¿Cómo surgieron de la materia inerte seres complejos, capaces de

Química prebiótica
El enigma de la
vida en la Tierra
¿Cómo surgieron de la materia inerte seres complejos, capaces de autorreplicarse,
evolucionar y hasta pensar? ¿Llegaron del espacio o se cocinaron aquí en la Tierra?
Responder a estas preguntas constituye un quebradero de cabeza para la ciencia.
POR CARLOS BRIONES, investigador del Laboratorio de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología (Madrid)
RON MILLER
pulgones nacían del rocío que humedece las
plantas por la mañana y las moscas brotaban
de la carne en descomposición. Hoy sabemos
que estas ideas no tenían ninguna base científica, pero hasta el siglo XIX no se refutaron de
forma definitiva, gracias a unos experimentos
muy clarificadores llevados a cabo por Louis
Pasteur. Este brillante microbiólogo puso de
manifiesto que todo ser vivo procede de otro
ser vivo. Como resultado, quedaba flotando
en el aire otra pregunta muy sugerente: ¿cómo surgió el primero?
POR SELECCIÓN, NATURALMENTE. En
1859, precisamente el mismo año en que Pasteur demostró que la generación espontánea no existe, el gran naturalista Charles R.
Darwin publicó su famoso libro El origen de
las especies, en el que afirmaba que la evolución por selección natural es el motor de
la vida. En su último párrafo, planteó algo
revolucionario para su época: todos los seres
vivos podrían derivar “de un corto número de
formas o de una sola”. Darwin volvió a retomar esta idea en su obra La variación de los
SPL
U
na de las experiencias más gratificantes es observar el cielo estrellado durante una noche despejada. Cuando nuestros ojos logran
captar la inmensidad de la bóveda
celeste, sobrecogidos por esa banda luminosa
e irregular que marca el plano de nuestra galaxia, comienzan a surgir las preguntas: ¿estamos solos en el universo? ¿De dónde venimos?
¿Quiénes somos? Es muy probable que esas
mismas cuestiones ya resonaran en los cerebros de los primeros humanos y sigan acompañando a nuestros descendientes mientras
evolucionan en este planeta… o quizá en otro.
Reflexionar sobre la posibilidad de que exista vida fuera de la Tierra o analizar nuestras
opciones para sobrevivir en otros mundos tiene mucho que ver con plantearnos cómo pudo surgir la vida y cuáles son sus límites. Las
primeras aproximaciones racionales se produjeron en Grecia, hace dos milenios y medio.
Allí, los filósofos presocráticos formularon
una hipótesis conocida como generación espontánea, según la cual los seres vivos surgían
sin más de la materia no viva. Por ejemplo, los
Durante su infancia, la Tierra fue un
lugar hostil, acribillado por meteoritos,
como recrea la ilustración principal.
Sobre estas líneas, uno de sus primeros habitantes: bacteria fosilizada –en
amarillo– con más de 3.000 millones
de años de antigüedad.
animales y la plantas bajo domesticación (1868), donde destacaba la visión
de que “pocas formas, o una única forma, hubiera sido creada originalmente,
en lugar de en innumerables creaciones
milagrosas”.
Tres años después, en una carta enviada al botánico Joseph D. Hooker, el padre
de la evolución propuso otra idea genial.
Adelantándose a su tiempo, sugirió que
la vida podía haberse iniciado en “una
pequeña charca de agua templada que
contuviera todo tipo de sales de fósforo
y amonio, luz, calor, electricidad..., en la
cual un compuesto proteico se formara
químicamente y quedara listo para sufrir
cambios aún más complejos”.
Con ello, debemos a Darwin los dos
CORDON PRESS
Estromatolitos
de la bahía australiana de Shark.
Algunos fósiles de
estas rocas sedimentarias, formadas por la actividad
de cianobacterias,
tienen hasta 3.500
millones de años de
antigüedad.
planteamientos que barajamos para comprender el origen de la vida, una cuestión
compleja, ya que no hay evidencias directas de cómo, dónde o cuándo se produjo. La estrategia que primero se exploró
es la planteada en esa carta de Darwin a
Hooker. Se conoce como del pasado hacia el presente o de abajo hacia arriba,
y consiste en partir de la química que tal
vez existió en la Tierra primitiva e intentar proponer reacciones que condujeran
a la aparición de los seres vivos.
CUÁNDO EMPEZÓ TODO. Hoy sabemos que el sistema Tierra-Luna se originó
hace unos 4.570 millones de años (Ma) y
que hace unos 4.400 Ma tanto la corteza
terrestre como los océanos de agua líqui-
da ya estaban formados. Se considera que
durante los siguientes 400 Ma nuestro
planeta recibió relativamente pocos impactos de meteoritos y núcleos de cometas, por lo que quizá pudieron comenzar
en esa época tan temprana las reacciones
químicas que originaron la vida.
Tal posibilidad estaría favorecida por el
reciente hallazgo, en rocas de 4.100 Ma
de antigüedad, de cristales de zircón que
contienen diminutos gránulos de grafito
en los que la relación entre los isótopos
–átomos de un mismo elemento cuyo
núcleo contiene distinto número de neutrones– del carbono apoyaría que su origen pudo ser biológico. ¿Quiere esto decir que la vida ya existía hace 4.100 Ma?
Aún no podemos saberlo, ya que también
LUCA, el antepasado común de todos los seres vivos
S
i es impresionante la variedad de seres vivos que pueblan el planeta, más
impactante es el hecho de que todos
provenimos de un antepasado común. Es
decir, formamos parte de una misma familia.
La existencia de este ancestro común, denominado progenote o LUCA, fue demostrada por Carl Woese y colaboradores a partir
de los 70, gracias al análisis comparativo de
determinados genes en todas las especies
conocidas. Así, se corroboraba la idea propuesta por Darwin más de un siglo antes. LUCA vivió entre los 3.850 y 3.500 millones de
años, antes de que los microorganismos
evolucionados dejaran sus huellas fósiles.
A partir de esta especie, se dividieron los
tres grandes grupos de seres vivos: bacte-
rias, arqueas y eucariotas. Los dos primeros, habitantes mayoritarios de nuestro planeta, son procariotas, organismos
unicelulares que carecen de núcleo. Por su
parte, los eucariotas son seres vivos uni o
pluricelulares cuyas células poseen orgánulos especializados y un núcleo diferenciado que contiene la mayor parte del material genético. Incluyen protistas, plantas,
hongos y animales.
De ADN a proteínas. LUCA está, como es
evidente, extinta. Por tanto, resulta imposible
estudiarla directamente. Aun así, se pueden
acotar muchas de sus propiedades tras comparar los organismos actuales a nivel molecular y aplicar la lógica evolutiva. Sabemos
que era unicelular y sin núcleo, quizá similar
en complejidad a los procariotas actuales.
Su información genética ya se expresaba en
el sentido DNA-->RNA-->proteína, lo que desde entonces ha caracterizado toda la vida
celular. Se está estudiando cómo podría ser
su genoma, aunque las pruebas por el momento apuntan a un número de genes comprendido entre los seiscientos y los mil.
Además, la emergente biología sintética
está tratando de construir sistemas protocelulares muy sencillos capaces de autorreproducirse y evolucionar, lo que podría
sugerirnos mecanismos que quizá la naturaleza exploró en su camino hacia LUCA.
Así, dado que será muy difícil conocer el
origen de la vida, tal vez sea más fácil reinventarlo en el laboratorio.
SPL
El gran experimento de Harold Urey y Stanley MiIler
Realizado en 1953, marcó un hito al demostrar que, tras aplicar una fuente de energía a una
mezcla de moléculas esenciales, podían crearse aminoácidos, los ladrillos de la vida.
2. El vapor estimula la circulación de los gases
por el alambique
de destilación.
SPL
1. El agua hirviendo añade vapores a una atmósfera de
hidrógeno.
3. Unos electrodos imitan
la radiación solar y los
rayos de una tormenta.
Cámara de
descargas
CH4 NH3
NH2 H2O
4. Las descargas interactúan con las moléculas que debieron estar
presentes en la atmósfera de la Tierra primitiva.
Condensador
de agua fría
5. Tras las descargas, los
gases se enfrían, el vapor de agua se condensa
y arrastra y disuelve las
moléculas presentes.
Cámara de
ebullición
Harold C. Urey
(1893-1981),
Nobel de
Química, era
profesor de Miller.
Fuego
El químico californiano Stanley
Miller, en su laboratorio (1953).
ILUSTRACIÓN: JOSÉ ANTONIO PEÑAS
les, los denominados estromatolitos. Se
trata de láminas mineralizadas de microorganismos que, en aquella era remota, formaban comunidades microbianas
parecidas a las que actualmente denominamos tapetes microbianos. En ellos,
distintas especies interaccionan entre sí
y establecen relaciones ecológicas.
Por tanto, la química de la vida pudo dar
sus primeros pasos hace 4.400 Ma, cuando ya existían los dos ingredientes que
consideramos imprescindibles: agua en
estado líquido y moléculas sencillas compuestas por carbono. Además, aunque
hace 3.850 Ma nuestro planeta no estuvo
lo suficientemente tranquilo como para
que la vida progresara en él, las evidencias
fósiles muestran que 350 Ma después los
BRIAN STAUFFER
se conocen sistemas no biológicos que
podrían explicar tales datos isotópicos.
Pero hasta hace 3.850 Ma nuestro planeta estuvo sometido a distintas épocas
de bombardeo masivo de meteoritos y
cometas, lo que quizá esterilizó la superficie terrestre y eliminó formas de vida
eventualmente originadas con anterioridad. Por otra parte, en rocas de unos
3.500 Ma de antigüedad encontradas en
Australia y Sudáfrica se han detectado fósiles –aunque para algunos autores serían
formaciones de naturaleza inorgánica–
de tamaño microscópico, cuyas morfologías podrían corresponder a bacterias.
Asimismo, diferentes rocas de similar
edad, halladas en las mismas regiones
geográficas, contienen otro tipo de fósi-
Decantador
6. Al cabo de una
semana, aparecen
los aminoácidos.
J. Whitfield, G. Caetano y M. Seufferheld buscan a LUCA en la Universidad de Illinois (EE. UU.).
Las primeras formas
vivas solo necesitaron
una atmósfera de
moléculas sencillas y
una fuente de energía
organismos vivos ya habían surgido y se
habían diversificado.
En los años 20, sin conocer aún estos
márgenes temporales, los primeros que
plantearon modelos de cómo pudo surgir la vida a partir de la química existente en la Tierra fueron el bioquímico ruso
Alexander I. Oparin y el biólogo evolutivo
británico John B. S. Haldane.
SORPRESA EN EL LABORATORIO. Su
legado lo recogió el químico norteamericano Stanley L. Miller, quien, bajo la supervisión de su profesor, Harold C. Urey,
realizó en 1953 un famoso experimento:
mezcló en un matraz cerrado y esterilizado los gases considerados entonces como
constituyentes de la atmósfera primigenia
–metano, amoniaco, hidrógeno y vapor
de agua– y los sometió a descargas eléctricas para simular los aportes de energía
de las tormentas y el vulcanismo.
Al cabo de unos días, la reacción había formado aminoácidos como los que
constituyen las proteínas, junto con otras
moléculas orgánicas propias de los seres
vivos. Con ello, se demostraba que los primeros pasos hacia la vida solo requirieron
la existencia de moléculas sencillas y una
fuente de energía para que reaccionaran.
Durante las últimas décadas, se está
discutiendo si la atmósfera de la Tierra
SPL
LA PISTA DEL CIANURO. El segundo
investigador clave en este ámbito fue el
bioquímico español Joan Oró, quien en
1961 demostró que el cianuro de hidrógeno –un gas tóxico para nosotros– podía
combinarse entre sí para formar adenina,
parte clave de los nucleótidos o letras que
componen nuestros ácidos nucleicos, esto
es, el ADN y el ARN.
Así, gracias a los pioneros de la química
prebiótica y a todos los científicos que desde entonces trabajan sobre estos temas, ha
sido posible plantear muchas reacciones
con las cuales se originan las biomoléculas
más sencillas –aminoácidos, nucleótidos,
Pese a la asombrosa diversidad de la biología
terrestre, su base molecular es muy semejante
azúcares o lípidos simples–, y también los
biopolímeros formados por ellas, como las
proteínas y los ácidos nucleicos. No obstante, desde la síntesis de estos componentes moleculares hasta la formación del
primer organismo plenamente viable se
debió recorrer un largo camino, no abordable por la química prebiótica.
Si analizamos las características principales de los sistemas vivos conocidos,
comprobaremos que todos son similares
desde el punto de vista molecular y se caracterizan por combinar dos propiedades
principales. En primer lugar, pueden reproducirse o autorreplicarse y generar
descendencia. Gracias a ello, se transmite
la información genética, pero el proceso
de copia es siempre imperfecto y suele introducir cambios o mutaciones.
En consecuencia, los descendientes son
todos distintos entre sí y, también, de la
generación parental. Esto resulta clave,
porque la biodiversidad generada permitirá respuestas diferentes frente a los
De acuerdo
con la teoría
de la panspermia, las primeras formas de
vida llegaron a
la Tierra desde
el espacio, a
bordo de meteoritos, como
el que se estrelló en Arizona y dio lugar
al cráter Barringer
–abajo–.
cambios ambientales. Ese es precisamente el motor de la evolución por selección
natural: tendrán más descendientes los
individuos –y las especies– que mejor se
adapten al medio. Como segunda característica, los seres vivos poseen metabolismo, es decir, un sistema de intercambio de materia y energía con su entorno.
Dicha relación está mediada por membranas celulares, envolturas que definen
los límites de la célula como un sistema
abierto al trueque de sustancias.
DEL PRESENTE AL PASADO... Para investigar sobre cómo pudieron surgir entidades químicas tan complejas, nos sirve
la técnica enunciada en el párrafo final de
El origen de las especies: “del presente
hacia el pasado” o “de arriba hacia abajo”. Consiste en comparar los genomas o
metabolismos de todos los seres vivos conocidos, bajo la premisa de que las características que más organismos comparten
han de ser las más antiguas en la historia
de la evolución. Con ello, ¿sería posible
determinar si todos derivamos de un antepasado común, como sugirió Darwin?
La respuesta es afirmativa, aunque la
existencia de esa especie –conocida como
LUCA, por las siglas en inglés de último
ancestro común universal– no pudo ser
demostrada hasta finales de los 70. En
consecuencia, se trata de observar el árbol de la vida y preguntarse qué procesos
pudieron producirse entre sus raíces –las
bases fisicoquímicas– y el punto más alto de su tronco común –LUCA–, desde el
que se produjo la diversificación de todas
las formas de vida conocidas.
Con estas dos aproximaciones, se ha
NATIONAL GEOGRAPHIC
primitiva realmente contenía esos gases
o si, por el contrario, incluía otros compuestos como el monóxido o el dióxido
de carbono. En este segundo caso, los ladrillos moleculares imprescindibles para
la vida no se habrían formado eficientemente aquí: su origen sería extraterrestre.
Habrían llegado a nuestro mundo en el
interior de meteoritos y núcleos de cometas. Además de sus resultados concretos,
la obra de Miller fue fundamental porque
inauguró un nuevo campo científico: la
química prebiótica experimental.
avanzado mucho a la hora de plantear
procesos que permitirían la transición
entre la química y la biología. Por citar
un ejemplo reciente, hace pocos meses,
el químico británico John D. Sutherland
propuso un modelo de química prebiótica muy interesante –aunque aún en
discusión– que permitiría originar todos los monómeros necesarios para las
moléculas biológicas en un único entorno geológico formado por moléculas
de origen terrestre y las aportadas por
distintos tipos de meteoritos. Así, se ha
vuelto a poner sobre la mesa la hipótesis
de la panspermia molecular: parte de las
moléculas de la vida o, incluso, organismos completos, podrían haber llegado a
la Tierra en cometas o meteoritos.
Como vemos, cada respuesta suscita
nuevos interrogantes. Por tanto, hemos
de ser humildes y asumir que, quizá, nunca sepamos cómo se produjo el origen de
la vida. O, mejor dicho, los orígenes, dado que en el camino hacia la vida, sin duda, la química hizo muchos experimentos
en paralelo, aunque solo tengamos constancia del que triunfó y dio lugar a toda la
biodiversidad que nos rodea.
¿Qué buscamos exactamente?
L
a persecución de vida extraterrestre
requiere ponerse de acuerdo sobre
un pequeño detalle: ¿qué es la vida?
Filósofos, pensadores, físicos, químicos,
biólogos o geólogos han propuesto sus
propias respuestas, desde Aristóteles a
Alexander Oparin, Erwin Schrödinger, Carl
Sagan, Christian de Duve o Richard Dawkins. Pero todas las definiciones resultan
parciales e incompletas, y el tema sigue
siendo uno de los que suscitan mayor polémica.
Los díscolos: virus y priones. Una forma indirecta de contestar es
repasar qué características
generales poseen los seres
vivos y no están presentes en
los sistemas inertes. Es lo que
hizo el bioquímico Gerald F.
Joyce en su definición, adoptada por el Instituto de Astrobiología de la NASA: “Un ser
vivo es un sistema químico y
automantenido, que evoluciona como consecuencia de su interacción con el medio”.
No obstante, aunque incluye a todos los
organismos celulares, su descripción deja
fuera entidades que se sitúan en el límite entre los sistemas vivos y los inanimados: virus,
viroides, priones... También algunos geólogos van un paso más allá y consideran vivos
algunos cristales inorgánicos capaces de
autorreplicarse. Por último, se habla de la vida digital que poseen determinados programas para reproducirse, evolucionar y competir por los recursos de hardware.
Quizá, no podremos definir qué es hasta que no encontremos otro ejemplo de
vida fuera de nuestro planeta. Tal como comentaba irónicamente el químico Robert
Shapiro: “¿Cómo definiríamos lo que es un mamífero si
el único mamífero que hemos visto es una cebra?”.
Lynn Margulis y Dorion Sagan se
hicieron la misma pregunta.
Entre estas cuestiones no resueltas, aún
no sabemos cómo se eligió el tipo de los
monómeros que forman las proteínas y
los nucleótidos que constituyen los ácidos
nucleicos, ni cuáles fueron las primeras
moléculas con información genética de
las que derivó el ARN –que dio origen al
ADN–. Por su importancia en el proceso,
la investigación de las capacidades genéticas y catalíticas del ARN ocupa a un buen
número de laboratorios en todo el mundo.
LLEGA LA BIOLOGÍA SINTÉTICA. Por
otra parte, se han dado los primeros pasos
para postular cómo se pudieron combinar
la información genética y el metabolismo
en un sistema rodeado por una membrana, de forma que se originara el primer ser
vivo. En este sentido, la biología sintética
podría depararnos sorpresas en el futuro,
mientras se ocupa de generar sistemas
biológicos –es decir, crear vida– a partir de sus ingredientes. De todos modos,
tampoco hemos averiguado si el proceso
que llevó de las primeras protocélulas a
LUCA tuvo lugar en ambientes calientes o
fríos, ni si las primeras células extraían la
energía de las rocas, de la luz solar o de los
compuestos orgánicos disponibles.
Para finalizar, aunque el agua y el carbono se consideran imprescindibles para
la vida tal como la conocemos, ¿podría
esta misma química básica originar diferentes bioquímicas y, por tanto, seres
vivos radicalmente distintos en otros lugares del cosmos? Si es así, ¿seríamos capaces de detectarlos y caracterizarlos con
nuestros biosensores? ¿Serían también
descendientes de LUCA? Si no, la vida se
habría originado varias veces en entornos
diferentes. Y, en caso afirmativo, ¿habrían
sido ellos quienes emigraron de la Tierra o
nuestro origen sería extraterrestre? e
SPL
CORTESÍA: AYUNTAMIENTO DE LÉRIDA
El español Joan Oró fue el primero en
sintetizar adenina, molécula esencial en
el metabolismo celular, a partir del aminoácido glicina –izquierda–.