El Cedazo

En la entrada anterior de la serie sobre La Biografía de la Vida explicábamos dos ideas que me parece importante recordar. En un primer bloque hablamos de algunas generalidades químicas, insinuando que el paso de la química prebiótica a la bioquímica y sus moléculas tuvo que ser algo inevitable en el mundo primigenio. Presentamos después las principales moléculas bioquímicas que tejerán y destejerán la Vida. Acabamos con un bloque acerca de las principales teorías acerca de cómo apareció la Vida sobre nuestro planeta. Hoy nos toca avanzar a través de un tema bastante arduo: Teorías sobre lo que pudo ser el camino más posible desde la química prebiótica hacia el mundo de la especialización biótica. En esta entrada hablaremos desde los inicios incipientes hasta el momento en que la trama estaba preparada para dar el salto a la complejidad. Nos moveremos por un terreno resbaladizo en donde algunas teorías son absolutamente deterministas con el suceso -la Vida fue un subproducto de lo obligado- y otras absolutamente azarosas, evolutivas y competitivas –la Vida como el resultado de un largo camino de circunstancias-.

Es claro que lo químico inorgánico y lo bioquímico son estados muy diferentes. Pero quiero enfatizar el porqué con relación a la Vida. Un sistema puramente químico está avocado a la estabilidad que le imponen las leyes termodinámicas. No evolucionará nunca. Un sistema bioquímico vivo se mantiene de forma dinámica continuamente al borde del desequilibrio, lo que le permite ganar orden y evolucionar gracias a la incorporación de energía exterior al sistema. Materia “muerta” versus materia “viva”.

Dicho lo anterior tengo que introducir una cuña para manifestar claramente mi admiración y asombro por la inteligencia y empeño que han manifestado todos y cada uno de los científicos que se atrevieron con tan arduo tema. Algunos de ellos saldrán a relucir a lo largo de las siguientes líneas.

Seguimos entre los ocultos recovecos del Hadeico: desde hace 4.570 hasta 3.800 millones de años.

Un posible primer arranque de motores

Los avances de la física estadística, de la secuenciación genética y la comprensión más rica de la química interestelar, geoquímica y bioquímica, han hecho que los científicos puedan imaginar cómo los sistemas naturales podrían haber alumbrado la existencia de la Vida. Una de las teorías clásicas la ha enunciado el biofísico Harold J. Morowitz en su libro Energy Flow in Biology (1979). La idea surgió al contemplar cómo actúa la geosfera en determinados procesos. Por ejemplo, la radiación solar es absorbida sobre la superficie del planeta produciendo diferencias de temperatura en diferentes lugares. Físicamente, los principios generales de la geofísica serían capaces de aliviar estas diferencias mediante sencillos procesos de difusión. Sin embargo este camino sería tremendamente lento debido a la gran resistencia a seguir una sucesiva cadena de estados próximos al equilibrio. En su lugar la geosfera lo realiza mediante el transporte intenso y eficaz de energía a través de un flujo ordenado que se concreta en un frente de tormentas convectivas, como pueden ser los huracanes. Con ello la naturaleza, de una forma muy “elegante”, eficaz y rápida, disipa altas concentraciones de energía a través de rozamientos en movimientos, transformándolos en energía de baja calidad en forma de calor. Sorprendente no podemos negar que con esos procesos el obligado incremento de la entropía queda asegurado, a pesar de pasar por un estado intermedio de mayor orden.

Huracán Katrina, un ejemplo para Harold Morowitz de canal de flujo energético (Wikipedia, dominio público)

En la Tierra primitiva la generación de energía era descomunal, y como consecuencia de ello se iba “embalsando” un volumen de energía muy grande. Provenía de todos los fenómenos geofísicos y cósmicos que ocurrían en aquel momento del Hadeico y que ya conocemos. Por un lado la geoquímica estaba manteniendo un escenario de reacciones redox en donde el intercambio de electrones energéticos era la moneda habitual, mientras que por otro lado el sol enviaba su radiación de fotones generados en su particular horno de fusión. Este panorama acumulativo llegó a una situación inestable que pudo ser el detonador que inició la cadena de acontecimientos que trajo la Vida.

Esta situación de tensiones de la Tierra primitiva le sirvió a Morowitz de base para trasladar a la biosfera la teoría de creación de flujos energéticos que comentábamos al hablar de los huracanes. En particular, en cómo se aprovecha la energía de los enlaces químicos. En un mundo primigenio debían sucederse infinitud de reacciones redox,^[1] una de ellas la del hidrógeno molecular (un reductor) con el dióxido de carbono (un oxidante). La verdad es que no es fácil que esta reacción se produzca de forma espontánea en la naturaleza aunque sea exoenergética -libera energía-. Por el contrario, los organismos vivos consumen abundantemente estas moléculas para sintetizar otras diferentes, a través de sus procesos metabólicos, con unos rendimientos energéticos próximos al 100%. ¿Cómo explica Morowitz esta habilidad? Propone que en un momento determinado, y como alivio de la situación de inestabilidad generada por el estrés de potenciales redox que abundaban en la naturaleza primigenia, se generó en la biosfera un espontáneo, rápido y nuevo canal de energía, que mejoró el aprovechamiento de los procesos redox, aprovechamiento que iba a permanecer en el tiempo: es como si se hubiera gestado un cambio de fase en el proceso de paso desde un estado inestable de tensión energética a un nuevo estado estable. Ésta es la idea fundamental.

Así se explicaría que el aprovechamiento del potencial redox por la Vida sea prácticamente del 100%. Esto pudo iniciarse, de acuerdo a Morowitz, con un “cambio de fase” en las condiciones geoquímicas, que se concretó en la nueva figura de un ciclo anabólico casi universal, mediante el cual los seres vivos, hasta hoy en día, montan sus estructuras. Se trata del ciclo del ácido cítrico o de Krebs, del que hablaremos en el momento oportuno, y que surgió en los primeros momentos de la Tierra primitiva.

También hemos dicho que existe otro estrés energético en la geosfera que lo produce la radiación solar. Antes del “invento” de la fotosíntesis esta energía, prácticamente en su totalidad, se transformaba en calor en los océanos gracias a múltiples y débiles procesos de dispersión elástica, que eran los motores del clima global. Este es el argumento que también hace pensar a Morowitz en la espontánea generación de otro nuevo flujo de energía, que provocó un inédito “cambio de fase”, tras el que la energía solar fue aprovechada por biomoléculas, como la rodopsina o la clorofila, mediante proceso físicos de absorción inelástica. Y, además, con un rendimiento extremadamente elevado. Con ello los seres fotosintéticos transformaban la energía solar de alta calidad en energía calorífica de baja calidad resultante de su metabolismo. Como hablamos más arriba acerca de los tornados, la entropía había ganado una vez más con el proceso.

Las consecuencias de estos dos “cambios de fase” conforman dos de los constituyentes principales de la Vida: los ciclos metabólicos y la fotosíntesis. Visto lo visto, a Morowitz no le quedó otra que postular lo que resultaba casi una evidencia: la Vida surge espontáneamente y de forma rápida como consecuencia de la geoquímica y la geofísica, en un planeta estresado por la superabundancia de energía. Y en cualquier parte del universo en que se den estas circunstancias tiene que suceder lo mismo.

En base a estas ideas –que tienen un serio soporte físico-matemático en la mecánica estadística de procesos fuera del equilibrio, o de caos- Morowitz pensó que el sistema formado por la Tierra primigenia iba alcanzando progresivos estados de equilibrio cuasi estable que en un momento determinado se destensionaban mediante la generación de flujos de energía. Ello hacía que se fueran traspasando umbrales, a través de los cuales se producía algo semejante a un cambio de estado. Después de este proceso se llegaba a otra situación del sistema con un equilibrio energético más estable que el de partida. Y vuelta a empezar.

Morowitz cree que el camino se inició con un panel de diversas vías metabólicas, que se unificaron gracias al invento de la fosforilación oxidativa que creó las pilas de bioenergía en forma de moléculas de ATP (nos serán presentadas más tarde en esta serie). Nuestro Último Antepasado Común Universal (LUCA) fue el que recopiló todos los avances, representando así el final del mundo exclusivamente abiótico. Con posterioridad se conquistó la fijación del nitrógeno, la innovación de la fotosíntesis complementada con en el ciclo reductor de Calvin, las endosimbiosis, la multicelularidad… un proceso continuo de cambios de estado que poco a poco iremos conociendo.

El soporte teórico a esta hipótesis de Morowitz lo encontramos en los trabajos del físico Jeremy England.^[2] Apoyándose en la estadística, las matemáticas y las leyes universales de la termodinámica, en especial la del obligado aumento de la entropía global, ha demostrado que cualquier sistema local dentro del Universo, alejado de un equilibrio estable, con una particular fuente de energía a su disposición y un sumidero de calor, puede evolucionar hacia otro estado, alejado del equilibrio energético, mucho más ordenado (lo que parece contravenir la obligación de incrementarse la entropía) y más eficiente consumidor de energía (con la que soporta el aparente contrasentido del salto a un mayor orden). Este nuevo estado es irreversible y tendente a consumos cada vez mayores y más eficientes de energía, lo cual puede hacer la sucesión de “cambios de estado” obligatoriamente exponencial. La probabilidad de que esto ocurra es baja a menos de que, como hemos comentado, haya un determinado tipo de fuente de energía y de sumidero de calor que se acople con las específicas condiciones del sistema particular, lo cual acelera tremendamente, a escalas geológicas, los cambios de fase. Y esto es lo que sucede en la Tierra, en donde coinciden los materiales apropiados, con una fuente de calor apropiada como es el Sol, y unos sumideros de calor  igualmente apropiados en la atmósfera y el agua oceánica.

Y así de una forma inevitable, dirigida por las leyes universales de la termodinámica, la Vida se habría ido manifestando cada vez más compleja, mayor y más eficiente consumidora de energía, como un medio para aliviar la acumulación de energía libre de la geosfera: parece por tanto que un mundo con Vida tuvo que ser más probable que un mundo sin ella. Lo que apunta claramente a un proceso determinista y no azaroso. La evolución determinista de la química del metabolismo, a través de todos sus progresivos posteriores “cambios de fase”, fue la que poco a poco fue condicionando la variabilidad de los organismos vivos, cuya aparición y fenotipos sería un subproducto de estas conquistas metabólicas.

Primeras moléculas orgánicas sencillas de la química prebiótica

En un principio la química prebiótica iniciaría el camino sin ningún problema, tan sólo había que trabajar con moléculas relativamente sencillas que quedaron disueltas en las aguas primigenias.

Es fácil sintetizar de una forma casi espontánea azúcares, aminoácidos y algo parecido a elementales nucleótidos: los químicos norteamericanos Stanley Miller y Harold Urey lo consiguieron en 1953 con sus experimentos. Sólo necesitaron metano, amoniaco, agua, un poco de energía y algo de tiempo, no demasiado. Entre las décadas de los 50 y los 60 otro bioquímico estadounidense, Sidney W. Fox, demostró que los aminoácidos podían formar espontáneamente pequeños péptidos. En 1961 el también bioquímico, en este caso español, Juan Oró, obtuvo algunas purinas –un tipo de base nitrogenada del ADN o ARN- y en 1962, en otro experimento, consiguió la síntesis de dos azúcares, ribosa y desoxirribosa, asimismo componentes de soporte de los ácidos nucleicos en el ADN y ARN. En 2012 y tras unos trabajos^[3] de más de diez años, un grupo de biólogos dirigidos por Michael Blaiber ha encontrado, a partir de un conjunto de 12 o 13 aminoácidos prebióticos producidos por sencillos procesos químicos semejantes a los existentes en la Tierra primitiva, el camino para sintetizar primitivas proteínas plegadas (del tipo β-trefoil). El plegamiento es esencial para el desarrollo de sus funciones. Los propios aminoácidos dispondrían por ellos mismos de la información necesaria para ello.

Un artículo publicado en 2015^[4] explica cómo ha sido posible sintetizar experimentalmente, y de forma altamente eficiente, los monómeros fundamentales de la bioquímica -ribonucleótidos, aminoácidos y precursores de lípidos- a partir de dos sencillas moléculas: el ácido cianídrico, HCN, y el sulfuro de hidrógeno, SH₂. En la Tierra primigenia el primero habría sido generado por la interacción entre el carbono aportado por meteoritos y el nitrógeno atmosférico, gracias a las altas temperaturas alcanzadas en el impacto. El SH₂ habría surgido en la reacción de ciertos sulfuros metálicos con el HCN en disolución. Además es un gas típico de las emisiones volcánicas.

Estructuras, (1) primaria, (2) secundaria  y (3) terciaria ya plegada, de una proteína (Wikipedia, GNU FDL 1.2)

Una vez formados en la naturaleza este tipo de compuestos orgánicos elementales, que serían inicialmente tan sólo unos treinta o cuarenta, se vieron en condiciones de seguir un camino de combinación entre ellos de forma que aparecieran polímeros con estructuras moleculares más complejas. Inicialmente serían polisacáridos, polipéptidos y polinucleótidos. Más tarde aparecerían los lípidos complejos. El proceso pudo ser tutelado según los principios generales definidos por Morowitz, o quizás simplemente como consecuencia del juego de la competencia y evolución, tesis que planteamos en los siguientes pasos, que les llevó a encontrar unas formas termodinámicamente más estables, algunas de las cuales resultaron ser geométricamente muy laberínticas.

Estas formas tan particulares que adoptaban las cadenas de los polímeros que iban apareciendo eran como su tarjeta de visita: con una cara exterior real llena de recovecos físicos y una capacidad de generar posibles enlaces adicionales extramoleculares en los rincones de su estructura, lo cual facilitaba en alguna medida la complementariedad entre dos o más de estos polímeros. Se habría llegado a una tremenda versatibilidad, a partir de la cual estas moléculas ya más “serias” interactuaban con el medio que les rodeaba, siendo capaces de ejercer un involuntario influjo sobre él, modificándolo o resistiéndose a ser modificadas, lo que podría ser considerado como algo semejante a una primitiva función catalítica.  Sus inicios debieron ser muy débiles e inespecíficos, para irse potenciando con el paso del tiempo. Aquellas estructuras más estables y eficientes, con mayor capacidad de influir, serían las que sobrevivirían en el mundo prebiótico.

Supongamos pues un caldo lleno ya de estas moléculas de polipéptidos y polinucleótidos, una charca sobre una roca del acantilado o un lúgubre espacio en las profundidades más remotas de los océanos. Quizás habían llegado transportados por los meteoritos y cometas que caían sobre la Tierra. En aquel momento aún todo era química, y sólo química prebiótica. A partir de este escenario tuvo que derivar la complejidad.

Primeros autorreplicantes: moléculas “selfmade” sobre bandejas planas

La complejidad, con el tiempo, acabará llamándose metabolismo y replicación. Es decir, capacidad de tener una máquina en movimiento, generando no sólo las moléculas necesarias para seguir funcionando sino también la diversidad. Al estar sometidas a mutaciones, al autorreplicarse solas o con ayuda, al transmitir sus cambios en el proceso, iniciaron un camino para la herencia, paso previo e imprescindible al de modelado por la selección.

En esta senda la mayoría de expertos apuestan por un mundo inicial de química prebiótica en donde apareció un primer replicante. Una molécula que no iba mucho más allá que hasta una incipiente y simple reproducción de sí misma. Se encontró inmersa en un mundo que le imponía múltiples interrelaciones, algunas de las cuales condujeron a un proceso cíclico de síntesis que se asemejaba a una máquina sin fin, y en el que dicha molécula participaba de forma principal. El mecanismo pudo ser algo parecido a un ciclo catalizado por el propio primer replicante, ciclo al que entraban  moléculas del entorno y del que surgían otras como subproductos del mismo, entre las que se encontrarían moléculas iguales al replicante. Aunque sencillas, no dejaban de ser auténticas fábricas cíclicas de síntesis de un polímero elemental. El hecho de que la autocatálisis sea un proceso natural muy común en los sistemas cíclicos bioquímicos de la naturaleza nos permite pensar que este primer replicante no fue una entelequia teórica. La autorreplicación primigenia no sería muy sofisticada, no habría más complejidad en el proceso que repetir su recreación, sin un más allá, de una forma que podríamos llamar “rutinaria” y sin consecuencias inmediatas.

Ejemplo de posible ciclo autocatalítico del primer replicante A1 apoyado en una cadena de moléculas “familiares”

Este proceso no se correspondía aún a una replicación “vital”, ya que se produciría de una forma aleatoria y no persistente en el tiempo.

¿Por qué pensamos en autorreplicadores? Ya vimos en la entrada anterior cómo las reacciones entre átomos y moléculas construyendo nuevas estructuras químicas era un proceso relativamente sencillo. Bastaba cumplir unas sencillas condiciones que estuvieran de acuerdo con la segunda ley de la Termodinámica. Pero dentro de este esquema la dinámica de las reacciones, como podemos imaginar, puede ser muy variada. Y en la química primigenia,  cuando se tuvieron que producir las reacciones químicas formadoras de nuevas molécula más complejas, las cosas tuvieron que ir muy deprisa dado el plazo tan corto entre la formación de la Tierra y el primer indicio de Vida sobre ella. Y aquí entra la idea de la catálisis, proceso por el que mediante la intermediación de una molécula ajena al núcleo de  la reacción química, su velocidad se acelera de forma exponencial. Y pensemos en el plus de velocidad que se añadiría si el catalizador fuera la misma molécula que interviene.

Se cree que en una disolución tridimensional, como podía ser el entorno de una charca o del fondo del mar, la generación espontánea de autorreplicadores debía ser bastante compleja dada la dispersión en que se encontrarían los actores que tenían que participar. Por otro lado, la unión de moléculas más elementales para formar polímeros se realiza normalmente mediando un proceso de condensación, durante el que se elimina una molécula de agua, y esto sería muy difícil en el seno de una disolución precisamente en agua. Así que ¿por qué no imaginar un mecanismo medianamente probable, mediante el cual se pudiera echar el lazo a los ladrillos necesarios para las estructuras moleculares de los autorreplicadores en un entorno en donde la autocatálisis fuera a la postre menos dificultosa? El proceso pudo darse sobre  una superficie que limitara la dispersión a tan sólo dos dimensiones, sobre la que las moléculas que la recubrieran establecerían relaciones entre sí, aprovechando el “velcro” que supone la fuerza de sus enlaces químicos. Estos no serían demasiado potentes, ya que debían permitir la flexibilidad y fluidez suficiente como para que se produjera un fácil tejer y destejer de moléculas. Dado que los velcros de las moléculas de tipo orgánico suelen presentar anclajes electromagnéticos negativos, una especie de anzuelos aniónicos del tipo -PO₃^2- o -COO^-, las superficies donde reposaban tendrían que ofrecer la cara contraria. Una posibilidad entre los materiales catiónicos lo encontramos en la pirita, que además forma sales insolubles que fácilmente se decantan produciendo sólidos. Volveremos con la pirita, S₂Fe, más tarde en esta historia, ya que es una de las bases de la teoría del “mundo del hierro y el azufre”. Recordemos que esta teoría la apuntó ya el bioquímico alemán Günter Wächtershäuser defensor, al igual que Morowitz, del axioma “primero el metabolismo”, por el que proponía que una forma primitiva de metabolismo precedió en el entorno de la biología a su contrapartida genética, y en el que intervendrían especies químicas y compuestos de hierro y azufre. La energía liberada a partir de las reacciones redox de los sulfuros metálicos no sólo estaba disponible para la síntesis de moléculas orgánicas sencillas, sino también para la formación de polímeros de largas cadenas.

Nos quedamos en este momento procesal, después de levantar acta notarial de cómo pudo iniciarse la Vida y las primeras simples moléculas autorreplicantes. En un mundo escondido y casi abstracto que, al menos a mí, me resulta muy difícil de imaginar. Espero que el interés del tema haya hecho más llevadera la lectura, a pesar de su evidente aridez. A lo largo del esfuerzo hemos convivido con un eslabón  muy importante de nuestra historia. En la próxima entrada seguiremos su pista y veremos cómo se fueron complicando sus funcionalidades, con la conquista de la información y la replicación a gran escala, lo que nos llevará hasta el mundo del ARN, fin de una etapa e inicio de algo nuevo.

1. Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o simplemente reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos. [↩]
2. Podréis encontrar una explicación que aclara el tema en esta entrada del blog “Qué vida esta” publicado por Samu. [↩]
3. Que se han publicado en la revista científica PNAS de noviembre de 2012. [↩]
4. En la publicación Nature Chemistry y que encontraréis en este enlace. [↩]

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