El origen de la vida

¿Cómo surgió la vida? Indudablemente, es la mayor pregunta de la biología, pero también una de las más difíciles de responder. Los científicos debaten cada paso del camino que llevó a los primeros organismos vivos, y revelar los mecanismos que impulsan la vida garantiza un Nobel.

Parte del problema es que la génesis de la biología lleva a otra difícil pregunta: ¿qué es la vida? Y hay más de una decena de definiciones. El programa de exobiología de la Nasa, por ejemplo, adoptó la siguiente: la vida es un "sistema químico autosustentable, apto para evolucionar darwinianamente". Así que una forma de identificar los rasgos comunes de lo vivo es recordar que los seres vivos no son "cosas": la vida es un proceso impulsado por reacciones químicas.

Aunque no tengamos todas las respuestas sobre cómo se originó la vida, recientes estudios arrojan promisorias pistas. En 2012, científicos revelaron los fósiles más antiguos del mundo, hallados en piedra arenisca de más de 3.400 millones de años, proveniente de Strelley Pool, Australia. La roca contiene estructuras microscópicas semejantes a células. Están rodeadas de una huella química de actividad biológica: isótopos de carbono en proporciones que indican conversión de CO2 inorgánico en moléculas orgánicas generadas por células vivas.

"Son estructuras similares a las células: hallamos una morfología de tipo biológico, la química es consistente con secuencias metabólicas biológicas", dice Martin Brasier, paleobiólogo de la U. de Oxford. La química de la roca también sugiere que estos microbios primitivos generaron energía con reacciones que usan azufre, de modo similar a las bacterias de azufre actuales. Ello implica que estos microbios eran una forma de vida relativamente sofisticada, por lo que no representarían a los primeros organismos vivos.

¿Cuándo comenzó la vida? Es improbable que los primeros organismos hayan aparecido antes de 4.000 millones de años atrás. En ese entonces, el planeta era un mundo acuático con arcos de tierra en forma de islas, pero sin continentes. El Sol tenía apenas el 70% del brillo actual y la actividad volcánica generaba temperaturas entre 25 C° y 60 C°.

La Tierra primigenia

En comparación con la actualidad, la Luna estaba más cerca, lo que generaba mareas más fuertes, y la Tierra giraba más rápido, lo que implicaba días de ocho a 10 horas. La superficie era golpeada por restos rocosos del Sistema Solar primigenio: estos meteoritos podían ser hasta 10 veces más grandes que el que mató a los dinosaurios.

Aun así hace 3.800 millones, era un paraíso para los primeros microbios. Los meteoritos trajeron a la superficie metales importantes y algunos de los ladrillos necesarios para construir la vida, mientras la fuerza volcánica y la luz solar daban energía gratis.

Envuelta por gases de efecto invernadero, la atmósfera no tenía oxígeno, un producto secundario producido por la fotosíntesis generada por plantas y algas que aún no existían. Por el contrario, la atmósfera primigenia habría contenido metano, dióxido de carbono, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno y muchísimo vapor de agua. "Todas estas cosas nos parecen tóxicas, pero la mayoría son combustibles perfectos para la vida microbiana", dice Brasier

Nunca hallaremos restos físicos de la vida primigenia preservada en registros fósiles anteriores a los de Australia. "Más allá de 3.500 millones de años, la evidencia es totalmente mineral o química, porque estas rocas más antiguas están muy calcinadas como para preservar restos de células", dice Brasier.

Para reconstruir los eventos que ocurrieron antes de las primeras células, algunos científicos adoptan un enfoque distinto: simulan cómo evolucionó la vida mediante la creación de sus ingredientes en laboratorio. Esta idea surgió en los '20 y proponía que los primeros organismos surgieron de una "sopa primordial" de moléculas orgánicas.

Una prueba clave de esta teoría fue hecha en 1952 por los químicos Stanley Miller y Harold Urey. Usando un aparato de vidrio sellado introdujeron una chispa eléctrica (para simular un rayo) a través de gases que se pensaba existían en la atmósfera primitiva: metano, amoníaco, hidrógeno y vapor. El agua que se condensó en un "océano" artificial contenía aminoácidos, componentes de las proteínas necesarias para la vida.

Quienes estudian la química anterior a las primeras células enfatizan que la vida no apareció de una vez. "El origen de la vida no es un Bing Bang", dice Philipp Holliger del Laboratorio MRC de Biología Molecular de Cambridge. "No hay un chispazo divino que dé vida a las cosas, más bien es una transición".

Si la cocción de los precursores de la sopa primordial requiere fuego lento, ¿cuáles son los ingredientes? Todos los seres vivos están hechos de ADN, ARN, proteínas y lípidos: cuatro moléculas claves en las células. Los lípidos, por ejemplo, forman la membrana: barrera que separa a una célula del entorno externo, permitiéndole regular sus reacciones metabólicas internas. Pero aunque la receta de la vida siempre incluye estos ingredientes, puede que no siempre haya sido así.

Un mundo ARN

La paradoja es: en las células modernas, las proteínas brindan el sustento estructural y actúan como enzimas (catalizadores que posibilitan reacciones químicas), mientras que los genes en el ADN codifican la información para producir las proteínas. Así que es el clásico acertijo de la gallina o el huevo: ¿Qué fue primero, el ADN o las proteínas?

La respuesta, al parecer, es que ninguno. Fueron precedidos por el hermano mayor del ADN: el ARN. Aunque ambos están formados por nucleótidos -cuatro "letras" que constituyen al ADN y al ARN-, las dos moléculas son diferentes. Mientras el ARN es reactivo y consiste en una hebra de nucleótidos, la típica estructura de doble hélice del ADN lo vuelve químicamente estable y, por tanto, una molécula más confiable para ser usada como almacén de información.

En principio, el ARN podría haber realizado las funciones del ADN y de las proteínas, actuando como portador de información y catalizador. Si las reacciones incluían la habilidad de enhebrar nucleótidos para crear una copia de sí mismo, la molécula habría poseído las propiedades que definen la vida: la habilidad de replicar y heredar información; es decir, de reproducirse. Los biólogos creen que el ARN pudo haber sido el "primer replicador" y un precursor de la vida.

Sin embargo, la molécula autorreplicadora del mundo de ARN se ha perdido en el tiempo. "Lo mejor que podemos hacer es producir un doppelgänger molecular en el laboratorio y estudiar sus propiedades para entender lo que sucedió hace 4.000 millones de años", dice Holliger. "La autorreplicación, junto con la herencia, podría brindar una transición del mundo de la química al de la biología", explica.

La primera célula

El próximo paso en la reconstrucción de la vida es la creación de una célula. Las membranas están hechas de lípidos, moléculas con una cabeza amante del agua y una cola amante de la grasa. Estas forman una capa doble de lípidos, en las que las partes amantes de la grasa de las moléculas se encaran unas a otras para formar el relleno aceitoso, una especie de sándwich amante del agua.

Tal como las gotas de aceite en el agua, los grupos químicos que prefieren el agua o la grasa se agrupan los unos con los otros, juntándose para formar una "vesícula", una esfera con agua en el exterior y en el interior. Y si el contenido de esta burbuja de lípido lleva ARN, se habrá creado una célula primitiva o "protocélula". El estudio del comportamiento del ARN en estas protocélulas ha generado interesantes datos sobre los precursores de la vida. La biofísica Irene Chen de la U. de Harvard descubrió que las protocélulas crecen cuando el ARN se replica.

Las membranas son "porosas" cuando se trata de pequeñas moléculas como los nucleótidos. Pero una vez que están adentro, los nucleótidos se enhebran en largas cadenas de ARN muy grandes para salir. Y como las moléculas de ARN tienen carga negativa, pequeños iones de carga positiva son arrastrados hacia la célula mediante atracción electroestática. Luego el agua sigue a los iones a través de la osmosis, hinchando a la célula.

"El ARN podía traducir su crecimiento directamente en crecimiento de la célula completa", dice Chen. Las células que se benefician de los recursos disponibles para crecer más rápido pueden superar a las otras: los inicios de la selección natural.

Pero algunos científicos dudan que la reproducción de la vida en un laboratorio pueda contarnos alguna vez la historia de cómo partió todo. "Si hoy hiciéramos un experimento en el que colocáramos químicos de un lado y obtuviéramos vida nueva sintetizada por el otro, aún así no probaríamos que de esa forma surgimos. Solo tendríamos una narrativa que la haría más plausible", dice Bill Martin, biólogo evolutivo de la U. de Düsseldorf, Alemania, quien añade que la idea de que la vida surgió de una sopa primordial, llena de moléculas orgánicas, está superada. "La sopa orgánica ha estado presente como concepto por 80 años, antes de que nadie tuviera alguna noción de cómo las células cosechan energía".

Intercambio de energía

Si bien muchos de los seguidores del "mundo de ARN" creen que el ARN surgió primero y evolucionó para tener la habilidad de consumir moléculas orgánicas que ya existían en la sopa, otros piensan que las células debieron primero ser capaces de producir moléculas orgánicas y generar energía a través del metabolismo. Para quienes proponen este origen de la vida basado en "primero el metabolismo", los organismos sólo pudieron evolucionar si el entorno tenía un sistema para generar la energía para impulsar las reacciones químicas del metabolismo.

Hoy en todas las células que contienen un núcleo y usan oxígeno, la energía es generada por las mitocondrias. Estas estructuras generan energía a través del movimiento de átomos cargados (iones) a lo largo de su membrana, creando un gradiente electroquímico entre el interior y el exterior.

Imagine una represa hidroeléctrica: la presión creada por tener más agua a un lado de ella genera electricidad a medida que el agua fluye por una turbina. Algo similar ocurre en las mitocondrias, pero con protones (iones de hidrógeno) en vez de agua: los protones fluyen por un gradiente de concentración desde alto a bajo en el interior de una mitocondria. Los protones pasan por una "turbina" molecular llamada complejo ATP sintasa, que genera energía. La "turbina" de ATP sintasa usa la energía liberada por el flujo de protones para fabricar moléculas de ATP, la moneda energética de la célula. El ATP se usa para pagar las reacciones químicas requeridas por la vida: un humano adulto genera diariamente su propio peso en ATP, reciclando cada molécula unas 1.000 veces.

Son los gradientes de protones los que, según los científicos que adhieren al "metabolismo primero", generaron la energía que sustentó la vida primigenia. ¿Qué fue lo que produjo estos gradientes antes que existiera el oxígeno, las membranas y el ATP? Para responder esa pregunta, es necesario saber dónde existen ya estos gradientes.

La cuna de la vida

El candidato líder para ser la cuna de la vida son las fuentes hidrotermales alcalinas, como las de Lost City, una región de torres de piedra junto a una falla volcánica en medio del Atlántico. Los minerales de las fuentes alcalinas precipitan en la forma de túmulos, pero pueden crecer como intricadas estructuras similares a chimeneas. Lo que hace especiales a estas fuentes es que el agua caliente surge a 100C° -lo suficientemente fría para albergar vida- y se piensa que duran unos 100.000 años, tiempo suficiente para darle la oportunidad a la vida de mantenerse.

El interior alcalino de los túmulos hidrotermales mantiene un gradiente natural de protones del cual pudo haberse beneficiado la vida primigenia para generar energía. "Hay que pensar en los túmulos hidrotermales como en un depósito capturador de energía y materiales, como una fábrica que reúne los componentes en un lugar, en vez de estar chapoteando en una sopa diluida", dice el geoquímico Michael Russell del Laboratorio de Propulsión Jet de la Nasa, en California.

Las murallas de los túmulos no tienen la sintasa para captar la energía liberada por el flujo de protones. En cambio, en los primeros océanos, las paredes pudieron haber estado hechas de sulfuro de hierro, creando una superficie catalítica para intercambio de electrones entre moléculas. Esto hizo que el hidrógeno del túmulo reaccionara con el CO2 en el agua, generando moléculas orgánicas. Es decir, el inicio del metabolismo.

El tipo de metabolismo más primitivo, dice Martin, es usado hoy por bacterias simples, llamadas metanógenas y que fabrican metano. Los científicos concuerdan en que la vida tuvo un solo origen porque el código genético es compartido por todos los organismos. Pero los pasos evolutivos hacia la primera célula será siempre controvertido. "La brecha entre nosotros y los chimpancés es pequeña. Pero la transición desde el dióxido de carbono, agua y rocas de la Tierra primigenia a los seres vivientes es muy difícil. Sabemos qué ocurrió, por lo que la pregunta es cómo", dice Martin.