicas "tontas" (sin
mediar procesos evolutivos de tipo biológico) surgieran a la vez el huevo y la
gallina. Parece un callejón sin salida.
Pero apareció una solución inesperada...
4. El "mundo del ARN"
En 1981, Thomas Cech y Sidney Altman (premios Nobel en 1989)
descubrieron que algunos ARN tienen capacidades catalíticas. En otras
palabras ¡que algunos ácidos nucleicos (ARNs) pueden funcionar como enzimas!
Ya no hace falta suponer que surgieron proteínas y los ácidos nucleicos que
las codifican a la vez. Habría un "mundo del ARN", como suele conocérsele, con
ARNs capaces de replicarse y mejorar (evolucionar) en virtud de sus
capacidades. Las enzimas actuales son mayoritariamente proteínas, pero muy a
menudo requieren para su actuación colaboradores, coenzimas, que son como
trocitos modificados de ARN (p. ej., el NAD, el FAD, el mismo ATP): ¿reliquias del
mundo del ARN?
Esa capacidad evolutiva de los ARN favorecería el advenimiento posterior de
las proteínas, aportando nuevas capacidades: pese a todo, siguen siendo
mejores catalizadores que los ARN. Aunque quede por delante el gran problema
de la evolución del aparato de síntesis de proteínas y del código genético, no son
problemas insalvables.
5. El camino hacia el mundo del ARN
La principal dificultad de la historia que nos preocupa gira en torno a ese
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mundo del ARN: no se ha encontrado una forma plausible de alcanzar, por evolución química, partiendo de sustancias simples, la formación de los propios ARN.
-Muchos investigadores piensan que a los ARN debieron precederlos unos
polímeros con capacidades parecidas pero sin los inconvenientes del ARN. Se
están buscando. ¡Y se están empezando a encontrar!: un ejemplo de lo que se ha
encontrado ya son los llamados APN (ácidos nucleicos peptídicos). Los APN se
asocian extraordinariamente formando dobles cadenas, y se asocian al ADN:
tienen también interés terapéutico.
-Otros investigadores buscan reacciones en superficies. Se trata de la
posibilidad de que las reacciones que lleven al ARN ocurran no en disolución,
sino sobre superficies minerales, como las de las arcillas o –como postula
Günter Wächtershäuser– la pirita. Wächtershäuser ha desarrollado una
magnífica hipótesis científica: fácilmente contrastable. Las superficies de pirita en
formación estarían próximas a fuentes termales submarinas. En los fondos
oceánicos, hay surgencias de aguas a altas temperaturas que arrastran gases... y
en sus cercanías hay sorprendentes ecosistemas en ausencia de luz solar:
¿empezaría ahí la vida?
-Dejo para el final otras superficies, más familiares y que seguimos
utilizando: las membranas celulares. Son de fácil formación. Con componentes
del meteorito de Murchison se forman vesículas, que ofrecen grandes
posibilidades de concentración de sustancias interesantes para la vida.
En todas estas posibles soluciones –y en otras– se está trabajando, y
esperamos hacernos una idea cada vez mejor de cómo se originó la vida hace
quizás 4.000 millones de años. Pero ya en pocas décadas hemos aprendido
mucho al respecto, y el origen de la vida no nos parece en absoluto un problema
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sin solución científica. Cuando sepamos más, quizás podamos hacernos una idea
mejor de lo probable o improbable que es la aparición de la vida... y de lo
probable o improbable que es la existencia de vida en otros planetas.
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6. Cronología de la vida en la Tierra
Vamos a señalar algunos de los acontecimientos más importantes de la historia de la vida en la Tierra que condujeron a la aparición de la especie humana,
con sus antigüedades más probables. Si los 4.550 millones de años de esta
historia se comprimieran en uno solo, a cada acontecimiento le correspondería la
fecha que se indica entre paréntesis:

Hace 4.550 millones de años (1 de Enero a las 0.00) se formaron la Tierra y la
Luna (y todo el Sistema Solar).

Hace 3.800 millones de años (28 de Febrero) quizás ya había vida bacteriana
en las aguas. Puede que
hubiera varias formas de
vida compitiendo, pero
prosperó un tipo que es
el antepasado común de
todos los seres vivos que
hoy poblamos la Tierra.

Hace 2.000 millones de
años (24 de Julio) ya
había un 1% de Oxígeno
(O2) en la atmósfera y
aparecieron las células
con núcleo (eucariotas).

Hace 1.000 millones de años (12 de Octubre) se desarrollaron los primeros
organismos pluricelulares, antepasados de plantas y animales.

Hace 350 millones de años (3 de Diciembre) podrían verse los primeros vertebrados que se aventuraron fuera de las aguas. A partir de ellos evolucionaron anfibios y reptiles, y a partir de éstos, mamíferos y aves.

Hace 65 millones de años (26 de Diciembre a la 19.00) se extinguieron los
dinosaurios (en realidad, en toda esta historia hay innumerables extinciones
de especies, la vida es muy ‘cruel’) y ya vivían los primates más antiguos.

Hace 5 millones de años (el 31 de Diciembre a las 14.00) vivieron los últimos
antepasados comunes de los chimpancés y de nosotros.
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Hace 40.000 años (el 31 de Diciembre a las 23.55) ya había humanos como
nosotros, comenzando quizás la apasionante (y cortísima, de momento)
historia de la evolución cultural. Otro tipo de "humanos", los neandertales, se
extinguieron por causas desconocidas.

Hoy sería el 31 de Diciembre a las 24.00... y empezaría un nuevo "año", el
segundo y último, pues probablemente a la vida en la Tierra le queden
(aproximadamente) otros 5.000 millones de años: hasta que el Sol se
convierta en una gigante roja. ¿Cuánto le quedará a la especie humana?
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