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Origen de la vida

Etapas en la aparición de la vida

En esta página se exponen algunos de los procesos y pasos que fueron necesarios para la formación de una célula a partir de materia orgánica e inorgánica. Son todos procesos físico-químicos. Hoy se ha demostrado que generar moléculas orgánicas sin la intervención de las células es posible en muchos ambientes, y que también que se pueden producir polímeros a partir de estas moléculas individuales. De vital importancia es la posibilidad de generar membranas en ambientes abióticos. A partir de aquí, explicar cómo todas estas moléculas se asociaron entre sí para formar una protocélula es algo muy especulativo. Veamos algunos hitos que tuvieron que ocurrir para la formación de las primeras células.

Formación de moléculas orgánicas

Las células están formadas por moléculas orgánicas, además del agua e iones. Las principales son proteínas, nucleótidos, azúcares y grasas. Si se coloca en un matraz una disolución acuosa con sustancias como CO2, amoniaco, metano e hidrógeno, y se les somete a una alta temperatura y a descargas eléctricas, se consigue que se formen pequeñas moléculas orgánicas como cianuro de hidrógeno, formaldehído, aminoácidos, azúcares, purinas y pirimidinas. Éste fue el experimento que realizaron Miller y Urey intentando simular las condiciones primitivas (Figura 1). No demuestra que estas moléculas se formaran así en el origen de la vida, pero es una prueba de que se pueden formar mediante reacciones físico-químicas. Hoy se tiende a situar esa síntesis prebiótica en los alrededores de las fuentes hidrotermales, donde se darían condiciones propicias y habría una cierta protección. Es seguro que las moléculas orgánicas se formaron y se siguen formando en el espacio interestelar y es frecuente encontrarlas en meteoritos y cometas.

Figura 1. Esquema del sistema ideado por Miller-Urey en los años 50 del siglo pasado con el que demostraron que se pueden sintetizar moléculas orgánicas complejas a partir de otras más simples cuando estas últimas se someten a condiciones supuestamente similares a las de la Tierra primigenia.

Formación de polímeros

Ya tenemos moléculas orgánicas simples, pero las moléculas más importantes para la célula suelen aparecer en forma de polímeros complejos: las cadenas de aminoácidos forman las proteínas y los polinucleótidos forman el ADN y el ARN. Habría varias posibilidades para obtener estos polímeros sin la intervención celular:

a) Calor sobre compuestos secos. Hay experimentos en los cuales la aplicación de calor sobre componentes secos lleva a la aparición de polímeros orgánicos.

b) Catálisis por superficies minerales (Figura 2). Los minerales pueden haber sido importantes en el origen de la vida por varias razones: concentran, seleccionan, hacen de molde y catalizan reacciones de moléculas orgánicas. Los minerales podrían haber servido además como lugares de protección frente a las adversas condiciones atmosféricas y como sustratos o moldes para la polimerización y las reacciones químicas. La catálisis por minerales como explicación para la aparición de polímeros orgánicos tiene muchos seguidores en la comunidad científica.

Figura 2. Catálisis de polímeros de ARN por minerales. Ver vídeo completo en https://exploringorigins.org/resources.html ( Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 United States License).

c) Fuentes hidrotermales (Figura 3). El proceso de formación de moléculas orgánicas se produce hoy en día en las fumarolas o fuentes hidrotermales marinas. Bajo unas condiciones de presión y calor elevados y con la ayuda de minerales pueden producir polímeros orgánicos. En la fuentes hidrotermales terrestres, lugares con agua dulce en contacto con fuentes volcánicas, sería posible la hidratación-desecación constante de substancias que podrían aumentar la concentración de moléculas orgánicas y favorecer la reacción entre ellas a altas temperaturas. Este ambiente es más favorable para formar membranas espontáneamente a partir de lípidos anfipáticos que el agua de mar.

d) Membranas lipídicas. Distintos experimentos en laboratorio muestran que las membranas lipídicas, como las que hoy tienen las células, podrían ser centros de atracción, selección y concentración de moléculas simples. Esta posibilidad es interesante puesto que resolvería el problema de cómo las membranas se asociaron a unas moléculas determinadas y no a otras, y cómo se llegó a la primera protocélula.

Figura 3. Proceso de formación de membranas en un géiser. A: Formación de ácidos grasos anfipáticos; B: Expulsión de los ácidos grasos por un Géiser; C: Gotas de agua en el aire con los lípidos dispuestos en su superficie; D: Concentración de los lípidos por evaporación de las gotas de agua; E: Formación de micelas en agua; F: formación de una bicapa lipídica similar a la de una célula. Ver vídeo completo en https://exploringorigins.org/downloads/geyser.mov (Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 United States License)

Interacciones moleculares y metabolismo

Independientemente del lugar, tendría que darse en algún momento la interacción entre moléculas diferentes (proteínas, ADN, ARN, lípidos y azúcares) y la formación de complejos sistemas de interacciones y reacciones moleculares heterogéneas. Con estas interacciones se seleccionarían no ya unas pocas moléculas sino grupos heterogéneos de moléculas que actuarían en cooperación, y que podrían coevolucionar. Por ejemplo, se propone que la pobre estabilidad del ARN se superó mediante su asociación con pequeños polipéptidos, y ambos establecieron una relación mutualista. Las interacciones y los tipos moleculares de estos complejos moleculares tuvieron que evolucionar conjuntamente para formar múltiples y diversos sistemas moleculares, los cuales no sólo se encargarían de la autorreplicación del conjunto del sistema, sino también de obtener energía y los elementos básicos para hacer crecer dicho sistema, es decir, el metabolismo. Sólo uno de todos estos sistemas de interacciones moleculares dio lugar a la primera célula.

Membrana celular

Uno de los principales eventos en el origen de las células fue el desarrollo de una envuelta que aislara un medio interno y otro externo (Figura 4). Esto tiene muchas ventajas: a) permite tener todos los componentes necesarios próximos para las reacciones metabólicas y se hace más eficiente el proceso de replicación; b) se evita que variantes ventajosas de moléculas orgánicas sean aprovechadas por grupos competidores, es decir, egoísmo evolutivo; c) se gana una cierta independencia respecto a las alteraciones del medio externo favoreciendo la homeostasis interna. Las membranas lipídicas se producen fácilmente de forma espontánea a partir de ácidos grasos anfipáticos, es decir, moléculas que tienen una parte cargada eléctricamente y otra que es hidrófoba.

Figura 4. Modelo una protocélula. Consistiría en una membrana con moléculas dentro, semi-aisladas del medio esterior. Imagen tomada de https://exploringorigins.org/protocells.html (Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 United States License)

Hay dos posibilidades para la asociación entre moléculas como los nucleótidos y aminoácidos con las membranas (Figura 5). a) Podemos especular que estas membranas iniciales formaron pequeñas bolsas o vesículas que englobaron poblaciones de moléculas. En otro momento, debido al crecimiento de su contenido interno, estas bolsas debieron adquirir la capacidad de estrangularse y dar dos unidades hijas con características semejantes a la parental. Se producirían reacciones moleculares internas gracias a que las membranas serían permeables a moléculas pequeñas, pero no a los polímeros creados internamente, a los cuales no les sería fácil escapar. b) Otra posibilidad es que hubo una asociación inicial de moléculas orgánicas simples con membranas de lípidos. Este sistema de polímeros (oligopéptidos y oligonucleótidos) y membranas fue ganando en complejidad y dependencia hasta que algunos polímeros atravesaron la propia membrana y quedaron en su interior. Si esto fue así, cambiaría el orden de los acontecimientos puesto que las membranas serían las verdaderas protagonistas para la formación de las primeras protocélulas.

Figura 5. Modelo de "la vida fuera de la vesícula" en el que la membrana es el elemento clave para seleccionar, concentrar y favorecer las reacciones de las moléculas (modificado de Black y Blosser, 2016).

La posibilidad de que las membranas pudieran ser en realidad el elemento que disparara la atracción de moléculas y la reacción entre ellas para formar estructuras moleculares más complejos abre posibilidades sorprendentes. Las membranas son estables tanto en aguas dulces como en aguas saladas, por lo que surge la posibilidad de que las primeras células pudieran aparecer en aguas dulces, en vez de en el mar.

Código genético

En algún momento el ARN tuvo que tomar el control de la síntesis de las proteínas. Para ello hubo que inventar un código que identificara una secuencia de tres nucleótidos con un aminoácido determinado. Esto es lo que actualmente se denomina el código genético: cada aminoácido está codificado por uno o varios tripletes de nucleótidos, pero cada triplete codifica para un solo aminoácido. Este código parece arbitrario y es prácticamente universal para todos los organismos vivos (Figura 6), y es una de las razones por las que se propone que todos los organismos vivos actuales proceden de un mismo ancestro celular al que denominamos LUCA (“last universal common ancestor”).

Figura 6. Código genético de los organismos vivos, donde 3 bases (en este caso ARN) corresponden con un aminoácido. Comprim. es la compresión del código según semejanza de los tripletes. Tomado de wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_and_RNA_codon_tables

ADN

Actualmente la información que transmiten los organismos a su descendencia está codificada en forma de ADN. El ADN tiene una serie de ventajas sobre el ARN: al ser el ADN una doble hélice es más estable, es más fácil de replicar y permite reparaciones más eficientes. En algún momento de la evolución, antes de LUCA, debió darse el paso de la información desde el ARN al ADN, y quedar este último como base para la conservación, lectura y transmisión de la información de las primeras células.

Para saber más:

Black RA, Blosser MC. 2016. A self-assembled aggregate composed of a fatty acid membrane and the building blocks of biological polymers provides a first step in the emergence of protocells. Life. 6: 33.

Orgel LE. 1994. Origen de la vida sobre la Tierra. Investigación y Ciencia. 219: 47-53.

Peretó J. 2005. Controversies on the origin of life. International microbiology. 8: 23-31.

Robinson R. 2005. Jump-starting a cellular world: Investigating the origin of life, from soup to networks. PLoS Biology. 3(11): e396.

Shapiro R. 2007. El origen de la vida. Investigación y Ciencia. 371: 18-25.

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