Abiogénesis: el enigma del origen (II)
Os presento la continuación del artículo que comencé a publicar en la entrada anterior. Teníamos los ladrillos listos. Ya «sólo» tocaba construir la casa, empezando, claro está, por los cimientos:
La primera macromolécula orgánica
No hace falta avanzar demasiado para encontrar la primera disputa acerca de cuál pudo ser el tipo de macromolécula sobre el que se basó toda el proceso abiogenético. Son dos los candidatos más probables: los ácidos nucleicos y las proteínas.
El descubrimiento, realizado por Thomas Cech en 1986, de que el ARN ribosómico posee actividad autocatalítica (pasando a conocerse como ribozima), permitió postular que el ARN podría adquirir la capacidad de autorreplicarse, lo cual supondría el primer paso hacia la vida al convertirse en gen y catalizador al unísono. Esto desembocó en la teoría del Mundo de ARN, que sostiene que el primer protoorganismo estuvo formado por un ARN autorreplicativo que, con el tiempo, podría haber “evolucionado” para sintetizar proteínas (estando unidos los aminoácidos constituyentes a moléculas de ARN predecesoras del ARNt), que permitirían una reproducción más rápida, y lípidos para formar una membrana celular. Con posterioridad, el ARN sería sustituido por ADN, que es más estable. Una vez adquirida la información genética, los protobiontes evolucionarían hacia una estructura celular. Igualmente, se han propuestos otros ácidos nucleicos exóticos, tales como el APN (ácido péptido nucleico) o el ATN (ácido treosa nucleico) como los primeros sustratos de genes.
La principal alternativa sería que la primacía la hubieran ostentado las proteínas, siendo la primera propuesta en ese sentido los coacervados de Oparin.
Coacervados: gotitas de protamina y ácido poliadenílico en solución acuosa
En los años setenta, Sidney Fox propuso como precursor de los seres vivos a las esferas proteinoides que se obtienen al desecar una solución acuosa de aminoácidos, sumergiendo a continuación el producto en agua ligeramente salada. El ambiente necesario para esta transformación en condiciones naturales se da en las fumerolas termales. Las esferas poseen cierta capacidad enzimática y un medio interno distinto del externo, así como presentan diferencias que las hacen susceptibles de un proceso evolutivo. El problema es que esta hipótesis no tiene explicación para la transmisión de la información genética.
Otras propuestas se centran en la aparición espontánea de ciclos catalíticos sobre diversos sustratos, como por ejemplo sobre piritas (Hipótesis de los Sulfuros de Hierro) en fumerolas volcánicas, con un fuerte ambiente reductor y alta presión y temperatura. Sin embargo, no está claro cómo estas reacciones podrían evolucionar hasta formar una célula, y no parece que los puntos calientes sean lo bastante estables para permitir un prolongado proceso evolutivo. Otro candidato como sustrato de reacciones catalíticas serían las arcillas. Por último, en 1974 Christian de Duve propuso a los tioésteres como iniciadores de un ciclo catalítico primordial.
La evolución celular
Mientras proseguía la evolución química, se superpuso a ésta una evolución biológica, surgiendo los primeros biontes de la organización de las macromoléculas. Debieron cumplir tres requisitos: a) Aislamiento del medio externo, para permitir un medio interno donde realizar sus propias reacciones y almacenar los productos, con trasporte controlado entre ambos (pudo tratarse de los coacervados de Oparin o de las esferas proteinoides de Fox); b) Metabolismo inicial, estableciendo rutas de síntesis y degradación que confirieran ventaja al protobionte en que se desarrollaran; c) Capacidad de reproducción, que posiblemente fuera en principio simple crecimiento y escisión. La codificación de la información genética, como hemos visto, pudo ser posterior o anterior a estos procesos.
El lugar más apropiado para la aparición de los protobiontes sería la zona intermareal, que pasaría alternativamente por fases húmedas y secas (lo que favorecería la polimerización) y donde la evaporación propiciaría la acumulación de los monómeros. La primera selección se haría en función de qué gotas fueran las más estables en las condiciones imperantes. También existiría una selección bioquímica, pues algunos protometabolitos atravesarían con mayor facilidad la membrana, lo que determinaría qué moléculas serían empleadas y con qué función en el metabolismo que se iba configurando. Al absorber los elementos del medio, serían los primeros heterótrofos. La degradación de determinados compuestos (la glucosa, por ejemplo) proporcionaría energía que acoplar a reacciones de síntesis. Aquellas gotas con un protometabolismo más beneficioso serían seleccionadas para su perpetuación.
Ciclo de Krebs, una de las principales rutas metabólicas
Cabe suponer que los primeros organismos habrían sido unidades celulares procarióticas, semejantes a bacterias fermentadoras, que habrían dependido del medio para su supervivencia. Al no haber oxígeno, la energía se obtendría por fermentación y se almacenaría en moléculas de ATP para su utilización en la síntesis o en la reparación de la envoltura, configurando poco a poco un metabolismo completo. Con el tiempo, los ácidos nucleicos asumirían el papel de reguladores y permitirían optimizar la reproducción. Como beneficio adicional, la mutación genética propiciaría una evolución más rápida.
La evolución nutritiva
Con la proliferación de las primeras células vivas, los compuestos orgánicos presentes en el caldo primordial, de los que se nutrían, debieron empezar a escasear, forzando a un cambio en las estrategias alimenticias. Así, debieron surgir relaciones de parasitismo (donde una célula se beneficiaría del medio interno de otra), saprofitismo (para aprovechar las reservas de otras células muertas) y por último holotrofismo, una forma ancestral de depredación.
A la larga, sin embargo, estas estrategias resultaron insuficientes. Las células se vieron obligadas a seguir rutas metabólicas cada vez más largas para aprovechar sustratos cada vez más sencillos que, mediante procesos enzimáticos, convertían en los productos que necesitaban (y que al principio podían tomar directamente del medio). De este modo se alcanzó una fuente inagotable, el CO2 atmosférico, acoplada a una fuente de energía también inagotable, la luz solar, independizando al organismo de la sopa primordial. Había aparecido el primer organismo autótrofo fotosintético (unos pocos se acoplarían en vez de ello a algún tipo de reacción química inorgánica natural haciéndose quimiotróficos).
Cianobacteria Nostoc muscorum
La aparición de este organismo fotosintético provocó un cambio sin precedentes, no sólo en las poblaciones celulares, sino en el planeta mismo, pues aunque en principio sería una fotosíntesis anoxigénica, pronto aparecieron los antecesores de las cianobacterias, que empezaron a liberar oxígeno a la atmósfera. Esto causó la catástrofe del oxígeno, pues ningún organismo estaba preparado para soportar la acción corrosiva del O2 atmosférico. Se logró postergarla durante 300 millones de años, mientras el oxígeno reaccionaba con hierro (en los fondos oceánicos), amoníaco y metano (en la atmósfera) y diversas rocas (oxidándolas), configurando poco a poco la atmósfera y litosfera actuales. Pese al aplazamiento, hace unos 2.500 millones de años, la vida sufrió un golpe tremendo, aunque logró recuperarse e incluso aprovechar la disponibilidad energética, acoplando la nueva molécula a cadenas respiratorias. Por añadidura, la disponibilidad de oxígeno llevó a la formación de la capa de ozono, que protegió desde aquel momento a los seres vivos de las radiaciones solares más energéticas.
Conclusión
Quedaba mucho camino por delante (la aparición de la reproducción sexual, la endosimbiosis que llevaría a la formación de las células eucarióticas, la pluricelularidad…), pero ya todo era cuestión de omne vivum ex vivo y, por tanto, se escapa a la intención de este artículo. Resulta extraño considerar que, a pesar de la complejidad que hemos llegado a desarrollar, todos los seres vivos terrestres hemos sido construidos sobre unos planos bosquejados hace más de 3.500 millones de años en unas condiciones que, hoy por hoy, sólo podemos especular. Las incógnitas son múltiples: ¿Cuánto intervino el azar y cuánto los condicionantes bioquímicos para que la sopa primordial se organizara como lo hizo? ¿Cuál fue, de ser única, la ruta en torno a la cual se configuró el primer metabolismo? ¿Cómo llegaron a acoplarse de una manera tan extraordinaria la acción catalítica de las proteínas, la aislante de los lípidos y la genética de los ácidos nucleicos? ¿Cuánto de todo esto podría ser replicable en un ambiente ligeramente diferente… digamos que el Marte de antes de perder su atmósfera? ¿Hubo competencia entre diferentes clases de protovida? ¿Acabó esta competencia con todo vestigio de vida terrestre alternativa o aún sobreviven algunos especímenes microscópicos, camuflados entre los extremófilos? ¿Qué lecciones podemos sacar del proceso para definir y buscar vida extraterrestre?
Representación filogenética del árbol de la vida
Éstos son algunos de los interrogantes que tendrá que ir resolviendo la ciencia durante las próximas décadas en referencia al gran misterio del origen de la vida. Quién sabe, quizás obtengamos algo de ayuda. Nada habría más revelador que encontrar otro ejemplo de autoorganización biológica que nada hubiera tenido que ver con la nuestra. Quizás la respuesta se encuentre en el subsuelo marciano, o bajo el hielo de algún satélite joviano, o incluso en algún lugar del Sistema Solar que a día de hoy nos pueda parecer lo más hostil concebible para la emergencia de la vida. Entonces, dependiendo de su grado de desarrollo y su historia, cabrá preguntarnos sobre el siguiente gran paso, la evolución de la protovida hasta seres como nosotros, o como una secuoya, o como una ameba.
Pero ésa ya es otra historia.
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