Antes de seguir no me queda más remedio que hacer un poco de campaña comercial del blog El Cedazo, ya que en él publicamos hace tiempo la serie “La biografía de la Vida” de la que sus últimas entradas fueron dedicadas precisamente a eso de buscar vida más allá de la estratosfera terrestre. En especial la entrada número 60 que encabezábamos con otra pregunta: “¿Tenemos vecinos?” No obstante lo apuntado, vamos a por faena. Quizás algunas cosas se repitan, ya que desde aquel 10 de marzo de 2015 del “¿Tenemos vecinos?” hasta hoy no han cambiado demasiadas cosas.

La eterna pregunta ¿Estaremos solos? (Imagen de la red, fair use)

Hay tres consideraciones iniciales que creo que debemos tener en cuenta: Una, que la Vida tal como la conocemos está basada en el carbono y a lo mejor hay vida por ahí que la fía en el silicio u otros elementos químicos. Dos, que la vida en la Tierra se ha manifestado empecinadamente aferrada a la existencia, de forma que hay vida prácticamente en cualquier ambiente, desde los congeladores a los cráteres volcánicos, desde la superficie a las profundidades, desde lo ácido a lo básico, de lo dulce a lo salino… nuestros extremófilos.^[1] Y tercero, que nuestra vida necesita del agua. Sin este disolvente universal pensamos que no se puede llevar la química precisa para la emergencia de la Vida.

Además hay un escenario general, el Universo, donde creemos que existen más de 10²² estrellas,^[2] la mayoría de ellas con planetas, más de uno, y satélites… muchos satélites, lugares todos donde la vida pudo afincarse como en la Tierra. Pero… con unos condicionantes: tiene que tener la temperatura precisa para que haya agua en estado líquido, ni que esté congelada ni que se vaya progresivamente evaporando y perdiendo por el empuje de los vientos de las estrellas de sus particulares sistemas planetarios; tiene que estar alejada de zonas con gran radiación, como el centro de sus galaxias; sería conveniente que tuviera un escudo magnético que le protegiera de las radiaciones de su propia estrella… y así una variada lista.

En el nuestro, el Sistema Solar, hay lugares en donde pueden darse buenas circunstancias para el desarrollo de la Vida además de en la Tierra: Quizás en Marte o en Europa, satélite de Júpiter, o Encélado, satélite de Saturno, e incluso Titán, también satélite del mismo planeta.^[3] El tema es ir allí y mirar, como podemos hacerlo en ambientes extremos de la Tierra, cosa que está al alcance de nuestra tecnología.^[4]

Pero no se acaba aquí el asunto, porque podemos mirar aún más lejos. Desde la década de los ochenta del pasado siglo sabemos que hay planetas en otros sistemas distintos al nuestro, el solar. En 1988 se descubrió el primero, Gamma Cephei Ab. Hay diversas técnicas para encontrarlos, y si os interesa el tema podéis profundizar un poco más leyendo la entrada 61 de la ya mencionada serie de El Cedazo “La biografía de la Vida”. Según nos comunicó la NASA, en agosto de 2017 teníamos 4.496 posibles candidatos a exoplanetas y en abril de 2018 nos ha dicho que de los posibles candidatos habían sido ya confirmados 3.725 como auténticos planetas.^[5] Ahora bien, ahora toca estudiar todos esos últimos para ver si, dentro de sus particulares sistemas estelares, se encuentran orbitando en zonas de habitabilidad. Con la tecnología de que disponemos ahora, basada en estudios de interferometría de la luz que nos llega de ellos y sus estrellas, podemos saber sus dimensiones; cuánto de lejos, con que periodicidad y a qué velocidad orbitan a sus estrellas; las masas y temperaturas de éstas; la densidad del planeta… es decir, un cúmulo de información muy útil para apreciar si en su superficie se dan condiciones como para que pudiera existir una vida parecida a la de a Tierra. Esos son nuestros objetivos, a dónde hay que mirar para intentar profundizar un poco más en el análisis. Por de pronto tenemos uno esperanzador a ¡sólo! 39 años luz de nosotros, el planeta TRAPPIST-1e muy parecido a la Tierra, con un importante núcleo de hierro, que sugiere una magnetosfera protectora, y orbitando en la zona de habitabilidad de su estrella. Veremos…

A la izquierda una imagen de la Nasa en donde se ha grafiado todos los cuerpos planetarios descubiertos hasta ahora, posibles candidatos a ser realmente exoplanetas. A la derecha los que se encuentran orbitando en las zonas habitables de sus correspondientes sistemas estelares ( Imagen izquierda, imagen derecha: NASA/Ames Research Center/Wendy Stenzel, fair use

La tecnología de interferometría que podemos utilizar es muy refinada, tanto que incluso nos permite analizar la atmósfera de los planetas viendo lo que pasa en la luz que nos llega justo en el momento en que un planeta asoma, visto desde nuestro punto de observación, por detrás de su estrella. Ese pequeño momento en que empieza a lucir no sólo la luz de la estrella sino también un poco del halo atmosférico del pequeño cuerpo que asoma por detrás. Pero aunque podemos saber mucho, obtener mucha información, para avanzar más allá de lo actual nos hace falta más precisión en las mediciones, cosa que esperamos conseguir con el nuevo telescopio TESS (en inglés Transiting Exoplanet Survey Satellite) lanzado con éxito el 18 de abril de 2018. Con la tecnología de TESS será posible estudiar la masa, el tamaño, la densidad y la órbita de una gran cohorte de pequeños planetas, incluyendo mundos rocosos en las zonas habitables de sus estrellas anfitrionas. También proporcionará objetivos principales para una mejor observación y estudio desde los futuros telescopios, tanto terrestres como espaciales. Con todos estos aparatos podremos realmente analizar con cierta precisión cuál es la composición de la atmósfera de esos planetas candidatos a contener vida. Si enfocáramos a la Tierra seríamos capaces de ver que hay agua, oxígeno, nitrógeno, metano… [ver imagen de abajo]. Y eso sí que es un buen dato, saber qué es lo que hay en las atmósferas de ahí afuera.

¿Por qué esta importancia? Porque la vida tal como la conocemos deja un rastro químico que, aunque a veces puede ser atribuido también a procesos químicos normales abiogénicos de la naturaleza, en otros casos pensamos que sólo pueden ser debidos a que el planeta esté habitado por seres vivos. Por ejemplo, en los momentos^[6] iniciales de la atmósfera de la Tierra escaseaba el oxígeno, sin embargo ahora representa el 21% de nuestra atmósfera. Y todo se lo debemos a unas bacterias que descubrieron la eficiencia para obtener energía, la del Sol, a partir de la fotosíntesis, lo cual dejó tal reguero de O₂ que hoy en día no podríamos concebir el vivir sin este preciado elemento. Hay otras bacterias que “excretan”, en vez de oxígeno, metano. Y qué decir de si no vemos rastros de agua… impensable imaginar un mundo vivo sin H₂O. En resumen, nos tenemos que centrar sobre lo que se conoce como biomarcadores, aquellos elementos que son realmente los mejores indicios de vida: oxígeno, ozono y metano. Además, podemos buscar la presencia de dióxido de carbono como producto secundario de la respiración y de agua como disolvente universal necesario para que la vida sea una realidad. Aunque estos dos últimos no sean estrictamente biomarcadores, ambos juegan un papel fundamental en la biosfera terrestre.

Después de lo dicho ya podéis entender el porqué le he dado más arriba tanta importancia a la interferometría de la luz que nos viene de planetas y estrellas lejanas: porque en los espectros de esas luces vienen grabadas las firmas de los elementos químicos de donde ha salido esa luz. No es objeto de esta entrada, pero tiene que ver con la especial distribución de capas electrónicas -en el fondo de niveles de energía- alrededor de sus núcleos: cuando un electrón ha sido excitado y por consiguiente ha pasado a una capa energética superior, más externa, tiende naturalmente a volver a su posición inicial emitiendo un fotón con una energía que es exactamente la diferencia entre las energías de las dos capas entre las que se ha movido. Y ya sabemos que cada elemento tiene una especial configuración de sus capas electrónicas que depende del número atómico y de las “grandezas y misterios” de la cuántica. Cada uno de esos específicos fotones deja su impronta  en el espectro de luz del elemento. Así que no es de extrañar que cuando unos astrofísicos vieron el espectro de luz que emitía la atmósfera de la Tierra no pudieran más que comprobar lo que esperaban: la existencia de ciertos tipos de átomos, biomarcadores, como podéis ver en la imagen siguiente.

Biomarcadores en el espectro de la atmósfera de la Tierra visto por la Mars Express (Imagen: ESA, fair use)

Con eso creo que queda satisfecha la inquietud de quien propuso al profe Lorenzo Hernández Villalobos la pregunta acerca de ¿cómo podemos saber si hay vida en otro planeta? Apasionante, ¿no? ¡Y lo que nos espera!

1. Para saber un poco más os recomiendo la entrada 59 de la ya citada serie de El Cedazo, “La biografía de la Vida“.
2. Tenéis un poco más detalle en este enlace.
3. Aunque aquí el disolvente sería el metano que en este astro, dadas las temperaturas y presiones en su superficie, se encuentra en estado líquido.
4. Sí, hoy en día lo podemos hacer. Aunque la economía manda: serían misiones muy costosas y hay que priorizar dónde ponemos nuestros recursos.
5. En la página de la NASA dedicada al tema tenemos una completa información real y estadística.
6. Momentos geológicos, es decir, cientos de millones de años.

Una posible explicación del inicio del software genético

En el mundo anterior al ARN los ácidos nucleicos, es decir, las moléculas equivalentes al ADN o ARN actual, debían ser del tipo de las ribozimas, una mezcla entre un ”ácido ribonucleico” y una “enzima“. Podríamos decir por tanto que serían sencillas moléculas de ARN con capacidad enzimática, incluso para autorreplicarse cuando actuaban sobre ellas mismas. A partir de las ribozimas se llegó a las modernas proteínas.

El paso de las ribozimas a las proteínas enzimáticas fue un proceso gradual de evolución entre estos dos tipos de polímeros, al final del cual una proteína heredó no sólo la función genérica de enzima, sino destacaría en una muy concreta y particular equivalente a la que desarrollaba la ribozima madre, como podía ser la regulación de alguna reacción química concreta.

 RIBOZIMA   –>    PROTEÍNA MODERNA   

En 1983 el biólogo húngaro Gánti Tibor argumentaba con la idea de que si buscamos en esta ruta que llevó de las ribozimas a las proteínas enzimáticas, ambas con funciones parecidas, encontraremos el origen del software genético, desde la duplicación de polímeros basada en pares de nucleótidos hasta el origen de la cadena de montaje de las proteínas que, como vimos al final de la entrada anterior, es el resultado de una relación entre nucleótidos, una ribozima y aminoácidos: los ARN mensajeros y de transferencia, en el ribosoma, capturando aminoácidos para formar las proteínas.

El proceso pudo ser como se describe a continuación, siguiendo una idea del también biólogo húngaro Eörs Szathmáry (ver la figura siguiente).

En la “sopa” del mundo bioquímico cuasi primitivo donde nos movemos coexistían de forma independiente los ácidos nucleicos tipo ribozimas con nucleótidos y aminoácidos. Eran unas más dentro del infinito número de moléculas que se estaban gestando en aquel ambiente. Los aminoácidos interactuarían con las ribozimas mediante espontáneas uniones químicas,  ayudándolas a mejorar la función enzimática y a facilitar su replicación.

 Paso 0.    LOS AMINOÁCIDOS AYUDAN A LAS RIBOZIMAS

¿Cómo consiguieron establecer esta colaboración? Las propias ribozimas (RZ1) se encargaron de catalizar una unión entre aminoácidos y nucleótidos, con el resultado final de que se iban formando unas “moléculas ayudantes”, técnicamente un cofactor, con la particularidad de que posteriormente algunas de ellas se adaptarían sobre otra ribozima.

Pasos 1 y 2.    AMINOÁCIDOS + NUCLEÓTIDOS + RIBOZIMAS   —–>  COFACTOR   —–>  UNIÓN DE COFACTOR CON OTRA RIBOZIMA

La estructura de unión entre aminoácidos del cofactor y una segunda ribozima (RZ2) la formaba la cadena de uno a varios nucleótidos del cofactor, que se unirían por el sistema de pares a los nucleótidos de la ribozima (RZ2). Estas uniones serían muy específicas a la vez que fácilmente reversibles, características que más tarde iban a ser cruciales en la replicación del ADN con la posterior traducción a proteínas. La teoría avalada por experimentos demuestra que una tríada de nucleótidos puede presentar las mejores características para este tipo de enganche. Lo que nos lleva a la idea de los codones del código genético.

Posible inicio de las diversas funciones del ARN según la teoría del biólogo Eörs Szathmáry (A partir del libro de John Maynard Smith “The major transitions in evolution”). En esta imagen las ribozimas, representadas por hexágonos, no ejercían función estructural, sino solamente la función de ayuda catalizadora.

En el proceso, representado en la figura anterior, nos encontramos ya con una ribozima (RZ1) catalizando un cofactor, la figura más ancestral de una enzima . Luego tenemos a un cofactor unido mediante pares de nucleótidos a una ribozima (RZ2), que ejerce una función de algo semejante a un ARN mensajero. En estas uniones nos encontramos con lo que probablemente serían tríadas de nucleótidos, una de las bases del código genético. Pero también podemos imaginar que este esquema podía repetirse de manera que se formara una cadena de varios aminoácidos, colateral a otra cadena de tripletes de nucleótidos, colateral a su vez a una tercera cadena, la de la ribozima.

Paso 3.   FORMACIÓN DE CADENAS DESUNIDAS DE AMINOÁCIDOS, TRIPLETES DE NUCLEÓTIDOS Y RIBOZIMAS

Otra ribozima (RZ3) debió catalizar la unión de los aminoácidos transformándolos en algo parecido a una primitiva cadena proteínica, de forma que, en primer lugar, la ribozima base ejercería la función de ARNm portador de la información; en segundo la cadena intermedia de nucleótidos formaría lo que puede considerarse un ancestro del ARNt de transferencia (interpreta la información del ARNm mensajero y la transforma en aminoácidos); y por fin las cadenas de aminoácidos catalizadas por la ribozima RZ3, antecedente del ribosoma, acabarían constituyendo oligopéptidos (proteínas o semejantes).

Paso 4.   UNIÓN DE LAS CADENAS FORMADAS EN EL PASO 3   —–>   FORMACIÓN DEL SOFTWARE GENÉTICO

El siguiente paso sería la reutilización de las cadenas de nucleótidos que quedarían libres tras el proceso. En este momento es cuando se debió diferenciar en la estructura del ribozima mensajero las fracciones que desarrollarán la “función gen”: algunas partes se comportarían mejor como mensajeros, perdiendo poco a poco su capacidad catalítica, mientras que otras partes seguirían con su función metabolizadora como enzima. Esta división aportaría ventajas en cuanto a la rapidez de la función enzimática y la reutilización de los mensajeros: el resultado pudo ser el inicio del ARNr (ribosómico) a partir de la ribozima RZ3.

La anterior hipótesis de Eörs Szathmáry puede ser plausible, aunque seguimos con incógnitas de las que desconocemos su solución: la duda se centra en el tamaño, ya que el ARNm es más largo que una ribozima y las proteínas son más largas que los oligopéptidos sintetizados en el proceso anterior.

Y ahora, una vez conocidas las bases generales de la genética a partir de lo dicho en esta entrada y en la anterior, pasaremos a analizar los principios universales de uno de sus principales subproductos, la herencia.

¿Por qué vamos a profundizar en las reglas de la herencia?

Precisamente por ser la base fundamental en el análisis de la evolución de las especies. La información genética de los padres se hereda. En el camino, los genes son intervenidos por múltiples factores externos que hacen que varíen, que añadan o que eliminen secuencias genéticas, resumiendo: que modifiquen el genotipo de los seres vivos. Y estas modificaciones heredadas son las que, conjuntamente con la presión ambiental, han conducido a la Vida desde la primera síntesis celular hasta la múltiple variedad de seres que conviven en la actualidad.

Las células se reproducen. De forma variada. Desde la solución más sencilla hasta seguir procesos más complejos. El objeto de la reproducción es, en definitiva, la continuidad de la cadena de cesión de información genética.

Reproducción por fisión binaria (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

La solución más sencilla es “partirse por la mitad”, la fisión binaria, que es una forma asexuada de reproducirse adoptada por organismos muy elementales como las bacterias y algunas eucariotas unicelulares. Se duplica el material genético, se parte la membrana y el citoplasma, y se reparte todo en dos nuevos seres independientes. Este tipo de reproducción produce una tasa de crecimiento exponencial. Por ejemplo, bajo condiciones óptimas, la bacteria Escherichia coli se puede dividir una vez cada 20 minutos.

Las desarrolladas células eucariotas han optado por una división más compleja,  siguiendo dos necesidades fisiológicas. Por un lado, como componentes fundamentales de los organismos pluricelulares, precisan reemplazar células que han muerto o han perdido su funcionalidad, y así reparar los posibles daños del organismo al que pertenecen: en este caso deben hacer copias idénticas y situarlas en el lugar de las caídas en combate. Esto lo consiguen siguiendo el proceso de mitosis que se explica a continuación.

División por mitosis (Wikimedia, dominio público)

En la mitosis se generan dos células completamente idénticas a la madre y como hemos comentado es la base para el crecimiento y reparación de tejidos de un organismo complejo o bien la base de la reproducción asexuada. En el primer paso de la mitosis se produce la duplicación de los cromosomas. Inicialmente adoptan una forma semejante a un aspa con un punto central llamado centrómero. A la vez, se duplica un orgánulo del citoplasma que se llama centrosoma que es el que organiza el material del citoesqueleto celular, los microtúbulos. Los centrosomas duplicados tienen una forma de estrella con pelos que mientras van creciendo se desplazan cada uno hacia polos opuestos de la célula, generando una especie de huso de microtúbulos.

Fase intermedia de la mitosis.  Pueden verse los centrosomas ya separados y el huso, ambos en verde, al que ya están fijos los cromosomas  de color azul (Wikimedia, dominio público)

Posteriormente se desintegra la membrana nuclear quedando libres los cromosomas que se disponen en el plano ecuatorial de la célula. Allí se unen por su centrómero a uno de los microtúbulos del huso el cual va a actuar como cuerda tractora. Los centrosomas situados en los polos tiran de los cromosomas, que se dividen en dos, separando los dos juegos resultantes. Poco a poco los dos paquetes de cromosomas se van rodeando de una nueva membrana nuclear. Mientras, se va dividiendo también el citoplasma, tomando la célula una forma de cacahuete, hasta que finalmente se parte. Y así se consiguen dos nuevas células genéticamente clónicas. Etimológicamente mitosis viene del griego μιτον, “hebra” con el añadido de –sis, lo que quiere decir “en situación de, con aspecto de hebras”, en referencia al aspecto del huso.

Advertimos aquí que este procedimiento es el primer paso para la reproducción sexuada con transmisión de variedad genética. Esto se consigue a través del proceso llamado meiosis, que hace posible la existencia de células haploides que llevan la mitad de la dotación cromosómica de la especie a la que pertenece. De esta forma, tras el encuentro posterior de dos de este tipo de células, los gametos, se construirá una célula diploide completa con doble juego cromosómico.

División por meiosis. Obsérvese por el código de colores que hay intercambio de material genético entre cromosomas no homólogos (A partir de Wikimedia, dominio público)

Sin embargo, la meiosis es un proceso de división celular por el que una célula con dotación cromosómica doble (2n) experimenta dos divisiones sucesivas según un proceso de generación de huso y arrastre de cromosomas parecido al de la mitosis, con el resultado de generar cuatro células con un juego sencillo de cromosomas (n) cada una. En la primera división se duplican los cromosomas formando el aspa. En este estado, a diferencia de en la mitosis, cada pareja de aspas homólogas intercambian material genético por entrecruzamiento. Tras lo cual las parejas de aspas se ven sometidas a un proceso similar a la mitosis, generándose dos células con la mitad de los cromosomas, pero replicados en forma de aspa. En la segunda fase de la meiosis se completa otra mitosis partiéndose las aspas, apareciendo al final cuatro células haploides. Se comprende por tanto el significado etimológico de la palabra meiosis: del griego μείωσις , “disminución”.

Es importante hacer énfasis en lo que se dijo acerca de que en la primera fase del proceso de meiosis los cromosomas homólogos pueden entrecruzar sus genes (ver figura siguiente) por lo que el cromosoma heredado en el gameto casi con toda seguridad no tiene la misma secuencia de genes que en los cromosomas paternos o maternos originales. Eso ocurre físicamente porque los cromosomas paternos o maternos en la primera fase de sus meiosis se pueden tocar y solapar en parte, de forma que al dividirse se producen errores, ya que se unen fragmentos cromosómicos en donde no correspondería encontrarlos. Como si se barajase el material genético de cada par de cromosomas y se reconstruyeran de nuevo de forma aleatoria. El resultado es que en las células haploides hijas los cromosomas no tienen la misma información genética, no son clónicas, ni el mismo orden de genes que el de la cadena de la célula progenitora diploide.

Entrecruzamiento de dos cromosomas con intercambio de alelos, paso inicial de la meiosis 1

Con posterioridad, al juntarse los gametos masculinos y femeninos se reconstruyen las células diploides, emparejándose los cromosomas homólogos de ambos gametos. Disponen cada uno de la misma información genética que los padres respectivos pero diferentemente secuenciada y emparejada: el genotipo intrínseco es el mismo, pero el fenotipo, la futura manifestación externa del hijo, puede variar. En resumen, la meiosis es la solución que ha triunfado en los organismos más complejos a partir de la cual se producen gametos masculinos y femeninos, que con posterioridad se unen entremezclándo la dotación genética de las células progenitoras masculina y femenina. El resultado es la generación de un nuevo ser diploide con un acervo genético distinto al de los padres.

La primera persona que intuyó que en el proceso de la herencia había oculto algo parecido a lo comentado fue el monje agustino austriaco Gregor Mendel, que en el siglo XIX realizó una serie de ensayos con el entrecruzamiento de variedades de guisantes. Seleccionó siete características de estas plantas y vio la evolución de las mismas en las plantas hijas a través de diversas generaciones. Comprobó cómo se iban transmitiendo estas siete características de una generación a otra y con qué proporciones se repetían, desaparecían o se entremezclaban. Y sacó una serie de conclusiones^[1] experimentales que podían resumirse en que cuando cruzaba dos variedades puras –no híbridas- de una misma especie, los descendientes eran todos iguales e idénticos a uno u otro progenitor. Además constató que al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, sus descendientes se repartían entre cuatro fenotipos diferentes, uno el de su abuela, otro el de su abuelo y los dos restantes el de sus progenitores directos. Mendel también observó que algunas veces no pasaba lo anterior, ya que  rasgos diferentes eran heredados de forma independiente unos de otros, de forma que el patrón de cómo se heredaba un rasgo no afectaba al patrón de herencia del otro. Se podía heredar uno sólo, o el otro, o bien los dos, sin una norma exacta y repetitiva. Pero nunca supo por qué sucedía lo que él observaba.

Lo atribuyó a unos factores que serían algo así como entidades independientes en el proceso de la herencia. Unos, los dominantes, se repetían generación tras generación y otros, los recesivos, desparecían. Hoy sabemos que estos factores son los genes, y sus recombinaciones son consecuencia de la existencia de los dos alelos que codifican cada característica. Los alelos son cada una de las formas alternativas que puede tener un gen y que se encuentran en el mismo lugar físico de cada cromosoma de la pareja de homólogos.

Tras este rápido repaso sobre la genética y la herencia estamos ahora en condiciones de recuperar la biografía de la Vida, que la habíamos dejado en un punto en que se había conquistado el núcleo celular y la estrategia de la reproducción sexuada que le conducirá al final por un excitante y variado camino. En la próxima entrada avanzaremos a través  del siguiente salto evolutivo de los ocho fundamentales en la serie de John Maynard: el paso hacia la multicelularidad por la que la célula eucariota se asocia. Hasta entonces.

1. Conocidas como las leyes de Mendel,  un  conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia genética de las características de los organismos padres a sus hijos.

Al acabar la entrada anterior de la serie la Biografía de la Vida habíamos dejado a unas células eucariotas que habían aprendido una habilidad que con el tiempo les va a abrir un mundo de desarrollo y complejidad: la reproducción sexuada. Hoy vamos a darnos un paseo por un campo teórico de la Vida. No hablaremos de organismos en particular, ni de habitantes de la biosfera, sino de algo compartido por todos, desde las bacterias a los elefantes africanos, pasando por las libélulas o las estrellas de mar: hablaremos de la genética.

La genética

No entenderíamos el proceso de la herencia si no profundizáramos antes en los mecanismos básicos de la genética: qué es un gen, como actúa el ADN, cuál es el diccionario universal para interpretar a los genes, etc…

El genotipo es la totalidad de la información genética que posee un organismo, que conjuntamente con el medio ambiente determina la forma de ser tanto física como de conducta de un individuo. Ya sabemos que no sólo se encuentra en los núcleos celulares de las eucariotas o en el nucleoide de las procariotas, sino también en otros orgánulos celulares como los ribosomas, las mitocondrias o los cloroplastos. Es un compendio de la historia evolutiva de cada individuo. Hay una parte de él que tiene una antigüedad de más de 3.500 millones de años, que le ha sido transmitida a través de millones de antecesores, y otra parte nueva, que es exclusiva de cada uno de ellos.

La información del genotipo se esconde en el ADN, y más concretamente en los genes, y se transmite mediante la herencia a la descendencia.

Pero ¿qué son los genes?

El ADN es el Ácido DesoxirriboNucleico. Es el tipo de molécula más compleja que se conoce, formada por una larga secuencia de nucleótidos, que contiene la información necesaria para poder controlar el metabolismo y la herencia en un ser vivo. El ADN es, en definitiva, el “sancta sanctorum” donde reside su información genética.

El nucleótido correspondiente a la base nitrogenada Adenina

Los nucleótidos son moléculas orgánicas formadas por la unión de un azúcar de cinco carbonos, una base nitrogenada y un grupo fosfato. En el ADN el azúcar es la desoxirribosa y las bases nitrogenadas son de cuatro tipos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Las cadenas del ARN son ligeramente diferentes ya que cambian el azúcar, que ahora es la ribosa, y la timina que pasa a uracilo (U). Tanto en el ADN como en el ARN los nucleótidos se unen entre sí mediante sus grupos fosfato.

Los nucleótidos son capaces de emparejarse mediante enlaces por puentes de hidrógeno^[1], siempre de la misma forma y siempre Adenina-Citosina y Guanina-Timina. Y no puede ser de otra manera por estrictas razones físicas de la configuración geométrica de sus moléculas. Las parejas de nucleótidos –parejas de bases- así conformadas se unen ahora entre sí a través de sus grupos fosfato. En la figura de más abajo se pueden ver ambos tipos de enlaces, los puentes de hidrógeno como una mera unión por aproximación de cargas negativas y positivas y el segundo como un enlace fosfodiéster^[2] En esta reacción se libera una molécula de agua y se forma un dinucleótido. en donde sí se comparten orbitales electrónicos entre moléculas.

Esta sencilla estructura se repite formando un largo polímero que se “retuerce” adoptando la forma de una doble cadena helicoidal que mide de 2,2 a 2,6 nanómetros (un nanómetro equivale a 10^-9metros) de ancho, mientras que un nucleótido tiene una longitud de 0,33 nanómetros. Aunque cada unidad individual de la hélice es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, tiene aproximadamente 250 millones de pares de bases. También se sabe que en algunos casos el ADN puede adoptar una configuración de cuatro hebras: “cuádruple hélice”. 

Esta doble hélice, con la ayuda de ciertas proteínas llamadas histonas, se enmadeja y se empaqueta hasta formar la cromatina en la situación habitual de la célula o como cromosomas cuando está en proceso de mitosis. La cromatina adopta una forma de fibras enrolladas que pueden variar en su grado de compactación. En su estado más laxo (eucromatina), se ve como una fibra delgada y dispersa, lo que permite el acceso al ADN para la transcripción. En su estado más compacto (heterocromatina), se enrolla de forma más densa y apretada, haciendo que el ADN sea menos accesible. Las dos formas de cromatina no son excluyentes, sino que coexisten dentro del núcleo de una misma célula.

Los biólogos James Watson y Francis Crick fueron los que en 1953 propusieron la estructura helicoidal para esta molécula, por lo que recibieron el premio Nobel de Medicina en 1962. A decir verdad ellos culminaron el trabajo de muchos científicos anteriores, desde el español y también premio Nobel Severo Ochoa hasta la británica Rosalind Franklin que les dejó la solución en bandeja.

La cadena helicoidal del ADN y detalle de los dos tipos de enlaces que le dan cohesión

Un gen está constituido por una determinada sucesión de nucleótidos de la molécula de ADN. Esta secuencia de nucleótidos puede ser, por ejemplo, la AATGGCCGTTAG, y su pareja “cremallera” de la hélice del ADN, la TTACCGGCAATC. La disposición ordenada de las cuatro bases constituye una información “digital” necesaria para la síntesis de las proteínas, aunque también informa sobre diversos tipos de ARN, ya sea mensajero, ribosómico o de transferencia. Por este motivo la cantidad de información se suele dar en pares de bases.

No obstante, no toda la secuencia de pares de bases de la cadena es útil a efectos de genera una proteína ya que unas partes codifican información (los exones) y otras no (los intrones). Hasta hace poco no se sabía muy bien el porqué de la ausencia de este tipo de funcionalidad de los intrones, aunque al hablar de la aparición del núcleo celular^[3] ya planteamos una teoría de su existencia y función. Pero los conocimientos de la genética están evolucionado enormemente en los últimos años. Ahora sabemos que los intrones no son tan inútiles como se postulaba pues, aunque no codifican proteínas directamente, son fundamentales para la regulación, diversidad y evolución genética. Lejos de ser inútiles, permiten que los genes sean más versátiles y adaptables. Así pues, un gen consistiría en una serie de exones entre los que se intercalan uno o varios intrones no codificantes. Hoy sabemos que cerca del 30% del ADN de las eucariotas está formado por intrones, mientras que las procariotas carecen de ellos.

Pero volvamos al genoma. La longitud del ADN es diferente para cada especie, de forma que incluso especies parecidas tienen cantidades de ADN muy diferentes entre sí, como se puede ver en la figura siguiente. El del hombre tiene unos 3.200 millones de pares, es decir, incorpora una información equivalente a 60.000 entradas como ésta que estás leyendo si cada par equivaliera a una letra, en los que se encuentra escrito todo el historial evolutivo de nuestra especie.

Longitud del genoma en pares de bases

Ahora bien, lo realmente significativo es el número de genes diferentes, ya que ello define en principio el potencial químico del ADN. El arroz tiene unos 40.000 genes, la mosca 13.900 y el hombre unos 21.000. Produce sorpresa la comparación entre el arroz y el hombre, por ejemplo, aunque se cree que la regulación de los genes humanos es más rica, compleja y eficiente. Y en ello tiene mucho que ver el ADN no codificante de proteínas y otros factores de regulación biológica en las células. El tamaño del genoma del Trillium, planta de la familia de los lirios, es más de 20 veces el de la planta del guisante y 30 veces el de los humanos. Algunas amebas unicelulares tienen un genoma 200 veces el tamaño del genoma humano. Estas incongruencias, que se conoce como la paradoja del valor C, pueden explicarse por la existencia del ADN no codificante, del que hablaremos unos pocos párrafos más adelante.

En la figura anterior hemos visto cómo a medida que se va avanzando en la escala evolutiva, parece como si el genoma tendiera generalmente a hacerse mayor. Aunque no es una regla perfecta entre familias sí lo es entre las especies dentro de una misma familia. Pero ¿cómo sucedió esto? ¿Cómo pudo ser que las antiguos ácidos nucleicos alargaran sus cadenas?

En otra entrada anterior,^[4] donde hablábamos de la “teoría del hidrógeno” de Martin y Müller, ya comentamos la aportación de las mitocondrias al ADN de sus hospedadoras. Ésta fue una vía, aunque también hay otras teorías.

Como la que explicaba ya en 1985 el biólogo Thomas Cavalier-Smith partiendo de la realidad apuntada un par de párrafos antes: un organismo más evolucionado desarrolla un metabolismo más complejo, que simplemente requiere un mayor espacio donde llevar a cabo su química, lo que al final supone una célula mayor. Como hay una correlación entre la actuación del ARN ribosómico en el citoplasma celular -en donde se fabrican las proteínas- y el ARN que transcribe el ADN en el núcleo, es preciso un núcleo más grande en una célula más grande. El proceso de mitosis (hablaremos de este tipo de división celular un poco más abajo) de un núcleo más grande, con sus estructuras de microtúbulos, centriolos y husos, pudo requerir cromosomas más largos. Esto no suponía un mayor número de genes, ya que se necesitaban los que se necesitaban. Así que el ADN creció duplicando y duplicando largas porciones de su cadena molecular. Es un hecho que casi la mitad del ADN de las células eucariotas consiste en secuencias de nucleótidos que se repiten centenares o miles de veces.

Pudo ser consecuencia de este desmedido crecimiento el que en las células eucariotas exista un exceso de ADN que no expresa directamente proteínas, el llamado ADN no codificante, del que sólo ahora empieza a conocerse algunas de sus funciones. En la especie humana sólo del 1 al 2 % del ADN son genes codificantes. En las células procariotas, sin embargo, se usa casi todo el ADN.

¿ADN basura? 

Hasta hace poco al ADN no codificante se le llamaba ADN “basura”, ya que se suponía que no desarrollaba ninguna función siendo el resultado de antiguas duplicaciones en la cadena del ADN y restos de genes desactivados. Sin embargo, en los últimos años está ganando fuerza la teoría de que todo ese material genético no codificante sí debe tener alguna funcionalidad, como pudiera ser el dotar al ADN de su forma y estabilidad fisicoquímica, o bien ejercer una función reguladora controlando el nivel de expresión génica, entre otras. En 2003 se inició el proyecto ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements)^[5] que pretendía constituirse en una completa enciclopedia del ADN. Los estudios desarrollados han llegado a conclusiones que echan por tierra el concepto del ADN basura al concluir que por lo menos el 80% de la cadena de ADN considerada como “no codificante” tiene actividad biológica y hace que el ADN codificante se exprese, se active o se silencie. Es como si fuese un gran panel de control con millones de interruptores, que según se posicionen alteran el resultado final de la expresión de los genes “activos”. Es decir, que estos no funcionan de forma individual bajo el lema “un gen-una proteína”, sino que todo quedaría en manos de redes extensas de interacción entre grupos de genes.

De todas formas no debería extrañarnos la existencia del ADN “basura”, ya que debe ser consecuencia casi espontánea de la evolución. El comportamiento general de ésta no es que se corresponda ciertamente con algo ordenado, perfectamente diseñado en todos sus detalles y eficiente; al contrario, se comporta casi como una gran chapuza de recorta y pega. Los fenómenos de degeneración de algún gen y consiguiente pérdida de su funcionalidad, así como la inmersión de virus en las cadenas del ADN es una realidad que se ha venido produciendo a lo largo de toda nuestra historia genética. Y el hecho de que todas estas “imperfecciones” no hayan sido lavadas se debe en parte a que no son perjudiciales, no hacen daño en el funcionamiento metabólico, y tocarlas sin necesidad supone un riesgo de desequilibrio. Y en otra gran parte a que es pieza de una estrategia de diversidad, agilidad y duplicidades de soluciones: el “desorden” en la regulación y expresión génica no es un error sino un recurso evolutivo clave para la versatilidad, rapidez de respuesta y complejidad funcional en organismos superiores.

Porque la “indiferencia” de la evolución también tiene ventajas. A mayor longitud (¿mayor porcentaje de ADN basura?) mayores son las oportunidades. Cualquier modificación “indiferente” en la cadena de nucleótidos que conforman el ADN entra a formar parte en el acervo genético con futuribles. En el entorno ambiental del momento de la alteración la mutación se manifiesta como irrelevante. Pero en un entorno cambiante puede ser probable que en un futuro las nuevas condiciones medio ambientales den una oportunidad a un gen hace mucho tiempo mutado, incluidos los de la cadena de ADN no codificante, un gen que lleva consigo lo que en las nuevas circunstancias se manifiesta como una ventaja evolutiva. De esta manera podemos generalizar que a mayor longitud del ADN “basura” mayor es el número de mutaciones “indiferentes” que alberga y a la vez mayor es el número de oportunidades durmientes a la espera de activarse cuando el medio reconozca su ventaja. Quién sabe si esta pueda ser la defensa futura frente a enfermedades hoy en día incurables ¿Por qué hay individuos que no desarrollan una enfermedad aunque estén contagiados con el patógeno que la produce? Tengo que reconocer que esto último es una mera especulación mía pero bien pudiera ser.

La expresión génica es algo endiabladamente complejo

En los organismos eucariotas las secuencias codificadoras de exones dentro de un gen normalmente no son continuas, sino que^[6] están interrumpidas por las secuencias no codificadoras de intrones. Cuanto más evolucionada es una especie más cantidad de intrones tiene. Cuando se ha de codificar una proteína o un ARN, los intrones deben desacoplarse, y sabemos que lo hacen dentro del núcleo, para que la cadena de exones se reúna después antes de empezar su trabajo. Todo ello constituye lo que llamamos splicing, el empalme alternativo. Es, efectivamente, una fuente de posibles errores y cambios, aunque también es una fuente de versatilidad.

Transcripción de la secuencia codificadora del gen del ADN al ARN mensajero

Durante el proceso de splicing pueden producirse distintas alternativas de combinación de los exones -splicing alternativo-, de tal manera que a partir del mismo pre-ARN mensajero pueden obtenerse diferentes proteínas (ver figura siguiente). De esta forma, la cantidad y variabilidad de proteínas posibles aumenta considerablemente sin que lo tenga que hacer el número de genes. De hecho, se calcula que en el ser humano cerca del 50% de transcritos primarios son susceptibles de sufrir splicing alternativo. Llegando al caso extremo hoy por hoy conocido, el del gen Dscam de Drosophila, que presenta 38.000 variantes de splicing, y por tanto de proteínas subproducto, un número mayor que el del total de sus genes.

Esquema del funcionamiento del splicing alternativo, mediante el cual un mismo gen puede expresar diversas proteínas distintas

Lo anterior refuerza las conclusiones del ENCODE y pone patas arriba la idea, casi ley, de que a cada gen le corresponde una proteína. Las particularidades del proceso de expresión de los genes que exponemos a continuación ayudarán a reforzar el entendimiento del concepto anterior.

Tanto en procariotas como en eucariotas, al comienzo de la secuencia codificante de un gen aparece una sección de ADN denominada promotor, que es capaz de activar o desactivar la transcripción del gen, proceso que suele estar mediado por proteínas específicas llamadas factores de transcripción. Incluso los propios intrones participantes en el splicing pueden realizar estas funciones de regulación. Este proceso es casi como poner una llave en la cerradura y abrir la puerta (aunque la realidad no es tan mecánica).

Pero hay otra modalidad de expresión de genes por la que se abre la puerta con un mando a distancia. Es otro tipo de mecanismo de control que está constituido por los interruptores genéticos, que son estructuras distintas a los promotores y que están constituidos por dos elementos: los potenciadores y los factores de transcripción. Un potenciador, o intensificador, es un fragmento de la propia cadena de ADN no codificante, que puede encontrarse cerca del gen o alejado de él -incluso a miles de nucleótidos de distancia- y que presenta unos lugares específicos de unión física para los factores de transcripción. Cuando los factores de transcripción se unen al potenciador, el gen se «activa», produciéndose la transcripción. Los potenciadores son como un cerrojo wifi en donde tiene que entrar una llave determinada para que la trascripción tenga lugar.

Lo que parece tan sencillo tiene una segunda derivada decisiva para el organismo. Los factores de transcripción no dejan de ser unas proteínas más que requieren en su “fabricación” la acción de más genes. Con lo cual deberemos plantearnos la siguiente pregunta ¿quién regula a su vez los factores de transcripción? No debe resultar sorprendente el que al perseguir fisiológicamente este tema lleguemos a causas que encontramos, entre otros, en la situación química del medio citoplasmático, o en la influencia de las células vecinas, o en los niveles hormonales que permean todo el cuerpo, o incluso ¡lo que está sucediendo fuera de él, en su exterior!^[7] es decir, en el ambiente donde se encuentra inmersa la célula: los genes no completan su sentido si nos olvidamos del contexto del ambiente en donde se expresan. Realmente se observa que cuanto más complejo genómicamente es un organismo, mayor es el porcentaje del genoma dedicado a la regulación génica a cargo del ambiente. Lo que nos conecta con lo que habíamos dicho más arriba acerca de la capacidad codificadora de genes que encontramos en el ADN “basura”.

Pero los procesos reguladores se nos complican más al saber de la “plasticidad” de las proteínas y sus tendencias “promiscuas”. Las proteínas no siempre son rígidas ni exclusivas: pueden cambiar de forma (plasticidad) lo que les facilita el tener múltiples y evanescentes interacciones (promiscuidad) según las circunstancias, lo que les da versatilidad funcional y un papel clave en la complejidad biológica. La plasticidad les permite adaptarse a diferentes entornos o condiciones celulares, a interactuar con múltiples moléculas o a cambiar su actividad según el contexto; mientras que la promiscuidad les es útil para ahorrar recursos celulares, favorecer la evolución de nuevas funciones o participar en redes de señalización complejas^[8]. A diferencia de las proteínas rígidas que tienen una única forma funcional, muchas proteínas pueden “moldearse” dinámicamente. Esto es especialmente importante en procesos como la señalización celular (la “conversación” entre células), el reconocimiento molecular (la “conversación” entre moléculas), la catálisis enzimática o la respuesta al estrés. Esta flexibilidad les permite cumplir diversas funciones sin necesidad de cambiar su secuencia de aminoácidos. Es una propiedad crucial para la adaptación y la regulación biológica. Un ejemplo lo tenemos en la proteína p53 supresora de tumores. Su estructura es flexible y se reorganiza para interactuar con diferentes tipos de ADN, proteínas reguladoras y otros cofactores. Según el tipo de daño celular o señal externa, p53 adopta distintas conformaciones que determinan si la célula debe detenerse, repararse o entrar en apoptosis (muerte celular programada).

Algo semejante lo encontramos en la promiscuidad de las proteínas, que es la versátil capacidad funcional que tienen algunas de ellas -especialmente enzimas y proteínas reguladoras- para interactuar con múltiples socios moleculares o catalizar más de una reacción diferente. Esta promiscuidad no es un error del sistema sino una característica evolutivamente ventajosa, ya que permite eficiencia, reutilización funcional y mayor adaptabilidad en entornos cambiantes. Encontramos un ejemplo en citocromo P450, una familia altamente promiscua de enzimas presente en casi todos los organismos. Son capaces de reconocer y metabolizar una gran variedad de sustratos con estructuras químicas muy distintas. lo que se revela fundamental en el hígado humano, donde permite que el cuerpo procese y elimine múltiples sustancias sin necesidad de tener una enzima distinta para cada una.

Lo ampliamos. En el interior de la célula muchas proteínas no actúan de forma aislada sino que tienden a agruparse en conglomerados temporales que se forman y disuelven según las necesidades funcionales del momento. A diferencia de los complejos proteicos estables que tienen una estructura fija y función constante, estos conglomerados, también llamados condensados biomoleculares, son dinámicos y reversibles. Se comportan como gotas líquidas sin membrana, concentrando proteínas, ARN y otras moléculas específicas en espacios reducidos dentro del citoplasma o del núcleo. Los componentes de estos conglomerados entran y salen continuamente de la gota, lo que permite una renovación constante y una gran flexibilidad funcional. Esta dinamicidad es esencial para que la célula pueda adaptarse rápidamente a cambios internos o señales externas. Por ejemplo, en situaciones de estrés se forman ciertos condensados para secuestrar proteínas o ARN y protegerlos hasta que las condiciones vuelvan a ser favorables. Y en particular, en el núcleo se generan algún tipo de esos conglomerados que regulan la expresión génica, ensamblándose cerca de determinados genes para activar o silenciar su transcripción, y luego desapareciendo cuando ya no se necesitan. ¿Cómo lo consiguen? es materia aun no muy conocida.

Para completar la nómina de “perturbaciones” genéticas hay que comentar también las que introduce la cromatina. La plasticidad de la cromatina -su capacidad de cambiar entre estados más abiertos (eucromatina) o compactos (heterocromatina)- es clave para la regulación de la expresión génica, porque determina qué regiones del ADN están accesibles para ser leídas y transcritas. Cuando la cromatina se relaja, los factores de transcripción y la maquinaria celular pueden acceder al ADN, lo que favorece la activación de genes. En cambio, cuando se condensa, el ADN queda “oculto” y los genes en esa región suelen estar silenciados. Pero es que además se presta a modificaciones puntuales, esporádicas y temporales gracias a las que la expresión génica se adapta a diferentes funciones, tiempos y entornos. Por ejemplo, la reconfigura de la cromatina abre en la célula regiones de genes específicos necesarios para su nueva función o cierra otras regiones que ya no necesita, es decir,  que células con el mismo ADN puedan expresar genes distintos según su identidad.

Lo descrito hasta ahora nos permite entender cómo muchos genes tienen expresiones de lo más variopintas y nada específicas, provocadas por iniciadores y causas muy diversas. A la casuística de tener más de un potenciador y por lo tanto más de un «interruptor» que en buena medida depende del ambiente, se le añade la aleatoria diversidad que permite el splicing, o el difuso (por lo aun desconocido para nosotros) comportamiento de las especiales “habilidades” de las proteínas celulares o la versatilidad estructural de la cromatina… entre otras mil cosas sabidas y aun no entendidas. Esto permite que un único gen juegue su papel en distintos momentos, cuándo, y lugares del desarrollo del organismo, dónde, existiendo un control independiente para cada uno de ellos. Es como si los genes fueran una especie de subrutinas estándares dentro del software del ADN,^[9] a las que se acude cuando un programa más general requiere de su intervención. El ADN se comporta más como una caja de herramientas (genes) que como un ente con algún tipo de entes con una agencia precisa.

También sabemos que la regulación génica no está exclusivamente en manos de las proteínas sino también en las de cadenas de ARN regulador no codificante, expresadas por los propios genes. La regulación génica por ARN’s largos y cortos no codificantes es un mecanismo esencial que complementa y afina la expresión de los genes más allá del control directo del ADN. Y aunque no codifican proteínas, estos ARN cumplen funciones reguladoras potentes, actuando a distintos niveles del proceso génico. Los ARN de cadena corta no codificantes Incluyen principalmente los microARN (miARN) y los siARN (ARN pequeños de interferencia). Son moléculas de unos 20-25 nucleótidos que regulan la expresión post-transcripcionalmente, es decir, después de que el ARN mensajero (ARNm) ha sido producido. Mientras que los de cadena larga no codificantes, con más de 200 nucleótidos, ejercen una acción más diversa y menos comprendida que la de los ARN cortos. Pueden actuar en el núcleo o en el citoplasma y regulan la expresión génica de múltiples maneras: Modulando la estructura de la cromatina al reclutar proteínas que activan o silencian genes; interfiriendo con la transcripción al unirse al ADN o al ARN en formación; o secuestrando proteínas reguladoras o miARN al actuar como “esponjas” moleculares.

La complejidad que hemos intentado poner de manifiesto en los párrafos anteriores remacha lo erróneo de la visión tradicional de “un gen: una proteína: una función”. La regulación fisiológica es algo más, mucho más complejo. Parece como si la simple línea causal expuesta fuera mucho más rica, como si en cada nivel de complejidad biológico emergiera su propia dinámica causal autónoma que no precisara de la de niveles “inferiores” (o superiores), pero que convivieran a la vez sin ser excluyentes. Algo así como pasa en el mundo de la física en la que siendo el mismo dominio, la causalidad cuántica no tiene nada que ver con la causalidad química y esta con la biológica, aunque todas se necesiten. La emergencia de la causalidad en la regulación biológica surge de interacciones dinámicas, distribuidas y a múltiples niveles. En lugar de que un solo elemento dicte el resultado, es la red de relaciones entre genes, proteínas, metabolitos, señales y estructuras celulares la que genera comportamientos regulados y coherentes. Esta causalidad emergente no puede predecirse completamente a partir de las partes individuales, porque el todo tiene propiedades que van más allá de la suma de sus componentes. Por ejemplo, la diferenciación celular o la respuesta inmune no se explican únicamente por la presencia de ciertos genes, sino por cómo estos genes se activan o silencian en contextos específicos, influenciados por el entorno, la historia celular y otras señales. Vemos entonces como la biología moderna se está adentrando en una senda que deja atrás la idea de que la causalidad biológica es simple y jerárquica, al percatarse y reconocer que es compleja, contextual y emergente.

Como vemos, la expresión génica, y sus derivados aguas abajo, está configurado como un proceso complejo y sofisticado que permite que los organismos celulares alcancen fenotipos muy desarrollados. Pero no olvidemos sus inicios, que se remonta quizás en la simbiosis que creó las mitocondrias. Y con ellas los transposones, los intrones, con su capacidad de autorrecorte. La célula reaccionó de muchas maneras para aplacar el problema, entre otras aplicando el splicing aprendido de los transposones a los trozos en que quedaban divididos sus genes, proceso por el que no solamente limpiaba y reconstruía la cadena completa de un gen inicial, sino que en el proceso se producirían además errores que formarían nuevos genes, los cuales a su vez expresarían nuevas proteínas. Inicialmente los errores podrían tener poco efecto, pero con el tiempo la nueva proteína podría asumir una función novedosa. Es sorprendente cómo de forma fortuita la deriva de las eucariotas para combatir a los intrones hizo a sus genes más versátiles y más capaces de apoyar nuevas estrategias evolutivas.

Hay que avanzar. Hasta aquí hemos definido qué es el genotipo, cómo son los genes y algunos mecanismos de activación del proceso de transcripción o de expresión proteínica. Pasemos a ver cuáles son los códigos secretos que traducen la información inmersa en las secuencias de nucleótidos de los genes de forma que se den las instrucciones precisas para sintetizar una proteína.

El código genético

Todo funciona gracias a un manual de contraseñas llamado código genético. Por su sencillez resulta brillante y elegante. Por su universalidad resulta abrumador: todos los seres vivos utilizan este manual de reglas secretas, desde la más humilde bacteria a una cactácea, desde un hongo al mamífero más complejo, todos utilizan el mismo manual de traducción. Este código es muy ancestral y prácticamente no ha sufrido cambios, lo que indica un origen único y universal. Realmente es una prueba casi concluyente del origen común de los individuos vivos, de la existencia de un ancestro común. Fuera cual fuera el detonador del origen de la Vida.

Todo está basado en los codones o grupos repetitivos de tres nucleótidos seguidos, y en un mismo orden, en la cadena de un gen. Cada codón transcribe la orden de sintetizar uno de los 20 aminoácidos existentes en los organismos vivos.

Sabemos que cuatro son los nucleótidos formantes del ADN, adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C), y además el uracilo (U), que en el ARN sustituye a la timina. Si los agrupamos de tres en tres, con repetición, tendremos 64 (4³) posibles ternas, 64 posibles codones. Dado que solamente se deben sintetizar 20 aminoácidos está claro que a un mismo aminoácido le puede corresponder más de un codón, pero nunca un mismo codón expresará más de un único aminoácido. A eso se le llama una relación “degenerada”. Si no fuera así, la probabilidad de error en las traducciones que se realizan en los ribosomas sería muy elevada.

Hay tres ternas que codifican la orden de parada en el proceso de síntesis de la proteína. Y hay un codón, el AUG, que se corresponde con el aminoácido metionina, que codifica el inicio. Todos los procesos de traducción de una secuencia de nucleótidos en otra de aminoácidos comienzan por el reconocimiento del codón de iniciación. Así, todas las proteínas comenzaran por este aminoácido, AUG. De esta manera se asegura una correcta lectura de la secuencia de ternas de nucleótidos. El proceso termina cuando se llega a uno de los codones de parada.

Código genético: en el centro los aminoácidos que expresan cada terna de nucleótidos

Todo el proceso de síntesis de una proteína viene dirigido por un ARN mensajero (ARNm) y requiere una gran complejidad. Hay que recordar que el mensajero se crea por copia de un tramo de una de las cadenas de la hélice del ADN, siguiendo la regla de los pares homólogos de nucleótidos, G-C y A-U. Es lo que llamamos la transcripción. Una vez formado el ARN mensajero llega a los ribosomas, en donde se lleva a cabo físicamente la traducción, construyéndose así las proteínas según la secuencia de aminoácidos indicada por el mensajero y gracias a la aportación de los adecuados materiales –aminoácidos- que realiza un ARN de transferencia (ARNt). El ribosoma está constituido por otro tipo de ARN, el ribosómico (ARNr), unido a una serie de proteínas específicas. Hablaremos de este proceso unos párrafos más abajo.

Hay diversas teorías sobre la aparición de este código mágico, que inicialmente debió ser muy ambiguo, aunque ninguna concluyente. Realmente su origen es una más de las piezas desconocidas del mundo prebiótico y de la aparición de la Vida.

Una de las teorías más reconocidas es la que explica el origen de cada uno de los tres nucleótidos del codón. La primera letra estaría relacionada con el precursor del aminoácido concreto que sintetiza. La segunda letra del codón estaría relacionada con la hidrofobia o filia del aminoácido. La tercera letra está “degenerada” y no implicaría en principio ninguna información concreta. Pero dos posiciones, las dos primeras letras, a ocupar por cuatro letras –cuatro nucleótidos- da 16 posibilidades de información, lo que proporciona un potencial para expresar 15 aminoácidos más un codón de parada. Inicialmente, en los albores de la vida metabólica, sólo existirían 15 aminoácidos, que “compitieron” entre ellos por una tercera letra, como así parece que es en la realidad para los 15 aminoácidos más comunes. Los otros cinco aminoácidos posteriores -hasta los 20- tienen menos variación en la tercera posición, como el triptófano que sólo es secuenciado por un codón acabado en G. Esta tercera posición debió imponerse a través de mecanismos de selección natural, ya que se ha demostrado matemáticamente que la actual estructura del código genético es la que con mayor efectividad evita las posibles mutaciones y sus perjuicios: con ello se disminuirían, por un lado, los problemas de fidelidad en la replicación de la cadena ADN, al haberse diseñado codones con funciones similares, y por otro, los problemas de errores durante la traducción en el ribosoma, al interpretar varios codones distintos a aminoácidos semejantes. La distribución de la tercera letra tras las parejas iniciales fue como fabricar diversos comodines para una misma jugada, lo que habría dificultado el que sucedieran los errores.

¿Cuál es el proceso que desde la información codificada en la doble hélice del ADN nos conduce hasta el abanico de funciones dirigidas por moléculas de proteínas?

Proceso general desde la información genética a la síntesis de una proteína. Aquí se observa cómo la membrana del núcleo separa físicamente la labor de los intrones de la síntesis de proteínas

En líneas generales, la información que contiene el ADN en sus secuencias de nucleótidos se transcribe a un ARN mensajero de acuerdo al código de emparejamientos. Para ello una enzima ARN-polimerasa crea algo semejante a una burbuja que aísla la porción de ADN que se va a duplicar y separa sus hélices. En este espacio se va a generar el ARNm por copia homóloga de una de las cadenas del ADN abierto. Si el nucleótido del ADN es la Adenina, el ARNm que se está montando como una cremallera incorporará en esta posición un Uracilo. Si es una Guanina el diente del ARN será una Citosina. Y así según los posibles emparejamientos.

El ARNm así formado se le conoce como “pre ARN” ya que hay que procesarlo y limpiarlo de intrones para dejarlo sólo con los exones, según un proceso explicado un poco más arriba. El ARNm resultante sale del núcleo y se dirige al ribosoma para el siguiente paso: la traducción.

La traducción (ver el sentido de las flechas rosas de la figura siguiente) se realiza sobre el entramado de moléculas de ARNr ribosómico y proteínas que constituyen la estructura del ribosoma. El ARNm mensajero lleva las órdenes que son interpretadas por diversos ARN de transferencia, que, como disciplinados trabajadores, leen la instrucción de un codón y capturan el correspondiente aminoácido que incorporan a la cadena de la proteína que están fabricando.

Proceso de traducción en un ribosoma (Wikimedia, dominio público)

Y con esta bella imagen finalizamos por hoy. En la próxima entrada acabaremos el tema de la genética intentando explicar, por un lado, cómo pudo gestarse todo el juego de copias y replicaciones que hoy hemos conocido, y, por otro, los misterios de la división celular y la transmisión de la carga genética. Hasta pronto.

1. La molécula de agua es ligeramente dipolar ya que los protones del núcleo del oxígeno “atraen” al conjunto de los electrones de la molécula, dejándola como un imán. Esta bipolaridad es la que le permite constituir enlaces por puente de hidrógeno con otras moléculas también polares.
2. Un enlace fosfodiéster es un tipo de enlace químico covalente que se produce entre un grupo hidroxilo (OH^-) en el carbono 3′ y un grupo fosfato (PO₄³⁻ ) en el carbono 5′ del nucleótido entrante, formándose así un doble enlace éster.
3. En la entrad número 11 de esta serie, “Aparecen las células eucariotas”.
4. De nuevo se trata de la entrad número 11 de esta serie, “Aparecen las células eucariotas”.
5. Para los que tengáis más curiosidad podéis bucear por la web del proyecto ENCODE enlazando aquí o aquí.
6. Como ya sabemos de la entrada número 11 de esta serie.
7. Como nos comenta el neuroendocrinólogo estadounidense Robert Sapolsky en su interesante libro “Compórtate“, pag. 340: “Una hembra huele a su recién nacido… las moléculas olorosas que salen del bebé se unen a receptores situados en su nariz. Los receptores se activan y (muchos pasos después en el hipotálamo) se activa un factor de transcripción, conduciendo así la producción de más oxitocina… que provoca la bajada de la leche.“
8. Para profundizar más en este último tema recomiendo el revelador libro “How life works” de Philip Ball
9. Los informáticos conocen bien estas rutinas generales, como pueden ser la validación de una fecha, la ordenación de una lista, el cálculo de un dígito de control, etc.

De célula procariota a eucariota

La revolución se produjo más o menos en el entorno de hace unos…

Realmente no hay una opinión común sobre cuándo se originaron las células eucariotas. Si atendemos a las posibles evidencias fósiles nos deberíamos remontar a hace más de 2.000 millones de años, aunque hay algunos investigadores -Cavalier-Smith con su revolución neomura de la que hablamos en una entrada anterior-^[1], que lo atrasan hasta hace sólo 900 millones de años.

Sea cuando fuera, se produjo una revolución al producirse un nuevo cambio en la química de las envolturas exteriores celulares. Lo que supuso un trascendental avance: algunas bacterias flexibilizaron sus membranas exteriores añadiendo en ellas glicoproteínas. Con ello ganaban elasticidad, circunstancia que supieron aprovechar sus descendientes las eucariotas adoptándola para sus necesidades de alimentación y movimiento.

No obstante, la pérdida de rigidez de su membrana externa podía representar una desventaja, ya que suponía un punto de fragilidad como consecuencia de la disminución de resistencia frente a la presión hidrostática de su interior. Pero lo compensaron creando un citoesqueleto interno que les proporcionó no sólo resistencia estática sino también versatilidad dinámica  al poderse deformar, lo que suponían unas novedades bastantes ventajosas para su subsistencia. El citoesqueleto, o al menos sus bases iniciales, no debió ser un invento original de las eucariotas, ya que también las procariotas disponían de las dos principales proteínas que forman su estructura, la actina y la tubulina. Esta circunstancia deja la duda de si el citoesqueleto pudo ser desarrollado directamente por la propia eucariota o quizás haber evolucionado en una célula procariota ancestral, que con posterioridad habría entrado en el interior del citoplasma de la eucariota, manteniendo ambas una  relación de simbiosis.

Resulta significativo el hecho de que la actina es una de las dos proteínas directamente implicadas en la motilidad de los músculos. Una prueba más que refuerza la idea de la existencia de antepasados comunes entre animales y procariotas.

Una sencilla comparación entre la célula procariota y la eucariota, esta última con la complejidad de sus múltiples orgánulos (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

Al ser la membrana de la eucariota más flexible y tener capacidad dinámica para modificar su forma, disponía también de una teórica aptitud mediante la que podía en algún punto invaginarla hacia dentro del citoplasma, como quien le da la vuelta a un calcetín. En algún momento esta habilidad le permitió “tragarse” una cierta cantidad de materia prima que era útil para su metabolismo y crecimiento. Siempre se había “alimentado” gracias a la  permeabilidad de su membrana celular, pero al ser el nuevo proceso también eficaz y competitivo, la selección natural protegió a los organismos que lo adoptaron. Como resultado de las fagocitosis, que es como se llama este mecanismo, dentro del citoplasma empezaron a quedarse vacuolas aisladas por membranas de estructura similar a la celular, vacuolas que comenzaron a multiplicarse y relacionarse, colaborando entre ellas, fusionándose y creando nuevas organizaciones membranosas internas con una variada e importante funcionalidad. No nos olvidemos que en ellas se encuentra la factoría energética de la célula, vía la generación del ATP.

La eucariota disponía también de un nuevo elemento, el  núcleo, separado del propio citoplasma por una de estas membranas internas. El núcleo es el puesto de mando de la célula eucariota, en donde está empaquetada la información genética en forma de cromosomas. Fuera del núcleo, en el citoplasma, además de las membranas derivadas de la citoplasmática exterior se encuentran abundantes vesículas y el mencionado esqueleto interno, muy dinámico, en el que encuentra un soporte estructural y con el que la célula podía realizar un amplio abanico de nuevos “trucos”: rigidez a la par de plasticidad, cambiar de forma y moverse, y nuevas estrategias para su alimentación y reproducción. Uno de los principales orgánulos internos era la mitocondria, personaje que ya ha salido en esta historia, auténtica fábrica de energía, de las que puede haber hasta 100.000 en una sola célula. Hay otros, como los ribosomas o el aparato de Golgi que son elementos fundamentales en la gestión de las nuevas proteínas. Y qué decir de los cloroplastos de las células vegetales auténticas placas fotovoltaicas. A vista de pájaro podemos imaginar a las células eucariotas como un mórbido globo gelatinoso de forma mutante, pero con una intensa vida propia.

Con ellas se abrió la posibilidad de la reproducción sexuada y la herencia de los caracteres paternos. De todo ello hablaremos más tarde, a lo largo de la siguiente entrada.

Sin embargo, vistas las características que diferencian a la célula eucariota de la procariota, surgen un sinfín de preguntas que no se reducen solamente a querer saber cómo aparece el núcleo celular -lo que parece ser el estereotipo del cambio entre ambas-. Ya hemos hablado de cómo se perdió la membrana exterior. Hoy comentaremos cómo se incrementó la superficie de membranas internas disponibles para su metabolismo y cómo se consiguieron los orgánulos citoplasmáticos. En entradas siguientes continuaremos analizando cómo se pasó de un cromosoma circular a cromosomas lineales y cómo se duplicó la carga genética hasta dos juegos de cromosomas equivalentes. Comentaremos también el por qué del triunfo de la transmisión de la herencia vía fusión de dos células haploides (las que tienen un solo juego de cromosomas), por qué fue seleccionado el éxito del proceso reproductivo de la meiosis y el por qué de hacerlo a través una doble meiosis. Intentaremos aclarar también la aparente paradoja de por qué hay dos tipos de gametos, masculino y femenino, y además diferenciados en su tamaño.

Los primeros pasos hacia los nuevos orgánulos del citoplasma

Comenzaremos por explicar cómo aparecieron los nuevos corpúsculos citoplasmáticos incluido el nuevo núcleo. La teoría mejor aceptada en el mundo de la biología, hoy por hoy, es la que explica la historia de los progresivos cambios desde la célula procariota a la eucariota mediante una serie de endosimbiosis, por las que sus orgánulos adicionales serían descendientes de procariotas que colonizaron el citoplasma de una célula “protoeucariota”. Esta teoría, aunque se originó en el siglo XIX, fue replanteada por el biólogo ruso K. Mereschkowsky en 1910 y defendida definitivamente en toda su extensión por la prestigiosa bióloga norteaméricana Lynn Margulis en 1967.

Todo se basa en que las mitocondrias –las fábricas energéticas- y los plastos –los centros de la fotosíntesis y grandes almacenes de materiales necesarios para su metabolismo- de las células eucariotas se parecen mucho a seres unicelulares procariotas. Ambos orgánulos, diferentes al núcleo, contienen también su propia carga de ADN. Además, su estructura, el ARN que generan y las proteínas y enzimas que expresan son más parecidas a las de las bacterias que a las de las células eucariotas.

La simbiosis entre estas antiguas células debió ser el resultado de un proceso de aproximaciones sucesivas, posiblemente consecuencia de un medio ambiente competitivo. Quizás todo pudo empezar con la formación de una protoeucariota según la plausible explicación que en 1998 dieron los profesores William Martin y Miklós Müller, conocida como la teoría del hidrógeno. Vamos a rastrear lo que dice esta teoría.

La arquea metanógena Halobacteria , cada célula mide aproximadamente 5 μm de longitud (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

Este modelo da explicación a los curiosos parecidos entre los aparatos genéticos y también de algunas enzimas de las arqueas y las eucariotas, así como los que se dan también entre eubacterias y eucariotas en los procesos de generación de lípidos y de gestión energética de sus metabolismos. Son pistas de partida que permiten considerar a la “fusión simbiótica” de bacterias como el paso precursor de la aparición de mitocondrias y plastos en las eucariotas.

En aquel mundo del Proterozoico nos es fácil figurar la infinitud de encuentros que debían producirse entre sus habitantes. Podemos imaginar a una primitiva y “voluminosa” arqueobacteria quimioautótrofa cuando en un día de escaseces se encontró con una pequeña eubacteria fermentadora.

Ya sabemos que la primera, la arquea, obtenía la energía que necesitaba para su vida a través de un proceso anaeróbico que dependía del hidrógeno. Bien pudiera ser una bacteria metanógena que se escondía del eventual y tóxico oxígeno que iba apareciendo sobre la Tierra, chapoteando en un lodazal u oculta en las profundidades de los mares, sin más movilidad que la que le inducía el medio en donde estaba inmersa.

No podía aumentar mucho su tamaño pues la energía la sintetizaba en su pequeña membrana y por tanto no disponía de mucha. Ya sabemos que en las membranas celulares es donde se fabrican las “píldoras” del energético ATP. Y la suya daba para lo que daba. Si aumentaba su volumen, sus necesidades metabólicas aumentaban con el cubo de su crecimiento, mientras que su membrana, su fábrica de energía, aumentaba con el cuadrado. Las cosas eran así de simples, de forma que en su normal desarrollo no tardaba mucho en llegar a su madurez, y se dividía y se dividía a toda velocidad, sin crecer desmesuradamente de tamaño.

Por el contrario, la diminuta fermentadora obtenía su energía de compuestos químicos orgánicos sin necesidad de usar el oxígeno. Había visto que en la gran arqueobacteria había alimento y se acercó. Poco a poco comprobaron que los materiales excretados por la fermentadora, entre otros H₂ y CO₂, debían ser complementarios de los que necesitaba la gran arqueobacteria. La alternativa de acoplar sus procesos podía ser viable y por ello la experiencia no fue vetada por la selección natural. Se unieron, pues, entrando la pequeña y habilidosa comedora de glucosa en el citoplasma de la grande y dependiente arqueobacteria.

La nueva realidad supuso la suma de dos membranas y, por tanto, un incremento de la superficie en donde se generaba el ATP, la energía vital para el perfecto funcionamiento y la posibilidad de desarrollo y crecimiento del conjunto. Pero surgió un problema ya que la pequeña bacteria fermentadora debía alimentarse a sí misma y a la vez a su huésped ¡mucho metabolismo para tan frágil organismo! La cosa se solucionó mediante un “acuerdo” entre interesados: una oportuna mutación duplicó parte del genoma de la fermentadora, copia que cedió a la gran arqueobacteria. Esta lo incorporó a su anillo de ADN aprendiendo así a “digerir” por sus propios medios la materia orgánica, siguiendo el mismo método con que lo hacía la fermentadora. Eran los mismos genes los que dirigían la función.

Modelo de Martin y Müller sobre el origen de las eucariotas, 1998 (a partir de “On the origin of cells”, Martin y Russell, fair use)

Pero, además, la cesión de parte del genoma de la hospedada a la hospedadora solucionaba otro problema. En un principio, antes de que esto hubiera ocurrido, la fermentadora metabolizaba mucho más rápidamente que la “gigantesca” arquea al ser la más pequeña del consorcio. Sus genes debían expresarse diez mil veces más rápidos que los de su “casera”, más estables y en consecuencia propensos a conservar más las mutaciones. Todo ello suponía una crisis tremenda cuando sus respectivos ribosomas, de la arquea o de la fermentadora, fabricaban la misma proteína desorientados sin saber a qué gen hacer caso, si al lento y no mutado o bien al rápido y mutado. Se trataba de un terrible problema de supervivencia. Con el traspaso de genomas de una a otra esto se resolvió.

La unión de ambas bacterias fue un acuerdo muy útil, ya que abrió la puerta para que la arquea se hiciera no con una, sino con cientos de fermentadoras: había resuelto su problema de tamaño y energía mediante la adición de membranas ajenas sintetizadoras de ATP. Y aún más: algunos de los genes trasvasados eran los que expresaban la síntesis de los fosfolípidos que formaban la membrana de la fermentadora ¡miel sobre hojuelas! como afirma el dicho popular. Una vez estos genes en la arquea empezaron a hacer lo mismo, por lo que se produjo una sobrepoblación de lípidos en su citoplasma. Espontáneamente se agruparon en vacuolas, fueron creciendo y constituyeron las semillas de las múltiples membranas citoplasmáticas de las eucariotas, incluida la membrana nuclear.

Con el tiempo, y mientras los nuevos genomas de la arquea tomaban las funciones de los de las antiguas compañeras fermentadoras, estos últimos se hacían obsolescentes desapareciendo parcialmente del aparato genético de la simbionte. De forma que hoy en día en el genoma eucariota se detectan dos tipos de genes, los “informacionales” dedicados al tema de herencia que se parecen a los de las arqueas, mientras que los “operacionales” del metabolismo y la ontogenia se parecen más a los de las bacterias. En el proceso se había conquistado muchas habilidades y adquirido también algún que otro problema: las cadenas ADN conocidas como transposones. Venían de serie con el genoma de la fermentadora y eran expertos en hacer continuas e inútiles copias de sí mismos, dificultando los procesos normales de la asociación de simbiontes. Recordad a estos personajes pues hablaremos de ellos más adelante, sobre todo al discutir la transmisión de la información de los genes a las cadenas proteínicas.

Y esta es la teoría sobre la aventura procariota que le llevó a procrear una eucariota. Veamos ahora como pudo ser la historia real.

La primera sociedad simbiótica

Resulta tremendamente complejo, sino imposible, el determinar cuál pudo ser la secuencia cronológica de este salto evolutivo celular. Los tiempos profundos del Proterozoico son eso, profundos, y es muy difícil obtener una base fósil completa que ayude a ello.

Podemos pensar que la simbiosis entre células, descrita en los párrafos anteriores, exigía una cierta habilidad fagocitadora al menos en una de ellas. Sabemos también que las membranas de las procariotas son bastante rígidas y que se requirió una revolución en sus proteínas para obtener la elasticidad necesaria. Gran dilema temporal que puede situarse entre lo que creemos son los primeros fósiles conocidos de eucariotas -de hace 2.100 millones de años- hasta la revolución Neomura^[2] de hace 900.

El primer paso pudo ser el siguiente. Una espiroqueta, otro tipo de bacterias procariotas, con una habilidad exclusiva para desplazarse mediante un movimiento ondulante, lo que le facilitaba la búsqueda del alimento, se topó con nuestra procariota mutante, quién sabe si ya una eucariota con núcleo, y vio que tras su membrana había un mundo húmedo y lleno de nutrientes de los que vivir. Comienza un ataque y prosigue con una larga pelea, hasta que aparece el punto de interés común que propicia la útil tregua. El resultado es que la espiroqueta se avecinó en la eucariota mayor y le ayudó en su movilidad.

Espiroqueta Treponema pallidum (Wikimedia, dominio público)

Nuevas compañeras inauguran un nuevo mundo

Los años pasaban sobre la Tierra y, como ya hemos comentado, el oxígeno empezó a apretar: la atmósfera se fue llenando de este gas venenoso. Y a nuestra protagonista, con sus espiroquetas, no le quedó más remedio si quería sobrevivir que pensar en un imposible. Pero los imposibles a veces se hacen probables o ciertos. En un cierto momento, junto a ella, pasó otro tipo de bacteria con su propio material genético y un rarito, en aquel momento, metabolismo ya que se llevaba muy bien con el nuevo gas asesino: una protobacteria respiradora aeróbica, posiblemente una bacteria púrpura como una de las actuales Paracoccus.

Respirar oxígeno a nivel metabólico significa usar el oxígeno en el proceso de quema de carbohidratos, siguiendo el ciclo de Krebs según ya sabemos,^[3] y así tener un suministro de la energía necesaria para vivir. Se produjo una nueva simbiosis por la que ambos unicelulares aprendieron a defenderse juntos del oxígeno, uniéndolo a moléculas orgánicas y en forma de inofensivos CO₂ y H₂O. Con una ventaja adicional ya que por el camino se conseguía ATP de una forma más eficiente de lo que se solía practicar hasta entonces. Una vez más la solución se manifestó claramente viable y competitiva, por lo que una “quimera nadadora que respiraba” se abrió paso en la historia de la Evolución con mayúsculas.

De esta manera se habían introducido en el diseño de la Vida, casi sin permiso, las mitocondrias. Según comenta Lynn Margulis en su libro “Planeta simbiótico“, esto pudo suceder hace unos 1.000 millones de años.

A la izquierda la bacteria púrpura Leptothrix (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)  y a la derecha la cianobacteria  Lyngbya (Wikimedia, dominio público)

Más tarde se asoció otra bacteria con algunos de esos simbiontes, una verde cianobacteria que sabía fotosintetizar. Del tipo de las que estaba en aquellos momentos causando la hecatombe ecológica del cambio hacia un mundo aeróbico. Sería semejante a una actual cianobacteria Synechococcus que lo mismo vive en la superficie de los océanos formando parte del plancton, que vive disfrutando de lugares a 75ºC. Se demostró también que era una unión evolutivamente viable y prosperó el nuevo ser camino de las algas unicelulares y las plantas más complejas. Estas cianobacterias pasaron a ser los cloroplastos de las células vegetales.

Se estima^[4] que la aparición de los primeros plástidos en una célula eucariota se produjo hace unos 1.500 millones de años. Lo cual permite pensar que la fusión que inició las mitocondrias pudiera ser anterior a los 1.000 millones de años que apuntaba Margulis.

Esquema de la evolución de una célula eucariota a partir de un procariota ancestral (imagen: ISE Rayuela, Móstoles, España, fair use)

Tres simbiosis cambiaron el planeta: A excepción de la que se llevó a cabo con espiroquetas, de la que aún no se tienen evidencias claras, el resto de la teoría de Lynn Margulis sobre la simbiogénesis está fuertemente demostrada y aceptada por el mundo científico. Apoya al convencimiento el hecho de que la simbiosis es un tipo de asociación muy común en la biosfera actual. También es extremadamente revelador que el material genético de las bacterias respiradoras actuales, las que viven en la naturaleza de forma independiente, se asemeje muchísimo al propio material genético de las mitocondrias. Pasa lo mismo entre las actuales cianobacterias y los cloroplastos. Y lo que parece más significativo, en el interior del citoplasma las mitocondrias y cloroplastos se reproducen de forma independiente al proceso de división celular, como si tuvieran vida propia.

La aparición del núcleo eucariótido

Quizás durante las constantes luchas inherentes a las simbiosis que se estaban produciendo, y como una estrategia de defensa, la gran arqueobacteria fundadora aisló su material genético con una membrana. O pudo ser que esto sucediera después de la fusión de los materiales genéticos de los simbiontes. El resultado fue el núcleo celular en el que el ADN en anillo inicial se fue reestructurando y dividiendo, formando los cromosomas. Fue la gestación de la primera célula eucariota que ya nunca más fue una bacteria.

¿Cuál fue el motor de esta revolucionaria innovación? Seguramente fueron muchos y variados. En el proceso pudo influir la incremental presencia del oxígeno libre en el planeta, que iba ejerciendo una presión con matices selectivos, de forma que se hicieron viables aquellas bacterias que preservaron a su genoma de una oxidación destructiva aislándolo con una membrana.

Hay una teoría aún más elaborada,^[5] presentada por los biólogos William Martin y Eugene Koonin, que basa la creación del núcleo en circunstancias diferentes a las provocadas por la abundancia del oxígeno. Más adelante, en otra entrada, profundizaremos en el conocimiento de los genes, intrones y exones. Basta aquí saber de la existencia de los transposones, que se encuentran mezclados en la cadena de genes del ADN que expresan las proteínas: unos “tramposos” a los que se les llama intrones. Por estudios filogenéticos se ha podido determinar que provienen de un gen antiguo, que se comportaba un poco como un virus: entraba y salía de los ADN como quería. Una vez dentro, cuando en un ribosoma se estaba llevando a cabo el proceso de traducción de una cadena de ARN a proteínas –hablaremos de ello en otra entrada posterior-, llegaba lógicamente un instante en que el turno de traducción era el de un intrón. En este momento la respuesta del intrón era semejante a la acción de unas tijeras, se separaba de la cadena de ARN, se independizaba y cortaba el proceso de generación de la proteína. Una vez libre se replicaba, siendo así que los gemelos acababan unidos al ADN en cualquier sitio. Algunos de estos genes saltarines fueron perdiendo su capacidad de independencia y se quedaron fijos en la estructura del ADN, lo cual no era bueno para la bacteria ya que con ello creaba unas proteínas un tanto extrañas y fuera de su propósito.

En las primitivas bacterias intervinieron la evolución y su rápido metabolismo, consiguiendo expulsar a los intrones de las vidas de las procariotas. Cosa que no ha sucedido en las eucariotas, en las que quedaron vestigios residuales de estos genes saltarines. ¿Tendrán alguna relación estas conflictivas secuencias de nucleótidos, los intrones, con la existencia del núcleo celular?

Traducción de la información del ARN mensajero en el ribosoma con el resultado de la síntesis de una proteína. En la figura se representa el proceso en una eucariota con núcleo. En una célula procariota el ribosoma está literalmente pegado al ADN.

 

 

 

Ya sabemos que cuando se creó la quimera por simbiosis entre una fermentadora y una arquea, esta última se pudo encontrar con algunos intrones anarquistas de las fermentadoras. Al no existir aún el  núcleo aislado el proceso de síntesis de las proteínas lo llevaban a cabo el ARN en los ribosomas literalmente pegados al ADN. El proceso era rápido y no lo podían seguir los intrones “inactivos”, mucho más lentos en su copiado y por tanto con un efecto tijera retardado. La velocidad de generación de la cadena de la proteína era superior a la velocidad con que los intrones pudieran haberse independizado de la cadena del ARN traductor. Las proteínas que se generaban en los ribosomas debían salir bastante defectuosas, incluso letales, con algunos aminoácidos extraños: todo un gran problema. De alguna forma había que separar temporalmente la corrección de los errores que provocaban los intrones adelantando este proceso al de fabricación de proteínas. Y lo mismo daba separación cronológica que espacial. Así que la arqueobacteria encontró una solución drástica al tema: creó una membrana porosa alrededor del ADN, una membrana que no tenía nada que ver con las típicas membranas celulares, mediante la que aislaba la acción tijera de los intrones -que a partir de entonces sucedía dentro del núcleo- del proceso de fabricación de proteínas, que se hacía fuera. Por los poros pasaba el ARN mensajero limpio a la búsqueda de los ribosomas que quedaron fuera fabricando las cadenas de aminoácidos.

¿Fue éste el camino por el que la selección protegió la membrana nuclear?

Pudo ser. Aunque lo significativo son los hechos. Al final de este complejo proceso la novedosa célula eucariota había heredado las habilidades adquiridas a partir de los miembros de los sucesivos consorcios. Había aumentado su capacidad energética, por lo que pudo moverse más y fagocitar. Con ello se le incrementaron las posibles vías de captura de alimentos. Ya no necesitaba un metabolismo rápido como el viento para buscarse la vida y reproducirse, le sobraba energía para actuar sin prisas. El truco de convivir con los intrones le permitió abrir un abanico de variados genes que codificaron más tipos de proteínas. Se abría camino entre otros al colágeno, a la queratina, a enzimas precursoras de la lignina… actores básicos de las futuras estructuras animal y vegetal. El hecho de no necesitar un metabolismo tan rápido como el de las bacterias le concedía suficiente tiempo al ADN para asimilar mutaciones y duplicaciones de genes, que aumentaron la longitud de sus cadenas y su complejidad, con lo que podía transmitir más información. Realmente se habían abierto las puertas hacia un nuevo mundo.

Hasta aquí por hoy. En la siguiente entrada comenzaremos a hablar de una de las nuevas habilidades de la recién estrenada célula eucariota: la reproducción sexuada, que nos dará pie a introducir, pero tan sólo a introducir, a la Genética. No nos desesperemos, pues este fundamental personaje tendrá una entrada específica para él solo. Hasta entonces donde nos sorprenderemos con que el registro fósil echa para atrás todas las fechas estimadas en esta entrada. No me atrevo a apostar por nada a no ser por la humildad. Falta mucho por encontrar y por estudiar.

1. Se trata de la entrada 09 “La vida en el Arcaico” que podéis enlazar aquí.
2. De la que hablábamos en la entrada 09 ”La vida en el Arcaico”.
3. Ya lo vimos en la entrada 08 “El metabolismo constructor” que enlazaréis aquí.
4. La información de detalle la podéis encontrar en este artículo en el dominio Scitable de la revista Nature de 2010.
5. Ver esta publicación de la revista Nature de marzo de 2006.

El metabolismo nació cuando las proteínas entraron en escena asumiendo la función de catálisis que les cedió el ARN. Con las naturales mutaciones de los genes que las expresaban se iba incrementando el panel de proteínas disponibles. Las cuales irían colaborando unas con otras, iniciándose así un rudimentario metabolismo, que por el método de éxito-error se fue decantando hacia aquellas relaciones que fueran más eficientes. Hasta consolidarse las rutas metabólicas que hoy conocemos.

Ya sabemos por entradas anteriores cómo las primeras protobacterias prosperaron en medios con temperaturas casi de ebullición, con presiones inmensas y en chimeneas submarinas que escupían azufre, arraigadas en lo más primitivo y profundo del árbol de la Vida.

Hoy en día existen algunas bacterias de metabolismo muy simple y primitivo, que para construir sus organismos utilizan un ciclo anabólico que coincide en su base con el usado generalmente por la mayoría de los organismos para conseguir la energía y las biomoléculas que precisan. Lo más habitual es hacerlo a través del llamado ciclo de Krebs, del que hablaremos dentro de poco, aunque las primitivas bacterias de las que hablamos lo hacían girar al revés: es conocido como el ciclo inverso del ácido cítrico. Algunos científicos, como Harold J. Morowitz, piensan que una versión muy simplificada de este proceso pudo ser una opción metabólica posible en las condiciones prebióticas de la Tierra, cuando se constituyó como un motor autónomo de la síntesis de todos los precursores bioquímicos: el ciclo inverso del ácido cítrico, en sus formatos más iniciales y sencillos, sería la hoja de ruta que utilizaban los primeros seres autótrofos, aquellos que se buscan la vida por ellos mismos y no necesitan de los demás, para crear pequeñas biomoléculas a partir del CO₂ y el agua.

La idea está fundamentada, ya que existen hoy en día ciertas bacterias como la termofílica y autotrófica Aquifex-Hidrogenobacter, uno de los linajes más antiguos de estos seres, que utilizan el ciclo inverso del ácido cítrico para sintetizar los polímeros orgánicos más esenciales a partir del CO₂. Y lo sorprendente es que este ciclo, y sus redes de polímeros secundarios, son autocatalíticos, de forma que sus subproductos incrementan la eficacia de su propia síntesis. Algo así pudo ser el principio del metabolismo.

Con posterioridad todo se hizo más complejo. El ciclo inverso del ácido cítrico tomó su giro habitual, dando lugar al ciclo de Krebs, y apareció una nueva rueda metabólica, el ciclo de Calvin. Ambos son sofisticados ciclos autocatalíticos formados por cadenas de moléculas orgánicas que se van dando la mano para volver al punto de partida. Vamos a analizar a ambos.

Comenzaremos con el ciclo de Calvin ya que es el complemento de la fotosíntesis, de la que aprovecha los ATP’s y NADPH’s que ha generado que, como sabemos, son unos fantásticos transportistas de energía. A partir de este ciclo, organismos como las plantas fijan el carbono y fabrican glucosa para sus reacciones metabólicas. Se trata también de un proceso anabólico por el que, mediante la adición de energía vía ATP y del poder oxireductor de las coenzimas, como el NADP, se integran moléculas inorgánicas de dióxido de carbono (CO₂) y se convierten en moléculas orgánicas sencillas, a partir de las cuales se formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Éste es el proceso por el que consiguen energía y materiales de construcción todos los seres vivos autótrofos, ya sean fotótrofos -que obtienen la energía a partir de la de la luz, como las plantas- o quimiótrofos -que la obtienen a partir de la de los enlaces químicos, como algún tipo de bacterias-.

La ecuación resumen del catálogo de reacciones químicas que se producen a lo largo del ciclo de Calvin es la siguiente, donde P es el fósforo:

6CO₂ + 12NADPH + 18ATP ↔ C₆H₁₂O₆ + 12NADP + 18ADP + 18P

El dióxido de carbono se transforma en una preciada molécula de glucosa, C₆H₁₂O₆, mediante el “sacrificio” de nuestras conocidas moléculas energéticas NADPH. No importa, pues se recuperarán con creces durante los procesos catabólicos de la célula.

Ciclo de Calvin, mediante el que los organismos fotosintéticos fijan el dióxido de carbono y generan los precursores para la síntesis de glucosa

En la imagen anterior vemos cómo en el ciclo entra CO₂ en el momento procesal de la parte superior mientras que por la parte inferior sale una molécula de gliceraldéhido fosfato (GAP) de tres átomos de carbono, que será la base a partir de la cual se formen azúcares como la fructosa y la glucosa. También, a partir de estos azúcares, se formarán directa o indirectamente las cadenas de carbono que componen el resto de biomoléculas que constituyen los seres vivos (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc). Hasta aquí la estrategia que siguen los organismos autótrofos.

Pero, ¿qué pasa con los seres heterótrofos? Llamamos heterótrofos a aquellos que no buscan energía ni construyen sus organismos con las sencillas moléculas de su entorno (dióxido de carbono, oxígeno o agua) sino que todo lo consiguen directamente mediante la ingesta de autótrofos vegetales o devorando a su vez a otros seres heterótrofos. ¿Qué hacen con la materia prima ingerida? ¿Qué estrategias deben adoptar en cada uno de los ambientes donde se encuentre el atareado organismo? Ya sea en el fondo del mar, como en un principio, o más tarde en la cúspide de una montaña, ya sea en condiciones extremas o en el trópico, tanto se disponga de oxígeno como se viva en la más absoluta ausencia de esta molécula.

Los caminos de esta faceta metabólica a la fuerza tenían que ser variados. Y de hecho se encontraron soluciones para todos los gustos. Adaptadas al medio, aprovechando al máximo las posibilidades, unas más eficientes que otras. Vamos a comentar aquellas más generales y que cubren la mayor parte de lo que se conoce como rutas metabólicas.

Todas ellas suelen comenzar con la glucólisis, que es la “digestión” de la glucosa, con el objeto de conseguir energía. Tras un proceso de múltiples transformaciones moleculares se obtiene la tan buscada energía en forma de ATP. El resumen del proceso total lo recoge la ecuación siguiente:

Glucosa + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 P_i  → 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺ + 2 H₂O

Después de que la molécula de glucosa se haya transformado en dos moléculas de piruvato, que es un polímero con tres átomos de carbono, éste continúa su camino que dependerá de cuál sea el medio donde se encuentre el organismo metabolizador: la diferencia la da si hay o no hay oxígeno disponible.

Metabolismo aeróbico

En un mundo oxigenado, el piruvato se dirige hacia un nuevo ciclo metabólico que ya hemos mencionado con anterioridad, el ciclo de Krebs, para acabar con una cadena respiratoria de cesión de electrones muy parecida a la que ya explicamos en la entrada anterior al hablar de la fotosíntesis, y que como receptor final de esos electrones se apoya en el oxígeno que pasa a formar agua. Al conjunto de estas rutas metabólicas se le conoce como respiración celular.

Caminos metabólicos del anabolismo y catabolismo del carbono. En su mayoría se corresponden a procesos de la respiración celular aeróbica.

Centrémonos en la figura anterior. Los elementos de partida son los glúcidos (glucosa y otros azúcares), grasas y aminoácidos, los cuales van a ser despiezados en un molino circular. Los tres, tras seguir caminos diferentes, llegan a generar piruvato, que se degrada a Acetil-CoA para entrar en el ciclo de Krebs que, como el de Calvin, también genera precursores de muchas biomoléculas así como energía en forma de ATP y coenzimas con poder de reducción (FADH y NADH). En el camino deja un residuo de CO₂.

Es un conjunto de procesos anabólicos –en los que se produce la biosíntesis de polímeros- y catabólicos -procesos en los que se rompen los polímeros y se almacena la energía química obtenida-.  Así como el anabolismo es la herramienta inventada por los seres autótrofos, los heterótrofos añadieron reacciones catabólicas para complementar las básicas, centrales y universales anabólicas.

La cadena respiratoria

El último paso del proceso de respiración tiene lugar en las membranas de las mitocondrias, un orgánulo que es la auténtica central energética de las células y de las que hablaremos más tarde en alguna entrada del eón Proterozoico, cuando estemos siguiendo la pista de su aparición en la escena de la Vida.

Te recomiendo ver la figura de más abajo mientras lees la descripción de lo que ocurre. Se trata de aprovechar toda la capacidad energética de las coenzimas NADH y FADH que se habían generado durante el proceso de respiración aeróbica, para iniciar una última cadena de transporte de electrones, cosa que consiguen al traspasar alguno de sus electrones al complejo enzimático NADH deshidrogenasa. Tras una alocada carrera a través de diversas enzimas en un proceso muy similar al explicado para la fotosíntesis, el electrón acaba en un oxígeno que actúa como último receptor de e^-. Al unirse a protones H⁺ formará agua como residuo. En el proceso, aprovechando la energía de los electrones viajeros, se van pasando iones H⁺ del interior de la mitocondria a la zona intermedia de su membrana. Y todo este tejemaneje, para conseguir lo que realmente es crucial para la célula, almacenar energía para su supervivencia en forma de moléculas de ATP. Esto lo consigue mediante el bombeo inverso de los iones H⁺ a través del complejo enzimático ATP sintasa, en donde la energía cinética de los iones se usa para formar un ATP.

Cadena respiratoria de electrones, proceso que se da en las membranas de las mitocondrias de las células y cuyo objetivo fundamental es el conseguir energéticas pilas de ATP.

El resumen global de la respiración aeróbica lo expresa la siguiente ecuación:

Glucosa (C₆H₁₂O₆)+ 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energía (38 ATP)

¡Realmente es un proceso generoso con la obtención de energía, como así lo indican los 38 ATP’s libres que se han conseguido! Cada ATP liberará 7,3 kcal/mol en el preciso momento en que se necesiten.

Metabolismo anaeróbico

Pero no siempre hay oxígeno disponible, como en el fondo legamoso de un pantano, en la tripa de una vaca, en un cubo de leche vieja o en el mosto fresco de la tinaja de una bodega. Vamos a ver qué pasa en estas circunstancias y de qué manera se manejan las sencillas bacterias y levaduras que viven y prosperan en estas condiciones.

Pueden llevar a cabo dos procedimientos que les permite almacenar energía utilizable, ambos con un inicio similar y un final distinto. Los dos procesos son la respiración anaeróbica y la fermentación ¿Quién no ha oído hablar de la fermentación alcohólica que las levaduras producen en los azúcares de las uvas y que conducen al buen vino? ¿O de la fermentación láctica gestionada por bacterias como la Lactococus que da yogures y queso?

Comienzan con el asalto de la energía de la glucosa para obtener el piruvato, y de ahí por distintos caminos hasta el residuo final.  Cuando hablamos de la respiración aeróbica decíamos que el baile de la cadena de transporte de electrones acababa siempre en un oxígeno, que se reducía al compás de unos iones de hidrógeno, produciendo en el envite una molécula de agua. Pues bien, tanto la respiración anaeróbica como la fermentación al no disponer de oxígeno como elemento último receptor de los electrones de los NADH producidos en la glucólisis, encuentran la misma prestación en compuestos inorgánicos, tales como sulfatos y nitratos, durante la respiración anaeróbica, utilizando para ello una cadena transportadora de electrones como las que conocemos, o en el caso de la fermentación a compuestos orgánicos, como el acetaldehído o el mismo piruvato, sin que medie cadena de transporte alguna. Y de ahí la menor eficacia energética en estos procesos comparada con la que se obtiene mediante la respiración aeróbica: el salto energético hasta el oxígeno es mayor que el salto energético hasta los últimos receptores de estos procesos anaeróbicos. Por ejemplo, en la fermentación sólo se obtienen 2 moléculas de ATP frente a las 38 que se producen durante la respiración aeróbica. En estos mundos los saltos energéticos aprovechables son menores que en el caso de la respiración aeróbica. A pesar de que en los mundos sin oxígeno los saltos energéticos aprovechables son menores, esto no quiera decir que no sean eficaces. Y si no que se lo pregunten a las bacterias Clostridium que prosperan en la tripa de los animales obteniendo con sus metabolismos unos resultados un tanto pútridos y desagradables.

Y sin embargo, éste es uno de los hechos diferenciadores entre los organismos simples y los complejos.

Algunos tipos de fermentación: la alcohólica (vino) y la láctea (queso, yogurt)

Resumen metabólico

Después de conocer de forma somera las variadas estrategias que adoptan los seres vivos para su subsistencia, estamos en condiciones para proseguir por el sendero evolutivo de la Vida. El metabolismo nos puede parecer un aspecto que roza lo teórico dentro de la biosfera, pero ciertamente es una de sus bases y con él todo funciona. Por esta razón, permitidme que haga un último resumen que fije nuestros conocimientos antes de continuar con nuestra historia.

Los seres vivos necesitan materia prima y energía para construir sus organismos. El metabolismo dirige estas necesidades. Los procesos de “creación” constituyen el anabolismo, que utiliza la energía -producida durante el catabolismo- y moléculas sencillas, como el agua o el dióxido de carbono, para crear otras un poco más complejas, como los azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y bases nitrogenadas, para posteriormente sintetizar los grandes polímeros que utilizan las células: polisacáridos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Los procesos de “destrucción” constituyen el catabolismo, que podemos asemejar como una productiva marcha atrás, ya que a través de ellos se generan las moléculas portadoras de energía de las que hemos hablado tanto, ATP, NADH o FADH₂, que se utilizarán durante el anabolismo, y se degradan las macromoléculas celulares hasta las más sencillas. Y volver a empezar a través de una enmarañada red de soluciones.

Esquema del proceder del metabolismo

Dentro de estos dos procesos generales también hemos visto como hay diversas variedades de plantear el metabolismo (a) según que los organismos sean autótrofos o heterótrofos; (b) según que la energía provenga de la luz -fotótrofos- o de los enlaces químicos de moléculas -quimiótrofos-; o (c) según que los electrones que inician esta energía se obtengan de moléculas orgánicas -organótrofos- o inorgánicas -litótrofos-. Y la verdad es que en la naturaleza vamos a encontrar modelos que empleen cualquier terna a-b-c. Como pudiera ser el metabolismo auto-foto-litótrofo de nuestras conocidas cianobacterias; o como el de los animales que son hetero-quimio-organótrofos.

Ya sólo nos queda retornar a la senda y contemplar desde la lejanía cómo los seres vivos fueron conquistando los anteriores caminos metabólicos. Cosa que veremos en la siguiente entrada de esta serie, a lo largo de la cual caminaremos hasta fijarnos, además, en las primeras evidencias fósiles de unos seres que ya conocemos, las asombrosas bacterias, que diseccionaremos como el adecuado colofón de una época en donde ellas fueron las únicas reinas, el eón Proterozoico.

Para empezar a andar nos preguntaremos: ¿cómo es este manual de conducta universal?

Planteada esta cuestión merece la pena hacer una aproximación teórica a lo que son los procesos metabólicos, con la intención no sólo de disfrutar del conocimiento, sino también de admirarse con la compleja sabiduría de la naturaleza. En su desarrollo, más que una serie cronológica, despiezaremos los eslabones del proceso químico. Todo ello seguramente nos llevará más de una entrada de esta serie.

En el inicio del camino metabólico se colocan aquellos seres que recogen sus necesidades, básicamente CO₂ y H₂, directamente del mundo inorgánico, son los autosuficientes; llamamos a estos seres autótrofos. No les quedó más remedio, ya que no había nada más que la química exterior de donde aprovisionarse. Todos ellos llevan en el bolsillo una guía metabólica cuyo núcleo está constituido por unas 500 pequeñas moléculas (en fin… relativamente pequeñas… todo lo pequeño que se pueda ser con 200 protones organizados), las mismas en todos ellos. Necesitaban energía, y la encontraron en la sencilla química de las reacciones de oxidación y reducción: las reacciones redox indisolublemente unidas, ya que si hay una oxidación es porque a la vez se ha dado una reducción, y viceversa. Para imaginar mejor las bases de los procesos metabólicos que manejan la energía, nos pararemos un poco en la explicación de este tipo de reacciones.

El motor de la Vida se encuentra en la energía de los electrones, en cómo se mueven. Hay elementos químicos que están hambrientos de ellos, mientras que otros prefieren perderlos de vista. Todo depende de qué es lo que tienen que hacer para que su configuración química se asemeje a la de un estable gas noble: o quieren electrones, como el oxígeno que está a dos pasos del neón, o quieren deshacerse de ellos, como el litio, que con un paso atrás se iguala al helio. No es que se transmuten en un gas noble, tan sólo lo hace su configuración electrónica pasando a ser iones positivos o negativos. En los ejemplos anteriores O^2- y Li⁺. No os horroricéis los físicos, pero no me puedo resistir a plantear una sencilla regla nemotécnica que refleja los dos procesos: como el oxígeno ha “reducido” la carga eléctrica -ahora es más negativa-, diremos que se ha reducido mientras que el litio diremos que se ha oxidado, aprovechando la fama real que tiene el oxígeno de acaparar electrones (en este caso bien pudo aprovechar de dos átomos de litio para formar el Li₂O). Esto nos da una pincelada con la que entendemos mejor lo que queríamos decir en la primera entrada de la serie,^[1] cuando hablábamos de la atmósfera terrestre reductora, con CH₄, NH₃, SH₂ y H₂O (el hidrógeno regalando su electrón) o de la oxidante, con CO₂, O₂, SO₂ y H₂O (el oxígeno chupándolos). Dicho todo lo anterior nos hemos de quedar con la idea fundamental de que los electrones son los motores energéticos, y por tanto sabemos que quien los obtenga, reduciéndose, se habrá cargado de energía. En cambio, el que se oxida la ha liberado. Está claro que el juego de la energía está en el alma de las reacciones redox.

El oxígeno toma dos electrones para asemejarse al neón

Dicho lo anterior, volvemos a nuestros primitivos autótrofos. Realmente fueron pertinaces en la búsqueda de energía. La encontraron por doquier, unos la vieron en los enlaces químicos de algunas moléculas inorgánicas y otros en la posibilidad de aprovechar la energía de las ondas luminosas. Pero, ¿cómo arrancarla de sus portadores? Y dado que los procesos de alimentación y de metabolización no son coincidentes en el tiempo, ¿cómo almacenarla para cuando hiciera falta?

La solución no llegó de repente, sino a través de sucesivos pasos pastoreados por la presión del medio, que evolucionaron hacia el mecanismo compartido por casi todos: la cadena de transporte de electrones, con la traca final de la quimioósmosis. Estos electrones se consiguen de unos compuestos muy simples llamados moléculas reducidas. Sorprendentemente el papel director de este proceso lo asumieron casi desde el principio las membranas lipídicas, las mismas a las que “simplemente” se les había pedido que aislasen el citoplasma celular.

Antes de comenzar el viaje por los entresijos energéticos de las células presentaré otras actrices superimportantes del metabolismo energético, que son las humildes currantes de todos estos procesos: las parejas de coenzimas (a la derecha su forma reducida)  NAD/NADH, NADP/NADPH y FAD/FADH₂. Con sus interminables reacciones de reducción-oxidación se constituyen en transportistas de electrones mediante un incesante ciclo de “tomo un electrón, me lo llevo, lo suelto y vuelvo a por otro”. Todos actúan más o menos igual.

El laborioso NADH

Cadena de transporte de electrones

Pero ataquemos ya eso de la cadena de transporte de electrones. Todo empezó por conseguir electrones libres que se necesitaban para que el CO₂ fijara protones (H⁺) y se transformara en azúcares. Esto se logra oxidando compuestos sencillos -los que más arriba habíamos llamado moléculas reducidas- que rompen alguno de sus enlaces, cediendo un electrón portador de la energía del mismo. Estas moléculas pueden ser muy variadas, tanto inorgánicas como el agua, el ácido sulfhídrico H₂S o el ión ferroso Fe²⁺ de la pirita, u orgánicas como la glucosa o aminoácidos. En estos casos en el proceso se obtiene energía puramente química, y por eso se le conoce como quimiosíntesis. Los organismos que optan por esta vía se les conoce como quimiótrofos: litótrofos si la energía la obtienen de moléculas inorgánicas y organótrofos si proviene de orgánicas.

Pero también se puede conseguir energía a partir de la luz, cuyos fotones excitan a una molécula de clorofila de forma que algunos de sus electrones saltan a un nivel energético superior. Estos electrones pasan progresivamente a otras moléculas a través de una cadena de transmisión, cediendo durante el recorrido parte de su energía. A este proceso alternativo se le conoce como fotosíntesis, también con sus variantes litótrofas u organótrofas, y a los organismos que la practican fotótrofos. Muy al principio del invento, la clorofila reponía los electrones que iniciaban el flujo tomándolos de moléculas reducidas como el SH₂ o de compuestos del hierro que dejaba oxidados. Pero la evolución la llevó hacia un proceso más eficiente: los compuestos químicos primeros dadores de electrones fueron sustituidos por el agua (a fin de cuentas oxígeno reducido, OH2), liberando en el proceso una molécula de oxígeno y dos e^-. Se había pasado de la fotosíntesis anoxigénica a la oxigénica, de dejar como residuo el azufre a que fuera el oxígeno el residuo.

En la figura siguiente se puede ver el proceso de la fotosíntesis, siendo la línea de trazos azules la conductora de la cadena de transporte de electrones. Profundicemos un poco más en lo que nos muestra.

Cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis. Todo sucede en la membrana del cloroplasto, el tilacoide. Se diferencian el camino de los electrones (en azul) hacia el NADPH que ayudará a fijar el CO₂ y luego el camino de los H⁺ (en rojo) que ayudará a embalsar energía en forma de ATP (Wikipedia, dominio público)

Hemos conseguido lo que buscábamos: electrones libres y vigorosos a los que les vamos a arrancar su energía. Y como sucede en la cadena de comercialización de cualquier producto, donde el valor de los bienes se lo van repartiendo los distintos intermediarios, aquí pasa lo mismo: estos electrones van pasando de mano en mano, cediendo parte de su energía de molécula en molécula, hasta un último receptor que se reduce químicamente y se queda con el último y más débil electrón. Un primer resultado, el más evidente, es que aparece un subproducto de las primeras rupturas. En el caso de la quimiosíntesis, si partió de la rotura del sulfhídrico (SH₂), es el mismo S_2, y si es en la fotosíntesis oxigénica, que partió de la descomposición del agua mediante su fotólisis -rotura de la molécula por acción de la luz-, fenómeno por el que se produce su rotura en 2H⁺ y 1/2O_2, se obtiene O₂ libre. Como ya hemos insinuado un poco antes, la modalidad en la que interviene el oxígeno es la más eficiente desde el punto de vista energético, ya que este elemento es, después del flúor, el que tiene el mayor poder oxidante de la tabla periódica. En una segunda instancia el último electrón de la cadena se lo queda una molécula ya conocida, una NADP que se lo guarda en su mochila para cedérselo en algún momento del proceso metabólico a un CO₂, que con la participación de algún H⁺ se transformará más tarde, durante el rodar del ciclo de Calvin -del que hablaremos unos párrafos más abajo-, en un azúcar. Y un tercer producto es el ATP, ya que resulta que cada intermediario no sólo recibe y pasa electrones, sino que en cada intercambio fuerza el paso de protones (es decir, iones H⁺) del exterior de alguna membrana del cloroplasto a su interior, produciendo un desequilibrio iónico… ¿nos suena de lo que había en el entorno de los venteos alcalinos submarinos?

Fórmula del Adenosin TriFosfato, ATP. No nos debe sorprender su universalidad como moneda de cambio energética ya que, si lo observamos, su estructura monofosfatada es uno de los nucleótidos que conforman el ARN, nuestro viejo personaje del mundo del ARN (Wikimedia, CC BY-SA 3.0 umported)

Este desequilibrio iónico no es sólo un tema poblacional, sino que su efecto más especial es que supone un desequilibrio de cargas eléctricas a ambos lados de la membrana con un valor de unos 150 milivoltios. No parece una gran diferencia de potencial eléctrico, pero hay que tener en cuenta que esta pequeña diferencia se produce entre un lado y otro de una membrana de tan sólo 5 millonésimas de milímetro, es decir la intensidad del campo eléctrico entre ambos lados es de unos 30 millones de voltios por metro, casi del orden de la de un rayo. Esto supone mucha energía embalsada y disponible y se la conoce como la fuerza protón motriz. Veamos cómo se aprovecha.

Una proteína específica, que se halla embebida en la membrana separadora -la ATPasa-, permite el paso de los protones en sentido inverso, restableciendo el equilibrio iónico inicial, en un proceso llamado quimioósmosis. En el bombeo a contracorriente de la proteína se van fabricando moléculas de ATP, que como hemos dicho son las baterías de cualquier organismo vivo: en el ATP el enlace del ADP (adenosín DIfosfato) con el tercer fósforo es superenergético. El sistema es bastante “inteligente”, ya que así se consigue tener acumulada toda la energía conseguida del exterior, que se va a ir utilizando según necesidades, al igual que en una central hidráulica donde se acumula agua y se suelta según la demanda de energía eléctrica. Si no hubiera este embalsamiento intermedio en forma de ATP los procesos energéticos no serían tan eficientes, perdiéndose en calor mucha de la energía que procesamos desde los alimentos.

En el caso del proceso de la fotosíntesis participan de forma secuencial dos moléculas de clorofila, ligeramente diferentes. Del trabajo de la primera, la clorofila b situada en la trampa para la luz llamada FotoSistema II, salen como subproducto protones H⁺, que se utilizarán para formar ATP, y del trabajo de la segunda, la clorofila a del FotoSistema I, sale el NADPH que ayudará en los procesos metabólicos del organismo a capturar CO₂ de forma que se produzca “alimento”. Menciono esta diferenciación, que se puede ver en la figura anterior, ya que es necesaria conocerla para entender el proceso evolutivo que llevó a las bacterias hacia la fotosíntesis dominada por las cianobacterias.

Curva de absorción de la luz de las clorofilas a y b, donde se puede observar que existe una zona de reflexión correspondiente a las frecuencias del verde (a partir de Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Cada uno de estos Fotosistemas es sensible a una determinada longitud de onda de la luz solar.  Uno en el entorno de la luz azul y el otro en la zona roja del espectro. Sin embargo, ambos reflejan la parte intermedia entre el azul y el rojo, que corresponde al color verde. Ésta es la razón por la que los organismos que tienen clorofila en sus células tienen color verde.

No se sabe muy bien como sucedió el invento de este complejo proceso, pero una teoría bastante aceptada ideada por el bioquímico John Allen de la universidad Queen Mary de Londres, postula lo siguiente:^[2]

Inicialmente algunas bacterias aprendieron a usar la luz como fuente primaria de energía. Aliadas con una molécula que tenía en su interior átomos de manganeso, alguna clorofila rudimentaria, unas bacterias desarrollaron el camino de fijación del CO₂ semejante al que realiza el FotoSistema I, y otras el camino de empaquetamiento de energía en píldoras de ATP, como hace el FotoSistema II. Algún error de transcripción o alguna presión externa hizo que el gen que expresaba las clorofilas se duplicara dentro de una bacteria, por lo que se encontró con dos FotoSistemas. Esta hipotética bacteria pionera debía vivir en un entorno que con toda seguridad experimentaba cambios a lo largo del ciclo anual: épocas de abundancia de materia prima sin ningún problema para alimentarse y épocas en las que escasearía. Durante el periodo de vacas gordas sintetizaría azúcares a partir del CO_2, y en la temporada de carestía sintetizaría ATP para el futuro. Poco a poco cada una de las dos clorofilas “hermanas” resultantes de la duplicación se fue especializando en una función diferente, lo que nos ha permitido llamarlas con el tiempo FS I y FS II. Pero ya que el metabolismo de las bacterias es muy limitado, hace sólo lo imprescindible ¡hay que usar la energía prudentemente!, por lo que no hacía funcionar a la vez a los dos FotoSistemas, sino de uno en uno según necesidades. La realidad es que en el mundo primitivo, donde todo esto sucedía, había una gran abundancia de manganeso y hierro, átomos que son fácilmente oxidables (en aquel momento la presión de la radiación ultravioleta aún debía ser importante) abandonando tras de sí unos electrones. El resultado es que el FS II se encontró en un ambiente muy rico en e^- que de alguna manera sobresaturaba su función y la bloqueaba. Alguna nueva casualidad hizo que progresivamente el FS I “recordara” su capacidad de trabajar como el FS II, y comenzó a usar los electrones para generar ATP, con lo que se descongestionó la bacteria. La coordinación resultó ser más eficiente que la descoordinación, lo cual supuso una ventaja para los que se coordinaban. La selección natural hizo el resto.

La molécula OEC –Oxygen Evolving Complex-, complejo de desarrollo del oxígeno, encargada de la hidrólisis del agua durante la fotosíntesis

El último paso, con el cual culminó la fotosíntesis oxigénica, se dio cuando el FS II encontró a una molécula especial hecha de oxígeno, calcio y manganeso, la molécula OEC –Oxygen Evolving Complex-, con una avidez total por los electrones, que era capaz de acompañar la fotólisis del agua y pasarle los e^- que aparecían a la molécula de clorofila FS II. Se quedaron las dos unidas y comenzó la fotosíntesis oxigénica.

¡Bueno! Fin de la fase Uno. Ya tenemos la energía empaquetada a disposición de quien la necesite, y unos subproductos tan importantes como el O₂ molecular y libre, que en su momento fue el que rellenó la atmósfera terrestre.

Pero aún nos queda una fase Dos, en la que vamos a capturar materia y la vamos a ensamblar formando polímeros básicos para nuestro  metabolismo, aquellos que nos darán energía en forma de azúcares y grasas, formarán aminoácidos que construirán proteínas, fabricarán ácidos nucleicos y mantendrán las múltiples membranas celulares, tan importantes por su labor de contención física y de desequilibrios iónicos. O dicho en forma poética: ¡vamos a alimentarnos!

La respuesta, en la próxima entrada.

1. Enlace a la primera entrada de la serie, 01 “Hadeico”.
2. En este enlace tenéis el artículo original de John Allen.

¿Cuál fue el escenario de lo que fue una inevitable maravilla?

Dada la imposibilidad material de obtener una fotografía real, vía restos geológicos o fósiles, hay que buscar las hipótesis más coherentes y posibles. Se barajan diferentes posibilidades: la Vida pudo aparecer en las aguas superficiales y cálidas de los protoocéanos, en charcas o marismas, o en las profundidades de dichos protoocéanos, junto a surgencias termales submarinas, ayudada quizás por plantillas de arcillas -moldes para la replicación por su geometría repetitiva- que ejercerían además una función catalizadora, favoreciendo las polimerizaciones de las moléculas que se depositaban sobre ellas y proporcionando la energía necesaria para la reacción.

La tesis de la sopa primigenia^[1] en aguas someras presenta una serie de dudas. La principal es que, aun asumiendo la espontaneidad en la generación de las moléculas precursoras de los polímeros de la Vida, cosa que parece probada por múltiples experiencias en laboratorios, parece difícil que en unas aguas abiertas se produjera una concentración suficiente de estas moléculas como para que tuvieran la oportunidad de encontrarse con la suficiente asiduidad, interaccionar intensamente entre ellas y así crecer y evolucionar. Se ha argumentado que todo ello pudo pasar en zonas de aguas someras que, siguiendo los ciclos meteorológicos, se inundaban para posteriormente secarse, favoreciendo así la concentración de las moléculas disueltas. Otra dificultad estribaba en el tipo de atmósfera existente. Ya hemos comentado que en los ensayos realizados por Stanley L. Miller y Harold Urey se había conseguido obtener biomoléculas al someter un ambiente reductor a la energía de descargas eléctricas. Una atmósfera reductora está compuesta básicamente de H₂, NH₃ y CH₄. Sin embargo en un momento de muy alta incidencia de las radiaciones ultravioletas estas moléculas no serían muy estables, ya que pasarían fácilmente a N₂ y a CO₂. No hay evidencias de que la atmósfera de la Tierra fuera reductora en aquella época y sí de lo contrario al final del eón. Entre medias… todo fue posible. No obstante, los datos parecen indicar que la Vida empezó en una época muy temprana, y por tanto bien pudiera ser que apareciera en condiciones de una atmósfera reductora, cuando la disociación de sus moléculas aún no hubiera alcanzado un grado muy elevado. De todas formas, a esta temprana Protovida de la superficie del planeta le quedaba aún superar otro terrible inconveniente: el continuo bombardeo de meteoritos y cometas que caían sobre la superficie de la Tierra.

El Grand Prismatic Spring del Parque Nacional Yellowstone. Se supone que el ambiente de este lago con elevadas temperaturas y ambiente reductor sería similar al ambiente primigenio de los mares de la Tierra (Wikimedia, dominio público)

Hay alternativas a esta acta fundacional sobre la superficie de las aguas del planeta, también postulando mundos reductores, y que defienden que la Vida apareció en chimeneas hidrotermales submarinas, inicialmente catalizada por minerales. Se comenzó con las ideas de Günter Wächtershäuser, ya comentadas en otra entrada^[2] de esta serie, sobre el mundo del hierro y azufre, teoría que tomó gran solidez al ser descubiertas en el fondo oceánico este tipo de formaciones a lo largo del último cuarto del siglo XX. La teoría fue consolidada y perfeccionada más tarde, en 2002, por William Martin, de la Universidad de Dusseldorf, y Michael Russell, geoquímico del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California.

Hay dos tipos de chimeneas submarinas. Unas básicamente de tipo volcánico en las proximidades de las dorsales oceánicas (zonas en donde las placas tectónicas se separan, de lo que hablaremos en otras entradas) bautizadas como fumarolas negras, y otras que son consecuencia de la desintegración que provoca el agua en las rocas de la placa oceánica, de forma continua y progresiva, y que se las conoce por el nombre de venteos hidrotermales alcalinos. El proceso en ambos modelos se inicia cuando el agua en el fondo de los océanos permea el suelo y llega a zonas de magma o próximas a él, donde se sobrecalienta y vuelve a brotar como una especie de geiser submarino, en el caso de las fumarolas, o un incesante y suave borboteo, en de los venteos. No obstante, la química de ambos tipos de chimenea es distinta.

Fumarola negra con estructura de sulfuro de hierro y sulfato de calcio (Wikimedia, dominio público)

Las fumarolas negras aparecen como estructuras en forma de chimenea que emiten nubes de material de color negro, arrastrando partículas con un alto contenido de minerales de azufre, como la pirita (sulfuro de hierro), CO₂ e iones metálicos, a unas temperaturas próximas a los 400ºC y con un alto grado de acidez. Cuando se encuentran con las frías aguas del océano, muchos minerales precipitan, especialmente en forma de sulfatos de calcio –anhidrita- recubiertos por precipitaciones de sulfuro de hierro, formando la chimenea alrededor de la surgencia, con una estructura muy compartimentada y porosa. Estas chimeneas tienen crecimientos muy rápidos, alcanzando en poco tiempo grandes alturas, lo que les confiere una gran inestabilidad.

Los venteos hidrotermales alcalinos, como los del campo conocido como Lost City en el océano Atlántico, son distintos. Se producen alejados de las dorsales oceánicas y presentan unas temperaturas más modestas, en el entorno de 40ºC a 90ºC. El agua del mar que se infiltra por las fisuras de la corteza oceánica constituida básicamente por peridotita, una roca ígnea, se calienta y reacciona con el abundante mineral de hierro y magnesio que allí se encuentra, produciendo un entorno de alta alcalinidad, es decir con pocos protones H⁺, y flujos ricos en metano CH₄ e hidrógeno H₂, y con concentraciones de minerales de calcio, bario o silicio que le dan su característico  color blanco. Al contrario que en las fumarolas negras, en este tipo de venteos no se producen cantidades significativas de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno o iones metálicos. Al mezclarse la surgencia con el agua del mar, que se encuentra a unos 2ºC y con CO₂ disuelto, sus iones precipitan, produciéndose carbonato cálcico y formando así unas chimeneas de hasta 60 metros de alto con una gran estabilidad. La estructura de estas chimeneas presenta unas formas porosas llenas de microcavidades.

Venteo alcalino con estructura de carbonato cálcico (Wikimedia, dominio público)

En ambos tipos de fumarolas se encuentran numerosas especies de extremófilos y otros tipos de organismos viviendo en sus proximidades. Son de reseñar las poblaciones de bacterias quimioautótrofas que basan su metabolismo en los compuestos del azufre. Más tarde, en otras entradas, veremos la importancia de este tipo de bacterias en la evolución de los seres unicelulares.

Ahora bien, hace 4 mil millones de años, cuando suponemos el inicio de la Vida, las condiciones del mar eran distintas. Las aguas serían muy ricas en hierro en su forma no oxidada de ión ferroso Fe²⁺, ya que entonces el oxígeno era aún escaso, mientras que el fluido exhalado por las surgencias submarinas debía contener bastante ión hidrosulfuro HS^-. Estos dos iones se combinarían produciendo pirita FeS₂ liberando mucho H⁺ que a su vez reaccionaría con el anhídrido carbónico disuelto en el agua produciendo biomoléculas. Conociendo estas circunstancias se ha intentado reproducir en el laboratorio lo que pudo pasar en la superficie de los fondos marinos durante el Hadeico, en un momento en que imaginamos que los venteos debieron ser muy abundantes. Efectivamente esto debió ser así, ya que en los ensayos, al inyectarse una solución de SNa₂, parecido al fluido hidrotermal, en disoluciones de Cl₂Fe, que simula bien las condiciones del hierro en el mar de aquel entonces, se observó que precipitaban unas estructuras de SFe porosas, material semejante al de las chimeneas hidrotermales.

No parece por tanto una entelequia el suponer que durante el eón Hadeico en los fondos oceánicos, sobre la corteza de la litosfera submarina, se dieran este tipo de fenómenos y estructuras: las leyes de la química y de la termodinámica han sido siempre las mismas, tanto hoy como hace millones de años.

Así que imaginemos un primitivo venteo alcalino, posiblemente con más diferencia de temperatura con el agua que le rodeaba, quizás presentando alguna de las características químicas de las fumarolas negras: el magma estaba demasiado próximo y demasiado caliente, lo cual favorecería su proliferación. En estos venteos, o lo que fuera, energizados por los motores que suponen los gradientes químicos y térmicos que allí se producían, se encontrarían variadas moléculas e iones que se irían haciendo cada vez más complejos. De la corteza ascendían arrastrados por el caliente flujo de agua, una química alcalina, sencillas moléculas de hidrógeno y de CH₄, compuestos de azufre y nitrógeno en forma de amoniaco, además de otras moléculas e iones, todas ellas necesarias para formar los ladrillos de la materia orgánica y para iniciar el proceso de obtención de la imprescindible energía vital. Por otro lado, el mar era menos caliente y ácido, debido esto último a la gran concentración del CO₂ disuelto en aquellos momentos como resultado de la abundancia de este gas en la atmósfera hadeica y de la alta presión atmosférica a nivel de mar. A pesar de la baja concentración de oxígeno en el mar, los silicatos de hierro ferroso se iban oxidando lentamente a hierro férrico, liberando iones de H⁺. Abundaban también los iones de níquel y de compuestos fosfatados. Las diferencias de pH -alcalino en la surgencia, ácido en el mar-, de temperaturas -caliente en la surgencia y fría en las aguas libres- y de concentraciones iónicas entre el flujo del venteo y las aguas del fondo oceánico, se constituyeron en dinámicos impulsores químicos de lo que pasaba en la zona de mezcla.

Un micromundo en donde abundaban el dióxido de carbono, hidrógeno, fósforo, nitrógeno… todos los materiales para construir moléculas orgánicas. Iones de níquel y hierro que reaccionaban con el sulfhídrico de las emanaciones formando moléculas de SFe y SNi, con un tremendo potencial energético basado en su fuerte capacidad redox, con la que impulsarían las cadenas de electrones que creaban la energía necesaria para tan complicada fábrica. Un campo de protones que empujaban en la misma dirección (entenderemos mejor estos procesos tras la lectura de una entrada posterior). Un universo de materiales y energía.

Faltaba sólo el cobijo en donde estos dos actores principales de la alquimia se concentraran, preservaran y colaboraran.

Formación calcárea de Lost City. En las porosidades de este tipo de paredes pudieron darse las condiciones necesarias para iniciarse la Vida (Wikimedia, dominio público)

Las porosidades de las estructuras calizas de las chimeneas eran el alojamiento ideal para el proceso, mientras que su recubrimiento por sulfuros metálicos suministraba una continua fuente de electrones energéticos para la química prebiótica, lo que, unido a su potencial catalizador, formaba un escenario ideal para las polimerizaciones. Básicamente los mismos catalizadores, hierro de muy distintas clases, níquel y sulfuros de molibdeno que utilizan actualmente las células para acelerar la captura y conversión del CO₂ en moléculas orgánicas.

Sabemos que desde una edad temprana se dieron las circunstancias que pudieron hacer posible la aparición de una “protovida” química aún no biológica. Aquellos activos autorreplicantes a los que gustaba colaborar en el medio donde se encontraban. Ahora y aquí, en este momento de la biografía de la Vida, junto a las chimeneas hidrotermales submarinas del Hadeico, hemos dado un paso más y nos encontramos casi en el mundo del ARN.

Ya sabemos que el mundo de los precursores del ARN es la imagen más probable de lo que surgió en estos escenarios. Pequeñas moléculas del tipo ARN que interaccionaban entre ellas, acoplándose de acuerdo con las leyes termodinámicas y químicas en el interior de los minúsculos recovecos del cuerpo de las chimeneas de los venteos. Unos entes que se autoconstruían y se duplicaban primero por la acción catalizadora del vecino, más tarde por su propia autocatálisis, y que encontraban en el interior de las porosidades una química que les dotaba de materiales de repuesto y energía para su replicación. Los precursores del mundo del ARN dentro de las porosidades se irían haciendo también más complejos.

Algunos de estos precursores actuarían ya como enzimas “ayudando” a otros a replicarse o a unirse formando unas cadenas más largas. Se producirían hiperciclos de colaboración. La selección natural haría el resto al dejar paso sólo al más competitivo y eficaz, y eliminar el resto. Las protocélulas generarían así su material informativo, su ARN preferido. Y como el ARN de un retrovirus, el campeón se expandiría a otros poros de la roca en los que también sería el campeón. Probablemente seguiría su trabajo automático de configuración propia y del medio celular, por un lado evolucionando cada vez más a formas muy sofisticadamente enmadejadas, “herramientas 3D”, con las que podía favorecer encuentros moleculares consolidando una función enzimática. Y por otro lado hacia formas sencillamente estructuradas, ideales para una replicación con pocos errores, orientándose hacia una molécula cada vez más parecida al ADN. Así, hasta que inventó una “fórmula proteína” que catalizaba mejor que él y un ácido nucleico que replicaba mejor que él, el ADN. Y tuvo que cederles la antorcha.

Es sorprendente como en el mundo de los virus se observan tipologías que parecen el reflejo de lo que pudo pasar. Los más complejos poseen un genoma de ADN pero los más sencillos, que pueden ser supervivientes de la época del mundo del ARN, lo tienen de este ácido nucleico con muy pocos nucleótidos. Desde los viroides que son incapaces de codificar la proteína que precisan para su autorreplicación, pasando por los un poco más complejos Deltavirus en donde conviven un gen y una proteína enzimática que no es la que precisa para replicarse, hasta llegar a los Narnavirus en los que la proteína acompañante de su gen es producida por él mismo y es precisamente la que cataliza su propia replicación. Es decir, desde un trozo de ARN que necesita que alguien le ayude en su replicación, pasando por ARN’s que conjugan un gen y una enzima, primero independientes y después perfectamente ligados en sus funciones.

Bacterias fototróficas que viven cerca de una fumarola negra frente a las costas de México a una profundidad de 2.500 metros (Wikimedia, dominio público)

En esta aventura, el ARN obtendría la energía de una forma similar a como la obtienen las bacterias que actualmente viven en las fumarolas y venteos submarinos: a partir de los gradientes de protones y de la energía de enlace de los compuestos de azufre ayudados por el poder oxidante de los abundantes iones metálicos. Y la almacenarían para su actividad apoyándose en una molécula, el acetiltioéster, abundante de forma natural en el mundo hidrotermal submarino, que se produce fácilmente mediante el ataque de radicales  libres de hierro y azufre sobre el dióxido de carbono. Esta molécula hace funciones semejantes a las del adenosín trifosfato, ATP, las pilas de energía de prácticamente todas las células vivas.

Todo nos lleva a imaginar un resumen poco menos que sorprendente: el ancestro común más antiguo de los seres vivos no fue una célula, sino unas rocas producidas en una fumarola alcalina, con paredes catalíticas compuestas de hierro, níquel y azufre, y energizadas por un gradiente natural de protones resultante de la oxidación de los minerales sulfurosos. En sus solitarias y recónditas porosidades se gestaron complejas moléculas que ya jugaban con los atributos que hoy tienen los seres más simples, las bacterias quimioautótrofas, organizando el código genético, montando el ribosoma que es la fábrica celular de proteínas, seleccionando al ADN, desarrollando un núcleo elemental de metabolismo suficiente como para suministrar los componentes que necesitaría para su replicación, aprovechando la energética química redox y mediando como enzimas catalizadoras de ATP, todo ello en un entorno individual y aislado.

Este ser casi mineral que se encontraba en la frontera de la Vida estaba presenciando el albor de la revolución bioquímica, cuando los genes y las proteínas se diversificaban llevando a cabo millares de nuevas y diferentes funciones, cuando el ARN y los sulfuros de hierro fueron sustituidos como catalizadores principales por las proteínas y cuando la química biológica empezó a diversificarse y tomar cuerpo.

Ahora sólo le faltaba volar independiente y lejos de la estructura mineral de los venteos. Necesitaba algo parecido a un traje espacial que reprodujera su ambiente protector natal, un traje lo suficiente maleable como para que su química se pudiera enriquecer en el nuevo medio marino donde iban a ser pioneros, haciendo posible que entes hijos heredaran su autonomía e independencia. Para ello necesitamos dar un nuevo paso en esta historia, subir un escalón más apoyándonos en las membranas lipídicas.

Aclaremos en que consisten estas membranas.

Sólo hay que acudir a la naturaleza, o simplemente lavarse las manos, para ver cómo aparecen de forma espontánea burbujas, micelas, de una finísima capa que encierra aire. Se ha observado en el laboratorio que en disoluciones de fosfolípidos se generan este tipo de micelas y membranas, que van creciendo por adición de más y más fosfolípidos libres, y que se dividen de forma espontánea dando micelas hijas capaces de continuar el mismo proceso. Algo con lo que ya se encontró Oparin al estudiar sus coacervados, tal como se comentó en la entrada segunda de esta serie.^[3]

Los fosfolípidos son moléculas muy largas, que en un extremo tienen un grupo fosfato normalmente con una carga negativa, siendo el otro extremo completamente apolar -sin manifestación de carga eléctrica-. Por otra parte tenemos a la molécula de agua que tiene un carácter bipolar, ya que al tener el núcleo de su oxígeno mayor cantidad de protones con carga eléctrica positiva -ocho- en relación a los que tiene el hidrógeno –uno-, se produce una desviación hacia el primero de la población de electrones negativos de la molécula. La consecuencia es que la molécula de agua presenta una carga negativa cerca del oxígeno y una positiva cerca de los hidrógenos. Mezclamos agua y lípidos y ¿qué pasa? Que los polos de cargas opuestas se juntan, mientras que los extremos no polares huyen del agua y se refugian entre ellos. Resultado: una membrana formada por una doble capa de lípidos con sus extremos polares hacia fuera. Cuando estas membranas lipídicas se doblan aproximando sus extremos, se unen formando una burbuja. Esto sucede de forma espontánea ya que esta estructura equivale al estado de mínima energía para los agregados de estas moléculas.

Las primeras membranas celulares tuvieron que provenir de esta circunstancia física al configurarse una micela que encerraría a una disolución de muchas y variadas moléculas, formando así un perfecto foro de encuentro entre ellas. De hecho las membranas de las células y de sus núcleos tienen esta constitución molecular. Que además de su estanqueidad para el desarrollo de la vida presentan otra ventaja, ya que son parcialmente permeables según el tamaño de las moléculas: permiten el paso a los monómeros con los que se construyen los ácidos nucleicos y las proteínas, y a la vez la salida de los productos de desecho del metabolismo.

Una bicapa lipídica (izquierda) y una micela (derecha) (a partir de Wikimedia, GNU FDL)

Pero en la situación de inicios de la bioquímica la creación de largos fosfolípidos era muy compleja, debido precisamente a su longitud. El proceso, por tanto, debió de ser lento, como sucedió con tantos otros que hemos analizado hasta ahora: la evolución habitualmente es así, un rosario de pequeños escalones. Todo comenzaría con un pequeño lípido, quizás producto residual de algún ciclo autocatalítico, que se quedó pegado sobre la superficie que contenía a una disolución repleta de solutos. Este lípido adosado a la superficie influyó sobre su ambiente ya que al rechazar al agua en su entorno por su carácter hidrofóbico crearía algo así como una burbuja de moléculas “vacía” de agua que iba abriendo camino a otros lípidos, los cuales crecían al interrelacionarse entre ellos. En principio formarían como una pequeña mancha de aceite en el agua, pegada a la pared de pirita dentro de un pequeño poro de la roca. Con el tiempo esta mancha, ya cohesionada como una membrana, se abombaría dejando un espacio de “agua en aceite” entre ella y la roca, formando una burbuja, una especie de protocélula fija sobre el sustrato. A través de la membrana pasarían moléculas muy simples como el CO₂, quedando en su interior algunos ciclos autocatalíticos autótrofos -quizás unas sencillas cadenas de ARN autorreplicantes- con su metabolismo incipiente, siendo la superficie pirítica la suministradora de iones y energía.

Con ello se consiguió un entorno aislado en donde se desarrollaba la bioquímica de la forma necesaria como para que aumentara la entropía del conjunto, permitiendo el que se incrementara el orden, a costa de disminuir la del exterior gracias a una energía que entraba al sistema a través de la membrana fosfolípida. La base del delicado equilibrio dinámico de la homeostasis vital.

Poco a poco el abrigo de las porosidades se fue haciendo innecesario al desarrollarse las primitivas vesículas fosfolipídicas. En algún momento de la diversificación de la bioquímica se traspasó a estas membranas las funciones de bombeo de protones y las funciones redox que hasta entonces venía desarrollando el sulfuro de hierro de las paredes de roca que las albergaba. La membrana debía ser ya prácticamente procariota,^[4] al menos en su estructura, y seguramente fue en este momento en que se desarrollaron dos diseños, a la vista de las distintas bioquímicas alcanzadas en las membranas de las eubacterias y de las arqueobacterias, los seres vivos más ancestrales. Quizás en estos mismos instantes, coevolucionando a la par de las membranas orgánicas, se estaría pasando del mundo del ARN replicante y enzimático, al mundo cooperante de ADN-ARN-proteínas, cada uno con su función. También a la par que iba sucediendo lo anterior, los incipientes genomas circulares de ADN se irían complicando por duplicaciones o transmisiones horizontales entre diversas “células”, en un camino evolutivo de mayor eficacia en su codificación de información y en su replicación con escasos errores.

Con los procesos químicos vitales ya automantenidos, un ser vivo independiente pudo liberarse de su cárcel pétrea y salir a las aguas libres a practicar su quimioautotrofismo. Sobre el fondo marino afincaron su vida aprovechando el CO₂ disuelto y la energía química de los compuestos de sus lechos. A medida que iban muriendo, sobre el fondo marino se comenzaba a sedimentar materia orgánica que sería mucho más tarde utilizada por las grandes células heterótrofas que tardarían aún mucho en llegar. Lo anterior constituye la revolucionaria teoría de los ya mencionados profesores William Martin y doctor Michael Russell.

Diagrama de la teoría de Martin y Rusell: desde la primera química de la vida confinada en los poros de los venteos submarinos hasta la aparición de células libres.

Sea o no sea cierta la hipótesis anterior, alguien tuvo que ser el primero. Según el genetista Andrés Moya, tal como dice en su libro “Simbiosis“, parece ser que teóricamente con 208 genes una célula tiene lo mínimo para replicarse y metabolizar. Y hay serias evidencias de que todos los seres vivientes que somos y han sido tenemos un ancestro común que ya introdujimos en una entrada anterior,^[5] el LUCA -Last Universal Common Ancestor, Último Antepasado Común Universal- que contaba con 600 genes. Hay diversas teorías al respecto,  aunque la más extendida es la que dice que la Vida apareció una sola vez sobre la Tierra, pero nadie puede asegurar que no se hubieran dado otros brotes hoy perdidos en el camino, desaparecidos al verse incapaces de resistir la presión evolutiva o que permanecen escondidos en lugares no explorados del planeta. Éstas son las evidencias que nos permiten asegurar la existencia del antecesor común. Podemos suponerlo cuando observamos que los procesos metabólicos más comunes están extendidos en todos los seres vivos. Lo deducimos a partir de la sorprendente y ancestral coincidencia de que los mismos genes expresan las mismas proteínas en toda la comunidad histórica de organismos vivos. Que así nos lo indica el constatar la existencia de un atávico y único código genético a nivel planetario. Y está demostrado largamente a partir de los estudios realizados sobre la evolución de genes que nos permiten husmear en su árbol genealógico. Hemos podido retrotraernos con absoluta seguridad hasta el LUCA mediante análisis genéticos con los que se siguen la pista a unos cien genes (lo que suponemos significa el 6% de la cesta de protogenes de tan venerable abuelo) existentes en el acervo actual de la biosfera.

A partir de ahí siguen aún abiertas muchas preguntas: ¿cómo se las apañó la primera protobacteria cuando abandonó la primera chimenea calcárea?, ¿cómo llegó a colonizar otras chimeneas u otros ambientes?, ¿cómo fue evolucionando el metabolismo que le permitió esta hazaña?

La lectura de esta entrada no nos esta dando certezas absolutas, y seguiremos manteniendo los interrogantes. Efectivamente, todo son hipótesis y no se sabe con certeza cómo y cuándo apareció la Vida, aunque las pistas son esclarecedoras y, para el que precise certezas, podríamos decir que también son esperanzadoras. Parece casi una evidencia que el proceso fue ineludible, ya que los resultados de los ensayos teóricos parecen confirmar la casi espontaneidad de todos los procesos necesarios, también corroborado por las evidencias geológicas y bioquímicas que nos llevan a pensar que se produjo en un momento muy inicial de la vida de la Tierra, posiblemente más allá de hace 3.800 millones de años. Y si efectivamente tenemos un ancestro común, todo parece indicar que hay que apostar por la mayor probabilidad de unos hechos encadenados por la evolución y la selección natural, una cadena de sucesos que sin necesidad de magias hicieron posible que la Vida se extendiera por doquier.

Representación artística de la Tierra saliendo del eón Hadeico (composición propia a partir de NASA, dominio público)

Y hasta aquí la historia hadeica. En aquel momento final de época, vibrando aún con los últimos rumores del Bombardeo Tardío, nos hubiera asombrado el juego de los astros. El Sol, menos brillante que hoy en día, atravesaría rápidamente el arco del cielo, quizás al doble de velocidad que ahora, mientras que la Luna muy próxima aparecería cada noche aterradoramente grande sobre nuestras cabezas. La Tierra era una bola brillante, un globo de agua, festoneada por unas placas áridas cubiertas de pústulas volcánicas. El viento y el agua degradaban estos inicios de continentes depositando el resultado en el fondo del mar, en donde crecían capas de sedimentos de gran espesor. Nada de color verde sobre las escasas tierras estables, ningún movimiento a excepción de remolinos de polvo, las torrenteras desbordantes y el correr de las lavas. La atmósfera parecida a la actual, aunque sin oxígeno, se había ya aclarado: dominaban el dióxido de carbono, el metano, el nitrógeno y el agua. El cielo, posiblemente, dada la gran cantidad de vapor de agua en la atmósfera, era tan azul como el que conocemos y los amaneceres y atardeceres no serían tan rosados o rojos al no estar la atmósfera tan contaminada por el polvo, aunque seguramente todo sería menos luminoso porque así lo era el Sol de entonces. El mar templado y ácido ocupaba la cubeta que formaba la placa oceánica, sujetándose sobre un magma muy caliente que de vez en cuando hacía valer su poder agrietando este fondo marino. La Vida primigenia bullía en el agua, tan sólo en el agua. Primitiva y abundante. Esperando el siguiente eón para agarrarse a cualquier oportunidad y conquistar cualquier nuevo recoveco.

Este objetivo lo cubriremos en la siguiente entrada en donde daremos los primeros pasos por el eón Arcaico.

1. Consiste en la hipótesis por la que en las condiciones que se dieron en la tierra hace millones de años, en algún lugar de su superficie, se constituiría un caldo primitivo primigenio rico principalmente en carbono, nitrógeno e hidrógeno, en el que, al verse expuesto a los rayos ultravioletas del Sol y a la energía eléctrica generada por las tormentas atmosféricas, se generaron unas estructuras simples de ARN, versión primitiva del ADN, base de las criaturas vivas.
2. Se trata la entrada 03 “La química se apunta a lo bio“.
3. Podéis enlazar con la entrada mencionada, “Algunas generalidades“, aquí.
4. Se llama procariota o procarionte a las células sin núcleo celular definido, es decir, cuyo material genético se encuentra disperso en el citoplasma, reunido en una zona denominada nucleoide. Por el contrario, las células que sí tienen un núcleo diferenciado del citoplasma se llaman eucariotas y son aquellas cuyo ADN se encuentra dentro de un compartimento separado del resto de la célula.
5. Se trata de la entrada 03 “La química se apunta a lo bio“, a la que podéis llegar aquí.

Crece la complejidad mediante la colaboración

La idea de que algo se gestó sobre una superficie es muy atractiva, ya que parece fácil que sobre ellas se pudiera iniciar la formación de ciclos autocatalizadores en donde aparecieran moléculas replicantes. Desde el punto de vista termodinámico es más sencillo. Lo que se argumenta es que la formación de un polímero desde una superficie supone forzar menos el “antifísico” deterioro de la entropía: el punto de partida es menos conflictivo, el desorden sobre una superficie es menor que el caos en una disolución tridimensional, y por tanto el salto atrás entrópico hasta el orden molecular va a ser menos costoso energéticamente, y por consiguiente más probable. Por otro lado, las moléculas fijadas por una superficie, al tener menos movimiento, disfrutarán de más oportunidades para asociarse con sus vecinas. Es más, una vez cebados los ciclos autocatalíticos, las moléculas contiguas, que con el tiempo aparecerán cada vez más como mutaciones del mismo ciclo, debían ser muy parecidas, presentando casi la misma estructura molecular.

En estas superficies se generarían por tanto unas “relaciones familiares” a nivel molecular, con preferencias de interacción -evidentemente no un acto volitivo, sino por el hecho de tener estructuras semejantes- que desembocarían en unos colectivos que tendrían que competir según la eficiencia de sus redes “sociales”: los ciclos familiares más ágiles monopolizarían poco a poco los recursos, los mismos que necesitaban otros ciclos familiares menos dinámicos, que irían desapareciendo con la inanición. Sobre las superficies quedarían los más exitosos, aquellos que hacían girar con más eficacia su ciclo, es decir, los que reproducían con menos errores las moléculas madres y las fabricaban con más generosidad y a mayor velocidad, lo que les permitía no sólo expandirse, sino también compensar los intentos fallidos que sin lugar a duda ocurrían: el ciclo autocatalítico más prolífico en la generación de sus componentes tendría más argumentos a la hora de tapar agujeros, de compensar malos funcionamientos del mismo. No obstante, a la larga, mutar no llegó a ser tan malo, ya que la base de su futura evolución  se encontraba precisamente en estas mutaciones.

Así que tenemos a nuestros replicadores moviendo su propia maquinaria de síntesis y polimerización, funcionando de una forma automática  pero aún muy limitada en el mundo de la química prebiótica, cuando la complejidad estaba aún en sus inicios. No había todavía moléculas enzimáticas especializadas que agilizasen las reacciones y polimerizaciones. Para ser moléculas potentes, cercanas a las que conocemos hoy como partícipes de la Vida, tendrían que seguir desarrollando su estructura y hacerse más y más complejas. Aunque no les debió faltar quien les ayudara.

Conocemos sencillas moléculas, como la cíclico-di-GMP, que actúan en las eubacterias actuales, los tipos más ancestrales de procariotas, interviniendo sobre sus moléculas de ARN de forma que estas últimas activan su función. Una muy elemental actuación de tipo catalizador. Y todo lo hacen sin la mediación enzimática de proteínas. Su estructura es muy simple y consiste en un elemental ciclo de ARN formado por sólo dos nucleótidos tipo guanina. A la vista de este tipo de habilidades bien pudiera ser que alguna especie de protoARN de este estilo mediara en los cambios moleculares del mundo de la bioquímica elemental, en donde la presencia de enzimas debía ser apenas testimonial.

Molécula de cíclico-di-GMP (a partir de Wikipedia dominio público)

Algunos de los ciclos catalíticos descritos más arriba, la maquinaria de los autorreplicadores, con el tiempo “aprendieron” también a colaborar y convivir con otros ciclos como si el conjunto fuera una entidad individual. Bien pudo pasar que el desecho de uno de ellos fuera justo  la materia prima que otro necesitaba, y al revés. Los dos ciclos convivían “simbióticamente” manteniendo su simplicidad; y si lo hacían sobre una superficie aún mejor, el proceso resultaría  más sencillo. Esta colaboración simbiótica entre moléculas permite imaginar que quizás leyes o usos que encontramos en la biología también funcionan en las moléculas simples dentro del mundo de la química.

Sobre esta base se han hecho experimentos que demuestran que es relativamente fácil sintetizar de una forma muy simple un buen número de compuestos, aunque el éxito de laboratorio se resiste en algunos muy importantes para la Vida, como es el intento de unión de una ribosa con una base pirimidina, componentes primarios de la cadena de los ácidos nucleicos.

Los problemas de la replicación abren la puerta de la heredabilidad

Hemos dicho repetidamente que la vida no sólo es replicarse y mutar. También hay que evolucionar, y para ello hay que conseguir poder transmitir la propia información, la propia estructura química y el fenotipo molecular. A esto se le llama heredabilidad, que no es una cosa simple, ya que para que tenga impacto en el propio entorno debe ser continua y variada en el tiempo, no un mero incidente aislado. La heredabilidad pudo comenzar con una mutación durante la replicación. Nuestros ciclos autocatalíticos, que progresivamente habían perfeccionado tanto su eficacia como sus redes de colaboración, son ya capaces de replicarse. Y además sus propios partícipes experimentarían mutaciones en las estructuras moleculares, mutaciones que transmitirán más tarde en los siguientes ciclos de replicación. Incluso podrán generar variabilidad en los mismos ciclos de replicación como un conjunto al transmitirse los fallos que se produzcan en el proceso, lo que en algún caso será el inicio de procedimientos más eficientes.

Durante el ciclo de replicación el polímero afectado estaba transmitiendo toda la información que lleva encriptada en su estructura molecular, de forma que cuanto más larga fuera ésta mayor podría ser la cantidad de información que transmitiera a su herencia, y a mayor información, mayor complejidad. Es fácil intuir que se encontró con un inconveniente, ya que había una relación biunívoca entre una gran longitud de polímero y una gran probabilidad de error durante la replicación. Esto en principio tampoco era muy malo ya que permitiría un gran abanico de alternativas, que puestas en la batalla de la competencia, iban a proporcionar con mayor probabilidad un eficiente replicador. Pero, a pesar de todo, ello iba en contra de la “carta constitucional” del polímero largo y complejo, que consistía en que pudiera transmitir un buen volumen de información en el paquete de herencia con los mínimos errores. Su dilema era por tanto: longitud/error versus longitud/información.

Está demostrado que hay que superar una determinada tasa umbral de fiabilidad para poder construir largas cadenas moleculares, imprescindibles para alcanzar complejidad. Y los polímeros del mundo prebiótico no podían ser generosamente largos, ya que aún no se había “inventado” la función enzimática^[1] que les ayudara a traspasar este umbral: los polímeros debían funcionar solos. La pescadilla se seguía mordiendo la cola ya que, a su vez, para que aparecieran enzimas eficaces se necesitaban moléculas de largas cadenas que pudieran enmadejarse y presentar así una estructura geométrica y de enlaces químicos suficientemente compleja como para realizar la función de robot ensamblador de moléculas. Pero ya hemos dicho que en el poco fiable mundo prebiótico esto era un imposible: dada la alta tasa de errores en las replicaciones, los polímeros no podían ser demasiado largos. Si hablamos de algo semejante a un ARN, estaríamos hablando de quizás 10³ a 10⁴ nucleótidos. Se estima que el genoma humano tiene alrededor de 3×10⁹ pares de nucleótidos.

Este entorno plantea un problema que parece irresoluble y que se conoce como la paradoja de Eigen: para incrementar la complejidad se precisaba transmitir mucha información, por lo que las moléculas que podían hacerlo debían ser largas. Pero en el mundo primigenio las cadenas eran muy cortas, con un índice de fiabilidad no muy elevado. Se precisaban moléculas “obreras” que agilizasen las polimerizaciones y así conseguir moléculas más largas y con alta fiabilidad en la replicación, es decir, se necesitaban enzimas. Pero las enzimas eficientes precisan de largas y enrevesadas cadenas moleculares imposibles de conseguir en aquellos momentos. ¿Cómo resolver el dilema?

El método general pudo estar en la replicación por “plantillas” ya que se ha comprobado que la mayor fiabilidad del proceso se da en aquellos casos en que la replicación se realiza en base a la copia de estructuras moleculares por este procedimiento, es decir, que tu propia estructura pueda servir de molde para la replicada, como sucede con los ácidos nucleicos actuales. Eso permite pensar que la replicación por “plantillas” pudo ser la solución, ya que sobre un mismo polímero bien pudieron coevolucionar a la par las dos adaptaciones, apoyándose la una en la otra: largas cadenas junto a poder catalizador, lo que permitió la gestión y heredabilidad de mucha y fiable información. Pero también hay otras ideas.

Apoyados en las ventajas de la colaboración

Quizás la base de la solución de la paradoja de Eigen se encuentre en alguna de las dos teorías siguientes. Se trata, por un lado, de la cohabitación de genes -utilizaremos ya la palabra gen para definir a las cadenas de información que se replican- sin que existiera competencia entre ellos, quizás moléculas de una similitud estructural, seguramente tipo protoARN, componentes de una misma familia evolutiva. Nos imaginamos a muchos polímeros cortos que se aliaban para dar una apariencia funcional de cadena larga.

Otra posibilidad, hoy por hoy teórica, pasa por la existencia de hiperciclos, una cadena de “protogenes” (en el sentido de autorreplicantes portadores de información) en la que cada uno de ellos realizaría algo parecido a una función enzimática de catalización en la síntesis de otro, y este a su vez de otro, y este tercero a otro cuarto, hasta cerrar el círculo con un gen que ayudara a catalizar al primero. No habría una cadena única, larga, sustentadora de la información, sino que ésta estaría repartida entre poseedores parciales de la información, cada uno de ellos autorreplicantes, propiedad ésta que no la tendría el hiperciclo como una unidad. Cada uno de estos genes, durante sus replicaciones, iría acumulando mutaciones; algunas los harían más atractivos a su correspondiente enzima (la que participa en su catálisis, es decir el gen anterior de la cadena) mientras que otras mutaciones mejorarían su habilidad catalizadora. En el primer caso podría surgir un nuevo hiperciclo en donde el mutante sustituiría al mutado perdiéndose el ciclo inicial (mutación egoísta) y en el segundo caso dando “alas” al hiperciclo, ya que uno de los pasos sería más eficaz, más prolífico, lo que supondría una ventaja para el conjunto en su capacidad generadora (mutación altruista).

Árbol de alternativas de mutaciones dentro de un hiperciclo

Se ha podido comprobar que si esto sucede en un entorno abierto los nuevos ciclos que surgen tras una mutación egoísta se dispersan y sobreviven, mientras que los ciclos consecuencia de mutaciones altruistas no consiguen una masa crítica como para imponer sus ventajas. Situación a la que se le da la vuelta si el hiperciclo está confinado dentro de una membrana: en este caso, si la concentración de genes en el interior es baja, la tendencia es a que el efecto positivo de los altruistas logre contrarrestar el negativo de los egoístas, permitiendo al hiperciclo reproducirse con eficacia, incrementar su población y expandirse con éxito siguiendo la división de los compartimentos donde están confinados. Suena a que algo como una célula debe ser un lugar de éxito ¿verdad?

En la Universidad Estatal de Portland  se ha conseguido recrear por primera vez este tipo de redes químicas de ácidos nucleicos cooperadores.^[2] Se fabricaron tres tipos de moléculas de ARN defectuosas que podían repararse entre sí, de tal modo que A reparaba a B, B reparaba a C y C reparaba de nuevo a A. Al ponerlas juntas se observó que la red colectiva y de cooperación funcionaba bien y más eficazmente que con moléculas no colaboradoras. Hace tiempo ya se sabía para el caso de tan sólo dos moléculas participantes, pero el experimento de la universidad de Portland ha demostrado que con tres también funciona, lo que abre la puerta a redes con más moléculas de distinta clase: si se ha podido pasar de dos a tres, entonces también se debe poder ir de tres a cualquier otro número. Estas redes son aún más versátiles en el caso de que las moleculares participantes tengan estructuras geométricas que les permitan acoplarse espacialmente, lo que a la larga puede desembocar en la polimerización de una larga molécula.

¿Pueden los hiperciclos ser el origen del éxito de los replicadores de largas cadenas con un gran potencial de información? Al menos es una teoría plausible. No obstante, no es todo tan fácil, nos queda mucho por demostrar. De entrada, la generación “espontánea” del ARN es muy problemática. Se ha logrado sintetizarlo en el laboratorio a partir de una disolución de nucleótidos, con la presencia de una semilla iniciadora en forma de molécula del tipo ARN y una enzima sintetasa, también conocida como ligasa, (las que se encargan de agilizar la síntesis de moléculas). Un experimento demasiado a la medida como para poderlo imaginar en el mundo real, y menos aún en el mundo primigenio cuando aún no habían aparecido las enzimas. Sin embargo algo así debió suceder, quizás a través de un hiperciclo.

O bien todo pudo empezar aún antes, según la hipótesis que maneja el químico y biólogo escocés Graham Cairns-Smith, en la que postula que los primeros “genes”, como elementos portadores de información y autorreplicadores, no fueron de ARN sino de arcilla, en un mundo donde se producía fácilmente su interrelación con pequeñas moléculas orgánicas.

Cristales de caolinita, uno de los ejemplos de cristales de arcilla propuesto por Graham Cairns-Smith (NASA, dominio público)

La arcilla -la nata de la disgregación de las rocas- se forma rápidamente a partir de una disolución saturada de los iones adecuados (aluminio, magnesio y silicio) reproduciendo en su crecimiento, capa a capa, las irregularidades de su estructura. Los iones forman dibujos irregulares que pueden atrapar moléculas aniónicas. Sus cristales crecen a partir de una semilla del mismo material, pudiendo romperse cada uno de ellos de forma que cada trozo tiene la capacidad de constituirse en otra nueva semilla. A partir de la aparición de los lógicos errores de la configuración iónica durante el crecimiento del cristal es como se puede almacenar en su superficie información variada. Si estos errores se transmiten al romperse el cristal podríamos hablar de herencia. Este proceso se pudo iniciar fácilmente en el momento en que una disolución saturada de silicatos empapara una piedra porosa de arenisca, en la que podrían crecer cristales variados de arcilla con diversos errores. Algo parecido a una “plantilla” con información.

Ahora pensemos que sobre esta plantilla física se van depositando determinadas moléculas orgánicas que también estarían disueltas en las aguas primitivas. Poco a poco irían adaptándose a las características de la arcilla, que a fin de cuentas está actuando como un catalizador inorgánico -necesitamos un catalizador para la primera síntesis del ARN-, aprendiendo su “información” e imitándola con mayor eficacia: la arcilla habría sido como el andamio sobre el cual se favorece la generación de un ácido nucleico, que quedaría como único agente al desaparecer el andamio.

Con ello obtendríamos cadenas muy cortas de ácidos nucleicos. Que tienen que crecer para llegar a ser un ARN plenamente funcional. La película continuaría a partir de la idea de que entre la variedad de estas cadenas de ácidos nucleicos generados sobre la catalizadora arcilla, alguna tuviera una estructura sui géneris que pudiera plegarse de forma tal que le permitiera comportarse como una enzima de ligamiento, lo que se conoce como ligasa. Esta enzima ayudaría a unir a parte de las cadenas compañeras de nucleótidos, hasta llegar a un punto tal que alguno de estos nuevos polímeros pudieran también plegarse de tal forma que actuara como catalizador de la replicación de algún compañero resultante también de la acción de las ligasas, lo que se conoce como un ARN replicasa. Y con eso se podría haber llegado a un ARN primigenio replicador y enzimático.

La teoría no es una entelequia y puede ser posible, como así lo podemos comprobar en múltiples casos que observamos. La arcilla montmorillonita puede actuar como sustrato que promueve la polimerización de nucleótidos de adenina, uracilo y sus derivados. Incluso cadenas de ARN de hasta 40 eslabones. Además en su superficie este ARN permanece muy estable, más que en una disolución acuosa tridimensional. Es interesante también conocer el resultado de experimentos con priones –un tipo de proteína con un plegamiento erróneo de su molécula-, los cuales son capaces de unirse a partículas de arcilla y abandonar estas partículas cuando la arcilla se carga negativamente.

El mundo del ARN: hacia la especialización. Transmisión de información  vs. Metabolismo

Vamos a hacer una pequeña parada para recopilar el camino avanzado hasta este momento desde la elemental química primigenia. Hemos hablado de moléculas con capacidad de replicación, con una cierta habilidad de colaboración enzimática, con una posibilidad de potencial informativo y de transmisión de dicha información, que evolucionaría vía mutaciones y selección natural. Es decir, unas moléculas bastante versátiles y en el umbral de las moléculas de la Vida. Estamos ya muy cerca.

Ampliemos ahora el foco. La Vida, tal como la conocemos, es una compleja maquinaria en la que podemos observar dos funciones esenciales: la del software, con la información, su manejo y transmisión, y la del hardware, con toda la maquinaria del metabolismo fabricando los ladrillos y consiguiendo energía para que todo funcione y así mantener un determinado fenotipo viviente. En los seres vivos actuales la primera función está en manos de los ácidos nucleicos, ADN y ARN, mientras que la segunda está en manos de las proteínas y sus componentes, los aminoácidos, con sus capacidades enzimáticas.

La duda que se nos plantea desde el escenario de la incipiente química biótica es si primero aparecieron los ácidos nucleicos, o primero las proteínas, o bien coevolucionaron a la par. La verdad es que no lo sabemos, aunque la mayoría de las opiniones más serias y contrastadas están por el hecho de que los ácidos nucleicos fueron los primeros, opiniones que se ven soportadas por lo que conocemos acerca de los que forman nuestros paquetes genéticos actuales. El ADN o el ARN dominan las características imprescindibles que definen a la Vida: Información y replicación. A partir de ahí todo lo demás.

Posible camino desde la química prebiótica al mundo de la especialización biótica (esquema de elaboración propia a partir de diversas teorías)

Nos encontramos así con un entorno dominado por los ácidos nucleicos que nos explicaría la esencia de la complejidad en las bases de la Vida. La teoría más aceptada en la actualidad es la del mundo del ARN que dice que la complejidad metabolizar y replicarse, se basa en un precursor común de todas las formas de Vida, que sería el ARN o bien una molécula anterior menos desarrollada, el pre-ARN. La apuesta por este tipo de moléculas se basa en que sus descendientes actuales son capaces de gestionar varias funciones esenciales: hacen copias de sí mismas, son la base de datos del funcionamiento genético y metabólico, catalizadoras de reacciones metabólicas -al igual que las enzimas- y mensajeras de información, habilidades que al surgir dentro de un mundo evolutivo podemos asegurar que se debían encontrar, aunque de forma somera, en moléculas ancestrales. El dominio inicial de algo semejante a estas funciones les habría dado en el mundo protobiótico unas ventajas competitivas y evolutivas frente a otras formas de experiencias de vida.

La fuerza de la presión del medio ambiente, la misma que había hecho aparecer el ARN, impuso una nueva versión de ácido nucleico que era mucho más estable por su estructura doble helicoidal, el ADN, especializado en la información y la replicación, mientras que a las proteínas las seleccionó como las moléculas catalizadoras perfectas. El ARN tuvo que ceder la cartera de funciones a estos alumnos aventajados.

Esquema del posible proceso de paso del mundo del ARN al mundo del ADN, con cesión de la función de catálisis a las proteínas por parte del primero. (A partir de información del libro “Orígenes: El universo, la vida, los humanos”)

No puedo por menos que repetir aquí lo dicho un poco más arriba a la vista de que la selección darwiniana parece actuar también a nivel de moléculas: “… permite imaginar que quizás leyes o usos que encontramos en la biología también funcionan en las moléculas simples dentro del mundo de la química”. La más simple química y la más sofisticada y compleja biología se manifiestan como una misma entidad.

Estación Término: el invento funcionó, la bioquímica compleja era ya una realidad.

En estos momentos la pregunta es:

Y ahora, ¿cómo continúa la historia?

Hasta aquí hemos desarrollado un posible camino que pudo iniciarse con el primer autorreplicante, al que poco después le dimos el nombre de gen. Como podemos deducir de la anterior historia, nuestro nivel de conocimiento es escaso y sólo nos ha permitido, hoy por hoy, el planteamiento de una serie de teorías e hipótesis que se esfuerzan en desenrollar el intricado pasado de las primeras biomoléculas, teorías e hipótesis que están condenadas a cohabitar. Ninguna de ellas es concluyente y quizá el hombre nunca sepa lo que pasó, aunque quizá, como otras veces en el mundo de la ciencia, la solución pasará por una síntesis de las hipótesis manejadas.

Y sin embargo no podemos dejar de pensar que aquello que pasó se intuye escondido en las pistas que siguen los investigadores y científicos, en los detalles que apuntan todos una clara orientación.

Experimentos como los comentados de Stanley L. Miller y Harold Urey son como una ventana abierta: un mundo posible está al otro lado. Un mundo en donde se han sintetizado las moléculas orgánicas detectadas en el espacio interestelar, formadas posiblemente bajo la motorización de los rayos cósmicos. O un mundo no tan lejano, en nuestra Tierra, donde también han aparecido moléculas orgánicas, de forma aparentemente espontánea, en lugares con gradientes químicos o escalones de temperatura apreciables.

Y qué decir de los resultados de determinados ensayos de laboratorio, en donde en los matraces se han mezclado en disolución moléculas sencillas de ARN y los nucleótidos elementales que conforman su estructura molecular. Bastó el empujón de una enzima sintetasa para que empezaran a replicarse las moléculas de ARN de forma espontánea y veloz.

Y lo que parece más sorprendente. El investigador americano Gerald Joyce en 2005 consiguió sintetizar dos tipos de moléculas de ARN, con una gran efectividad (la muestra autoduplicaba su población cada hora) sin utilizar ninguna enzima: simplemente cada tipo de ARN era el catalizador del otro.

En desiertos californianos se han expuesto mezclas de aminoácidos, fosfatos de amonio y sales de magnesio a temperaturas comprendidas entre 65ºC y 70ºC, alternando con condiciones frías y húmedas, obteniéndose polipéptidos. Unos resultados similares se consiguieron trabajando con nucleótidos en vez de con aminoácidos.

El bioquímico Sydney W. Fox en 1965 sometió una mezcla de aminoácidos a temperaturas de 150ºC, consiguiendo macromoléculas que se comportaban física y químicamente como proteínas.

¿Y qué decir del natural comportamiento del ADN, que al calentarse pierde su configuración enmarañada? En este estado se le adhieren proteínas de forma espontánea, siendo una imagen del inicio del proceso de replicación.

Tantas y tantas esperanzas en que al final nos encontraremos con un camino que fue sencillo, asombroso y maravillosamente simple.

Quizás traer a colación todos estos ensayos y estudios parece más un circunloquio de teoría y praxis química, pero su único objetivo ha sido el acercarnos y familiarizarnos con la idea de que las moléculas orgánicas e inorgánicas no nacen en un acto de magia inexplicable, sino que son consecuencia inevitable de las reglas universales de funcionamiento del Cosmos. Y estas reglas estaban ya vigentes, por supuesto, en la  joven Tierra del Hadeico. En algún lugar, mientras la Tierra estaba en la dura batalla de formación, se debió dar a la vez concentración de componentes, energía y estabilidad como para que la máquina echara a andar. Lo veremos en la siguiente entrada.

1. Una enzima hace que una reacción química que es energéticamente posible, pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinéticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima.
2. Para los más curiosos propongo este enlace a la revista Nature de noviembre de 2012.

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 deja en la posibilidad de 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 del orden y en particular el de la Vida. Una de las teorías clásicas la ha enunciado el biofísico Harold J. Morowitz en su libro “Energy Flow in Biology” (1968). 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. A lo que se sumaria la energía propia de los procesos de desintegración radiactiva en su masa interna. 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 también alejado del equilibrio pero termodinámicamente más eficiente.^[2] 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 se ha 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.

Estos “cambios de fase” son los que conformaron dos de los “ladrillos” principales que construyen 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: es esperable que la Vida surja espontáneamente y de forma rápida como consecuencia de la geoquímica y la geofísica, en un planeta estresado por la superabundancia de energía y en donde se halle la materia adecuada para ello. La “Existencia” se vale de las reglas generales termodinámicas, para encauzar eficientemente la energía hacia su disipación, a través de sistemas ordenados. Uno de cuyos casos particulares serían los organismos vivos. En cualquier parte del universo en que se den estas circunstancias es probable que suceda 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 desequilibrio cuasi estable que en un momento determinado se destensionaron mediante la generación de flujos eficientes de energía. Hay que resaltar que el desequilibrio es fundamental porque es lo que asegura el que la rueda gire. Ello hacía que se fueran traspasando umbrales, en los cuales se producía algo semejante a un cambio de estado. Después de cada salto se llegaba a un sistema situado ahora en un estado que disipaba energía de forma más eficiente que en el de partida. Y vuelta a empezar. En particular y como consecuencia, Morowitz argumentó que la Vida pudo surgir como una consecuencia natural de las leyes físicas, que empujan a los sistemas abiertos a evolucionar hacia estados que disipan energía de manera más eficiente.

Así Morowitz creía 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.^[3] England argumentó que estos tipos de adaptación al entorno pueden ocurrir incluso en sistemas no vivos complejos. Los sistemas complejos tienden a establecerse en estos estados bien adaptados con sorprendente facilidad, dice England: “La materia que fluctúa térmicamente, a menudo es moldeada espontáneamente en formas que son eficaces para absorber trabajo del entorno variable en el tiempo“. Apoyándose en la estadística, las matemáticas y las leyes universales de la termodinámica, en especial la del obligado aumento de la entropía global, England ha demostrado que cualquier sistema local dentro del Universo, también 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 lo que se “arregla” 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. A medida que el sistema absorbe energía, la Segunda Ley dice que parte debe disiparse, produciendo entropía. Cuanto más capaz sea el sistema de hacerlo, mejor se adaptará a su entorno. 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.

En consecuencia, parece razonable que podamos considerar a los organismos vivos como entidades que se sintonizan con (se correlacionan con) su entorno recolectando información significativa que le va a servir para autosustentarse haciendo uso de intercambios de energía que le permitan evitar un estéril equilibrio. Gran parte de esa información se aprende a lo largo de la evolución y se almacena en los genes. La Vida puede considerarse entonces como una computación que tiene como objetivo optimizar la adquisición, el almacenamiento y el uso de dicha información significativa. Si los seres vivos no almacenaran ninguna información sobre su entorno, tendrían dificultades constantes para hacer frente a lo inesperado. En la medida en que tales estructuras se vean obligadas a utilizar la energía disponible de manera eficiente, almacenando información sobre su entorno y utilizándola para guiar el comportamiento futuro, se fue haciendo más probable el que se convirtieran en “máquinas de predicción” que implícitamente iban construyendo (no precisamente a través de una “consciencia” de alto nivel) representaciones concisas del mundo que se habían encontrado hasta el momento, representaciones que les permitían anticipar lo que estaba por venir al transformar la información en una inconsciente agencia. La termodinámica orientando a la supervivencia. Es lo que vemos a todos los nivel, en los organismos superiores, en las células e incluso en las biomoléculas, tales como las proteínas.

Y así de una forma inevitable, dirigida por las leyes universales de la termodinámica, fue como la química mutó a bioquímica, como la biología se habla y estructura, y como la Vida se fue haciendo cada vez más compleja, con un mayor y más eficiente consumo de energía, cosa que a la postre no era más que un medio más para aliviar la acumulación de energía libre de la geosfera. Por eso nos debe parecer razonable el pensar que un mundo con Vida tuvo que ser más probable que un mundo sin ella. Fue esa evolución “determinista” de la química del metabolismo, atravesando todos sus progresivos posteriores “cambios de fase”, la que poco a poco condicionó la variabilidad de los organismos vivos, cuya aparición y fenotipos serían un natural subproducto de estas conquistas metabólicas.

Acabaremos con las palabras de Philip Ball en su libro “How life works“, capítulo 9: “Con demasiada frecuencia, se ha considerado que la biología inventa todo desde cero. La naturaleza, desde este punto de vista, sería una pizarra en blanco, una masa inerte de átomos que de alguna manera deben ser acorralados y dispuestos en las intrincadas formas y patrones de interacción de los que depende la vida. Pero el mundo físico no es así en absoluto. Ofrece todo tipo de organización, proceso y estructura que la vida puede utilizar: separación de fases, por ejemplo, o paisajes dinámicos, o estructuras de Turing autoorganizadas,^[4] o la posibilidad de que el declive entrópico se evite e incluso se revierta con un uso juicioso de la información [memorización de las interacciones más convenientes y eficientes para los propósitos de la organización].  Sería realmente extraño que la vida no explotara estos rasgos; de hecho, sabemos que así es.“

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^[5] 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^[6] 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. Es importante que el sistema quede alejado del equilibrio pues un sistema en equilibrio está termodinámicamente impedido para evolucionar.
3. Podréis encontrar una explicación que aclara el tema en esta entrada del blog “Qué vida esta” publicado por Samu. Hay que ver también el artículo “Statistical Physics of Adaptation” de Nikolay Perunov, Robert A. Marsland y Jeremy L. England, Physical Review X, 16 junio 2016.
4. Hablaremos de ello en la entrada 22.
5. Que se han publicado en la revista científica PNAS de noviembre de 2012.
6. En la publicación Nature Chemistry y que encontraréis en este enlace.

De las profundidades de este eón, entre fuego y explosiones, a través de un agitado caminar hacia la estabilidad, surgieron como de la nada, empujados por las fuerzas universales, nuestro planeta Tierra, y sobre él una misteriosa Vida. En este momento de su biografía vamos a intentar desmadejar, en la medida de lo que el conocimiento actual nos permite, cómo sucedió todo.

En la entrada anterior, introductoria del Hadeico, fuimos manejando muchas palabras nuevas, diferentes realidades moleculares y actores desconocidos, como no podía ser menos casi en el inicio de esta biografía. Hablaremos de todos tarde o temprano, empezando a continuación con los más elementales, que no por ello dejan de ser menos trascendentales, en los cimientos de esto que llamamos Vida. Sin ello puede quedar la tramoya ininteligible. Ahí va, pues, un poco de química.

La Vida pudo escoger a su viejo patriarca entre varios de los habitantes de la tabla periódica de elementos químicos. Pero eligió al Carbono.

Nuestro amigo el carbono

Y el Carbono organizó su trabajo echando mano de los elementos más abundantes del entorno que le rodeaba y que fueran compatibles con su especial “fenotipo” –su cara visible-: formaron el equipo de los bioelementos.^[1] Todos ellos pueden unirse formando diversas asociaciones químicas, las moléculas. Un poco más abajo intentaremos desmitificar la “alquimia” de tales enlaces.

Así que la mayor parte de las moléculas que componen los seres vivos tienen su base en el carbono, el cual representa aproximadamente un 20% del peso de los organismos. Este elemento muestra una serie de propiedades muy diversas que derivan de su pequeño radio atómico y de que la capa más externa de su bagaje electrónico está formada por cuatro electrones que le dan una gran versatilidad y múltiples habilidades:

1. Ofrece una amistad universal: Su particular estructura de electrones le permite formar enlaces hasta con cuatro elementos distintos, lo que le da una increíble variabilidad molecular. A su vez estos enlaces pueden ser sencillos, dobles o triples, lo que quiere decir que puede agarrar con una, dos o con tres manos a la vez.

2. Sabe hacer fuertes amigos: Cuando se junta con otros elementos en una molécula, forma con sus compañeros enlaces de unión del tipo denominado covalente, que son muy estables y acumulan mucha energía.

3. Su red social es potente: Es un elemento que puede formar largas cadenas lineales, planas o tridimensionales, ya que se puede unir fácilmente a otros carbonos. Por lo que iremos viendo a lo largo de estos primeros capítulos se entenderá la importancia que para el metabolismo y la vida es el poder tener moléculas estructuralmente complejas.

4. Sabe amoldarse a las circunstancias: Los compuestos del carbono, aún siendo estables, no son inalterables y a la vez pueden ser transformados con facilidad en otros mediante reacciones químicas.

5. Sus facetas de comunicación son versátiles: Los compuestos del carbono no son solamente sólidos, sino que al unirse al oxígeno los forma gaseosos.

Quizás por todo ello fue el preferido por la Vida.

Los cuatro orbitales electrónicos más externos del átomo de carbono. En el centro, el núcleo atómico (Wikimedia, GFDL 1.2)

El principal aliado del carbono en la aventura de la vida es la molécula del agua: H₂O. El agua es el disolvente perfecto, por lo que es esencial en el mantenimiento de un medio en donde las moléculas químicas puedan moverse e interrelacionarse. Su capacidad de disociarse fácilmente en forma de iones H⁺ y OH^- le permite ser un excelente mediador en las reacciones de óxido-reducción esenciales en la dinámica de la Vida. Por otro lado, tiene una capacidad calorífica muy alta –absorbe bien el calor sin aumentar su temperatura- lo que estabiliza las condiciones biológicas en los organismos que funcionan mediante energéticas reacciones químicas. Podemos comprender, por tanto, que su función es absolutamente esencial: sin agua no hay Vida tal como la conocemos. Esta molécula es la más abundante de los seres vivos y representa, en promedio, el 70% de su masa. Aunque hay algunos campeones: en las medusas puede alcanzar el 98% del volumen del animal, y en la lechuga, el 97% del volumen de la planta.

Un poco de química molecular

Me interesa ahora resaltar la estructura de átomos y moléculas, sus formas y tal como tienen distribuidas sus cargas eléctricas. Ya que, según sea, así se interrelacionarán formando compuestos, entre ellos los que se encuentran en la base de la Vida.

La imagen que voy a dibujar es la elemental de átomos y moléculas, aunque es tan sencilla que veremos cómo se parece a la de una pieza de “lego” imantada. Podemos imaginar a la química como una caja de versátiles piezas encadenables e intercambiables, gracias a la fuerza de atracción-repulsión de sus cargas eléctricas, que actúan sobre una pista de pruebas diseñada por las leyes físicas y termodinámicas universales del Cosmos.

Un átomo, y por extensión una molécula más compleja, son ínfimas, son aparentemente la nada. Pongamos una naranja en el centro de un campo de fútbol. Esta naranja es el núcleo del átomo, en donde los protones con carga positiva, su tarjeta de identidad, cohabitan con los neutrones. No esperemos encontrar a los terceros de la fauna atómica, los electrones, en el césped del campo de juego. Para ello tenemos que mirar más allá, por los confines del graderío de estadio. El número de este colectivo coincide con el de los protones del núcleo y con un valor de su carga negativa igual a la positiva de los protones, neutralizando así la carga total del átomo. Si la naranja es de un kilo, no espere más de un gramo de electrones revoloteando entre los asientos. Vacío. Un poco de materia, que es mucho, y una activa fuerza electromagnética.

Los electrones no revolotean como un sistema planetario a lo largo y ancho de perfectas capas superpuestas, como las de una cebolla, aunque esta imagen es bastante útil para imaginar la configuración electrónica de los átomos. Estas partículas se posicionan rodeando al núcleo de forma que comienzan rellenando su capa interior, menos energética, para una vez saturada con dos electrones llenar la siguiente hacia fuera con ocho y luego la siguiente hacia fuera, así hasta colocar una cantidad de pequeñas partículas negativas en un número igual al de los protones del núcleo. Pero las “capas de cebolla” tienen formas curiosas, como podemos verlo en la figura de más abajo que representa los orbitales electrónicos de la segunda capa. Cada electrón dibuja su propio orbital de acuerdo a sus características cuánticas y según su ecuación de onda. El resultado es una solución probabilística que no sólo podríamos imaginar como un lugar físico, sino el lugar físico donde es más probable que encontremos al electrón… ¡cosas de la cuántica! Y tienen la forma y tamaño que tienen, no otro, ¡más caprichos de la cuántica! Ahora podemos comprender el por qué del vacío del átomo: los electrones tienen que poder encajar sus orbitales en este espacio. Que además alberga a multitud de partículas virtuales surgidas del borboteo cuántico. Pero eso es otra historia.^[2]

Ejemplo de cómo son los orbitales electrónicos de la segunda capa. Raritos ¿no? (Wikimedia, GFDL 1.2)

Es fácil entender que el átomo se relaciona con su entorno mostrando sus orbitales más externos –que no son más que las locas pistas de carreras de electrones con carga negativa-, los cuales actúan como tentáculos con los que formar moléculas. Pero no hay que olvidar que en su pequeño punto central se encuentran los protones con sus cargas positivas, que condicionan la energía y el movimiento de los electrones, es decir, condicionan las características de los orbitales sus formas y fuerzas.^[3] Todo ello hace que cada átomo se comporte como un pequeño imán, una pequeña pieza de lego imantada, con los brazos –algo así podemos entender que son los orbitales aunque no es exactamente correcto- exteriores, que son los elementos de unión mediante los que las piezas hagan “clik”. Y según sea su configuración, así se relaciona.

Los átomos, como todo en la naturaleza, tienden espontáneamente a buscar posiciones en un entorno energético “redondo”, como una piedra que bajo la acción de la gravedad no para hasta encontrar su posición estable en el fondo del valle. El óptimo energético lo encuentran cuando en su capa externa hay tantos electrones como teóricamente sea posible. Algunos están cerca de este óptimo por exceso, les sobran unos pocos electrones, y otros por defecto, les faltan otros pocos. Y ahí es donde colaboran unos con otros prestándose electrones, de forma que los átomos lleguen a formar una molécula que a su vez tenderá a instalarse también en una posición energética “redonda”. A veces estas uniones son prácticamente espontáneas: las piezas de lego que participan encajan espontáneamente como anillo al dedo. A veces hay que darles un empujoncito para vencer la repulsión negativa entre sus capas externas, sólo hay que buscar un poco de energía para cebar la reacción. Su entorno también tiene algo que decir, ya que influye en sus movimientos y velocidades, sus trayectorias, sus energías cinéticas, etc, circunstancias todas ellas que condicionan el baile de aproximaciones y choques. Incluso hay otras moléculas que espontáneamente se ofrecen como casamenteras, las catalizadoras, agilizando de forma exponencial la formación de la nueva molécula. Si todo es favorable, y la probabilidad de que así sea no es que sea precisamente baja, se formará un enlace y una nueva molécula químicamente más estable: la segunda ley de la Termodinámica manda. La verdad es que nuestra experiencia constata que la química de la naturaleza dispone para ello de un manual absolutamente versátil.

Tras el anterior largo paréntesis teórico recojo argumentos y me concentro en la moraleja: la unión de átomos y la configuración de nuevas moléculas no es un acto de magia, sino un suceso que la naturaleza propicia. Si las condiciones de entorno, pastoreadas por las omnipresentes leyes fundamentales y universales del Cosmos, son medianamente favorables, sucederá sí o sí. Y llegaremos a estructuras complejas como la del azúcar de la figura siguiente, o extremadamente complejas como la de la hemoglobina. Esta “involuntaria” dinámica llevó a los sorprendentes “imanes-lego” a construir la Vida. Y esto sí es una certeza para nosotros que estamos observando el final de la historia.    

A la izquierda representación tridimensional de la molécula del agua (Wikimedia, dominio público) y a la derecha la de la D-glucosa (Wikimedia, dominio público). Las esferas representan los átomos: el carbono en negro, el oxígeno en rojo y el hidrógeno en blanco. Las barras entre átomos representan los orbitales moleculares, allí por donde aparece la densidad electrónica con mayor probabilidad.

Continuemos ahora hablando, con nombres y apellidos, de los ladrillos con los que se ha ido montando el guión, ya en el ámbito de la bioquímica, ladrillos formados en su mayoría por carbono, oxígeno e hidrógeno. O quizás mejor, CO₂ y H₂O.

Las biomoléculas

Los bioelementos se combinan entre sí para formar las moléculas que componen la materia viva. Estas moléculas orgánicas basadas en el carbono las podemos agrupar en familias, que como podemos imaginar se van a diferenciar por sus estructuras moleculares. Aquí vamos a obviar estas estructuras para centrarnos en sus funcionalidades dentro del marco de necesidades de un organismo vivo, que precisa alimentarse, construir un entramado físico en donde mantener una actividad vital, comunicarse con el medio y, finalmente, reproducirse y transmitir su herencia.

En la función de nutrición tienen un especial peso los lípidos (grasas) y los glúcidos (azúcares). Estos últimos también participan activamente en la estructura informativa de los ácidos nucleicos ADN o ARN, e incluso colaborando con proteínas en tejidos de sostén.

Los lípidos también son los elementos esenciales en determinadas estructuras celulares, gracias a sus largas cadenas moleculares, como la del ácido esteárico en la figura siguiente.

Las proteínas, uno de los prótidos, son las “funcionarias” que soportan el sistema: con sus moléculas construyen los entramados estructurales de los organismos, con su trabajo enzimático agilizan las reacciones metabólicas que son la base de la vida e incluso participan como actrices directas en las mismas, son los vehículos de transporte de diversas sustancias a nivel celular, nos defienden de amenazas exteriores del organismo… y un largo etcétera. Son largas moléculas, con un intrincado y esencial enmadejamiento estructural, formadas por una cadena de aminoácidos, otro de los prótidos esenciales. La forma de la madeja depende de la secuencia de aminoácidos, su forma geométrica y los  posibles enlaces “intramoleculares” (como puentes de hidrógeno^[4]) independientes de los propios que forman el polímero, siendo esta especial estructura enmarañada la característica esencial que condiciona su función. Así como sea su forma, condiciona los espacios de acoplamiento con otras moléculas y las posibilidades de enlaces adicionales químicos mediante sus grupos fosfato o creando puentes de hidrógeno, entre otros.

La proteína hemoglobina, formada por cuatro proteínas globulares (Wikimedia, GFDL 1.2)

La responsabilidad de la función de herencia recae sobre los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN. De ellos hablaremos con mucho más detalle en una próxima entrada. Baste decir aquí que sus moléculas están formadas por largas cadenas de lo que llamamos nucleótidos, un entramado molecular de cooperación a tres entre un azúcar, una base nitrogenada -unas especiales moléculas orgánicas que forman anillos- y un grupo fosfato –el ión PO₄³⁻-. Sus funciones también se extienden al campo enzimático, facilitando las catálisis, y metabólico, fabricando proteínas y autorreparándose. Las cadenas del ADN están formadas por una hélice de doble hebra mientras que las moléculas de ARN pueden formar estas hélices aunque son de hebra simple, a veces cerrada sobre si misma.

La falsa doble cadena del ARN (Wikimedia, GFDL 1.2)

Una vez conocidos los participantes, profundizaremos en el cómo, cual debió ser la forma más plausible para que con estos mimbres pudiera representarse la función de la Vida:

¿Cómo apareció realmente la Vida en la Tierra? ¿Qué es lo que mejor sabemos de ello?

Son muchas las teorías, y explicaremos las más importantes por su trascendencia a lo largo del camino del conocimiento y por sus sólidas bases científicas. Hay que decir que todo son especulaciones, pero con una alta probabilidad de que funcionen, al menos con una probabilidad más alta que la que tienen otras explicaciones puestas sobre la mesa. Conocer con exactitud lo que pasó es una utopía, ya que exigiría revivir la historia geológica, y esto es un imposible. Los seres vivos más próximos en el tiempo han dejado un reguero importante de fósiles, sin embargo la Vida más antigua ha dejado solamente unas pistas químicas, enmarcadas en un entorno ambiental al que podemos analizar con un grado de especulación que resulta confortable para la ciencia. A partir de todo ello hay que conjeturar lo que pasó, ponerlo en el escenario del conocimiento, contrastarlo y someterlo a una crítica continua.

Vamos a dejar de lado las teorías de corte aristotélico que postulan una generación espontánea de la Vida por estar científicamente más que superadas.

Hay teóricos que opinan que la Vida vino del exterior, la panespermia, aminoácidos a caballo de meteoritos y cometas que cayeron sobre la Tierra y que fueron la semilla para una expansión futura. Científicos tan prestigiosos como el británico Sir Fred Hoyle postulaban esta posibilidad, ya que consideraba que el inicio de la Vida en la Tierra comportaba una mínima e increíble probabilidad. Hoy se sabe que el espacio interestelar está repleto de biomoléculas. En 1969 cayó un meteorito en Murchison, Australia, en el que, al ser analizado, se pudo detectar restos orgánicos y de aminoácidos. Estos resultados se repitieron en los análisis realizados con otros meteoritos.

Estructura del ALH84001 (Wikimedia, dominio público NASA)

Hay un segundo hecho relacionado también con meteoritos, esta vez de origen marciano, el ALH84001 que fue encontrado en la Antártida en 1984. Los gases que encerraba corroboraron su origen en el planeta rojo. Con una antigüedad de 4.500 millones de años, debió de saltar durante una de las terribles y múltiples colisiones de objetos que se daban en aquella época en el sistema solar interior. Presenta unas vetas de calcita que se forman por infiltraciones de agua, una pista de la Vida, al menos del tipo que conocemos en la Tierra. Se hallaron también granos minerales de magnetita de posible origen bacteriano, moléculas orgánicas y unos cuerpos que bien pudieran ser bacilos, como se ve en la fotografía anterior (aunque hay también opiniones en contra).

Sin embargo, si éste hubiera sido el germen de la Vida en la Tierra siempre quedaría en el aire la pregunta de cómo se inició en el espacio, fuera de nuestro planeta.

Si el origen físico de la Vida se produjo realmente sobre la Tierra, debió surgir progresivamente a lo largo de un proceso con raíces en un mundo de química abiótica y que desembocó en un mundo de química biológica elemental: a este proceso se le conoce como la síntesis abiogénica, nombre que proviene del griego α- “no”, βιος- “vida” y γενεσις-  “principio”, el inicio de la Vida desde una “no-vida”.

Son muchas las mentes teóricas que han discurrido sobre cómo pudieron ser los inicios de la Vida, cómo a partir de los átomos más elementales se llegó a las moléculas complejas que gestionan lo que hoy llamamos Vida. Comenzando por las ideas del bioquímico soviético Alexander I. Oparin y del biólogo evolutivo británico J.B.S. Haldane, padres al alimón y desconexos de la abiogénesis, ninguna teoría por sí misma da una explicación completa, e incluso algunas de ellas son meramente especulaciones sin un soporte experimental, por otro lado difícil de conseguir dada la baja probabilidad de reproducir en un laboratorio aquellos desconocidos inicios. En el mundo de la ciencia hay dos corrientes principales de opinión, las que apuestan porque la complejidad se inició como un mundo de información y replicación, en donde el material genético fue perfeccionando su función, y las que argumentan que el metabolismo, la máquina interna de los organismos, apareció antes que los sistemas codificadores de información. Entre las del primer grupo se encuentra la conocida teoría del mundo de ARN, postulada por el premio nobel Walter Gilbert en 1986, donde el ácido ribonucleico desarrollaría funciones tanto de archivo de la información como de catálisis química. Entre las del segundo grupo está la teoría del mundo de hierro y azufre que postuló en 1989 Günter Wächtershäuser.

Alexander I. Oparin fue el primero que teorizó en 1924 una evolución espontánea molecular que daba lugar a ciertos agregados complejos, que bautizó como coacervados. Él había observado que los principales ladrillos de la vida orgánica, como podían ser los azúcares, los aminoácidos o las proteínas, se podían sintetizar a través de procesos de laboratorio que no diferirían en gran medida de las condiciones y lo que pudo haber pasado en la Tierra más antigua. Estaba convencido de que en las aguas de los océanos primitivos debieron formarse sustancias orgánicas muy complejas y diversas, semejantes a las que constituyen los actuales organismos, aunque también era consciente de que una cosa es un ser vivo y otra una disolución de moléculas, de tamaño más o menos grande, en agua. Y se puso a estudiar el mundo de las disoluciones coloidales de moléculas relativamente grandes, en las que observó una cierta anarquía e inestabilidad, entre las que de vez en cuando, a través de un proceso muy sencillo y espontáneo, se estabilizaban grumos de ciertas moléculas, decantándose como un sedimento o formando unos coágulos en equilibrio dentro del coloide. Todo dependía del tipo y estructura de las moléculas. A esos grumos, como ya hemos comentado, les llamó coacervados, del latín acervus, montón.

Los coacervados tenían una propiedad muy especial: habían condensado todas las moléculas de la solución coloidal primitiva de forma que ahora sólo se observaban unos grumos casi sin agua, rodeados de agua prácticamente pura, con la que no se mezclaban nunca. Ésta es la misma propiedad que tiene el protoplasma de las células vivas.

Dentro de los coacervados Oparin observó otra interesante particularidad: a pesar de su consistencia líquida, tenían cierta estructura interna. Las moléculas coloidales que los formaban no se encontraban dispersas al azar, sino que estaban dispuestas con una cierta estructura espacial y con una capacidad, en la mayoría de los casos, de absorber distintas substancias que se encontraban en la solución que les rodea. Esto solía provocar transformaciones químicas en su interior. La consecuencia de todo ello es que los coacervados podían aumentar de volumen y crecer a expensas de las sustancias externas absorbidas en su núcleo, aunque no todos lo hacían por igual.

Coacervados de Oparin (Wikimedia, dominio público)

A partir de todo lo anterior le fue fácil colegir que la mezcla de distintos cuerpos proteinoides primitivos -que se habían formado espontáneamente como los aminoácidos interestelares- en las aguas de la Tierra primigenia debió de dar origen a la formación de coacervados, que evidentemente no se podían calificar aún como seres vivos, pero que llevaban la semilla de la vida en su interior. Y al igual que en el laboratorio, cada coacervado desarrollaría una química distinta, dependiendo de cómo se hubiera organizado su estructura interna y de qué tipo de moléculas se iba encontrando en el medio exterior. Algunas opciones resultaron útiles, se conservaron y crecieron, mientras que otras fueron desapareciendo, aisladas por la presión medioambiental. Un inicio de la estrategia de la selección natural.

Las que crecieron lo hacían hasta un tamaño permitido por las leyes físicas y termodinámicas, más allá del cual el coacervado se debía romper en dos o más hijos, que poseerían una química idéntica a la del antecesor, es decir, habían heredado una química ganadora. Y tendrían aún más ventajas los que crecieran más deprisa, aquellos que tuvieran una mayor capacidad de absorción de moléculas externas, con lo que su química interna se iría complicando y haciendo todavía más rápida. Se comprende perfectamente que estos coacervados, dinámicos en su química y reproducción y estables en sus repetitivos procesos de replicación de sus componentes, podían haber tenido grandes ventajas sobre los demás coacervados que flotaban en la misma solución primigenia.

Y así, siguiendo un camino de incremento de la complejidad dentro de la estabilidad, se llegaría a un ser metabolizante y replicante, al ser vivo más primitivo. La teoría de Oparin, sin ser verdaderamente exacta, ha iluminado un camino probable, una senda de progresiva especialización molecular que pudo hacer posible el inicio de la Vida.

En los siguientes párrafos enhebraremos a lo largo de una misma historia cronológica lo que pudo ser el desarrollo de las biomoléculas a partir de la “nada”, historia compuesta por retazos del ya comentado extenso universo de teorías sobre la abiogénesis. En la lectura de esta exposición no se nos debe olvidar en ningún momento que se trata de un relato posible –bastante probable a la luz del conocimiento actual-, aunque especulativo, y no se nos debe olvidar tampoco que el proceso es el sumatorio a lo largo del tiempo de una sucesión de cambios infinitesimales, modelados en cada  momento por su particular medio ambiente.

Los inicios son claros de puro simples: Vemos un mundo de gases y polvo. Los elementos químicos revolotean en la espiral de acreción de la Tierra. Poco a poco se van juntando y van creando alianzas. En un primer momento todo fue muy sencillo.

Ya hemos comentado cómo las leyes de la química, de la termodinámica y del universo en general actuaban de forma “impersonal” y silenciosa, pero insistente. El electromagnetismo es la base de la unión, cargas positivas con cargas negativas: intercambios de electrones, enlaces iónicos y enlaces covalentes.

De las moléculas sencillas se tuvo que pasar a la complejidad. La Vida necesita moléculas sencillas, como el agua, o el amoniaco, o el metano. O el dióxido de carbono, o el cianhídrico… moléculas que ya sabemos que estuvieron desde el principio presentes como resultado de procesos geoquímicos naturales.

Pero también necesita de la complejidad, así que el nacimiento de las moléculas orgánicas fue otra cosa. Como ya hemos comentado, hay múltiples teorías que postulan un posible camino, pero en general la hoja de ruta comúnmente suele pasar por los siguientes pasos:

1. Creación de ciertas moléculas pequeñas básicas para la vida, como los azúcares, nucleótidos o aminoácidos, ladrillos elementales de moléculas más complejas como los ácidos nucleicos –ARN, ADN- y las proteínas.

2. Generación de fosfolípidos, moléculas de ácidos grasos con átomos de fósforo, imprescindibles para la formación de membranas cerradas, elemento clave para el metabolismo celular.

3. Fusión de nucleótidos formando cadenas de ácidos nucleicos, inicialmente de tipo ARN.

4. La “conquista” de la función enzimática por algunos ácidos nucleicos al aparecer las ribozimas –enzimas basadas en la ribosa, componente del ARN-, que catalizarían la síntesis de pequeñas proteínas.

5. Diversificación funcional: los ácidos nucleicos quedarán como portadores de información genética, mientras que las proteínas catalizarán las reacciones metabólicas.

Y hasta aquí los aspectos generales. En la próxima entrada hablaremos más concretamente sobre el posible arranque de la Bioquímica, que es lo mismo que decir de la Vida.

1. Los bioelementos o elementos biogénicos son los elementos químicos qu están presentes en los seres vivos. La materia viva está constituida por unos 70 elementos, la práctica totalidad de los elementos estables que hay en la Tierra, excepto los gases nobles. No obstante, los más frecuentes en los organismos vivos, de forma que entre todos ellos aportan más o menos un 96% de sus masas, son los siguientes: el carbono C, el hidrógeno H, el oxígeno O, el nitrógeno N, el fósforo P y el azufre S. Luego, en menor proporción (3,9%), participan el calcio Ca, sodio Na, potasio K, cloro Cl, yodo I, magnesio Mg y hierro Fe.
2. Quien tenga curiosidad no puede dejar de leer la magnífica serie sobre cuántica sin fórmulas de Pedro en el blog hermano El Tamiz.
3. Es muy interesante el artículo publicado en el blog Experiencia Docet acerca de este tema “El origen matemático de los números cuánticos y de los orbitales atómicos”.
4. La molécula del agua es dipolar, es decir actúa como un pequeño imán ya que los protones del núcleo del oxígeno desplazan ligeramente a toda la carga negativa de los electrones de la molécula del agua. El extremo del oxígeno actúa como polo negativo y el de los hidrógenos como polo positivo. Polo positivo que es capaz de promover enlaces electromagnéticos con los polos negativos de otras moléculas -incluso otras de del agua-.