¿Del laboratorio al Origen de la Vida?

Las ideas acerca de cómo se originó la vida han evolucionado a lo largo de la historia de la humanidad. Desde textos sagrados  (e.g. Génesis 2, Popol Vuh) y/o corrientes filosóficas (e.g. materialismo e idealismo) hasta tener una perspectiva científica

Hoy en día, la comunidad científica ha propuesto una serie de hipótesis para explicar cómo pudieron surgir las primeras formas de vida en la Tierra. A pesar de que aún hay innumerables piezas que añadir a este rompecabezas, este campo de investigación está continuamente renovándose y el panorama luce alentador.

Primero lo primero…

Plantear una hipótesis sobre el origen de la vida implica considerar posibles transiciones fisicoquímicas a partir de la materia inanimada a lo “vivo”. Esto conlleva a resolver una primera pregunta, ¿Qué es la vida? Dicha cuestión puede abordarse desde distintas perspectivas y desafortunadamente no tiene una sola respuesta. Sin embargo, hoy sabemos que todo los organismos vivos, tanto organismo unicelulares como las bacterias hasta organismos pluricelulares como los seres humanos, estamos compuestos por la unidad básica de la vida, es decir, la célula. A su vez, la célula se compone de muchas moléculas orgánicas (aquellas que tienen al menos un átomo de carbono); por ejemplo: los aminoácidos, que son los bloques de construcción de las proteínas (biomoléculas súper complejas que tienen muchas funciones en la célula; por ejemplo, acelerar reacciones químicas); y los ácidos nucleicos, los cuales componen nuestro material hereditario. Hasta hoy, podemos decir que todos los organismos conocidos poseen al menos tres características que se consideran las propiedades básicas de la vida: 1) la separación del medio a través de membranas (algo que los científicos definimos como «compartimentalización”), 2) material genético para almacenar información (eso que hemos escuchado que se llama ADN o ARN), y finalmente, 3) el metabolismo, entendido como la capacidad de realizar reacciones químicas que transforman la materia orgánica que ingerimos (e.g., comida) en energía y por consiguiente, permiten a las células crecer y desarrollarse (Fig.1).

Plantear una hipótesis sobre el origen de la vida implica considerar posibles transiciones fisicoquímicas a partir de la materia inanimada a lo “vivo”. Esto conlleva a resolver una primera pregunta, ¿Qué es la vida?

Concepción artística de una célula de Escherichia coli.
Acuarela basada en información de biología estructural, microscopía y biofísica para simular una vista detallada de una sección transversal de una célula de Escherichia coli. Cada estructura con un color asignado representa una biomolécula (e.g. ribosomas en color morado). Crédito: David S. Goodsell CC-BY-4.0 license

Todos los organismos conocidos hasta ahora poseen al menos tres características que se consideran las propiedades básicas de la vida: membranas, material genético y metabolismo.

Ambientes primitivos

Entender cómo surgieron tales propiedades resulta un desafío bastante complicado ya que, debido a la dinámica que ha sufrido la Tierra a largo de su historia, no tenemos evidencia directa de los procesos (e.g. registro geológico) que pudieron estar relacionados con el origen de la vida en el planeta. Si bien algunos autores han reportado “microorganismos fósiles” en rocas con edades de aprox. 3.5 mil millones de años, se ha cuestionado la naturaleza de estas estructuras (podrían haber sido formada por procesos naturales, por ejemplo: interacciones entre diversos minerales y agua). Aunque se han hallado algunas estructuras organo-sedimentarias que son formadas por la actividad microbiana (cianobacterias fotosintéticas), los famosos estromatolitos, son muy complejas para pensar que están directamente relacionadas con el origen de la vida. En consecuencia, existe un hueco en el entendimiento de los procesos geoquímicos que pudieron suceder en los primeros 1000 millones de años en la historia de la Tierra. 

No obstante, no todo está perdido. Gracias a las hipótesis de diversos científicos, como la del bioquímico soviético Alexander I. Oparin, que a principios del siglo XX sugirió un proceso de evolución gradual de la materia hasta la formación de los “coacervados”, este campo de investigación ha dado grandes y sólidos pasos.

Actualmente, existen una serie de propuestas basadas en resultados experimentales que coinciden en que la vida en la Tierra pudo surgir a partir de la interacción de diversas moléculas orgánicas, y un sinfín de variables geoquímicas (i.e., sales disueltas en el océano, minerales, y diversas fuentes de energía). El periodo bajo el cual pudieron ocurrir estas interacciones, ya sea en la Tierra Primitiva o incluso fuera de ella (por ejemplo, en cometas y meteoritas), se conoce como evolución química (por favor, consultar número 30, página 7).

El dinamismo que existió durante las primeras etapas de la historia de la Tierra implica que pudo haber muchos ambientes primitivos donde la vida podría haber surgido y/o prosperado. En particular, un ambiente primitivo se define como aquel donde existía una continua síntesis de moléculas orgánicas, diversas fuentes de energía y un medio para llevar a cabo reacciones. Los sistemas hidrotermales en el fondo del océano o en la superficie del planeta son buenos ejemplos (Fig. 2). 

Sistemas hidrotermales submarinos, probables ambientes para Evolución Química.
Entre las distintas propuestas de ambientes primitivos, los sistemas hidrotermales han resaltado debido a la continua producción de moléculas orgánicas, disponibilidad de agua y energía térmica para llevar a cabo reacciones. Sin embargo, sus altas temperaturas y presiones así como su acidez pueden hacer que las moléculas sean muy inestables en estos sitios. Crédito: NOAA.

Dos enfoques básicos 

Llegados a este punto, surge la pregunta ¿Cómo realizamos los científicos nuestros experimentos en este campo de investigación?  Los estudios sobre el origen de la vida se pueden realizar a partir de dos enfoques: de abajo-arriba (bottom-up) y de arriba-abajo (top-down). El primer enfoque consiste en “recrear”, tanto de manera experimental como con ayuda de simulaciones computacionales, algunas interacciones físico-químicas que pudieron existir en un ambiente primitivo. Por otro lado, un enfoque de arriba-abajo implica estudiar moléculas informacionales presentes en los seres vivos, por ejemplo: los ácidos nucleicos (Fig.3). Mediante la comparación de las secuencias de material genético de diversos organismos es posible trazar caminos evolutivos hasta un organismo pionero. En este caso, una población hipotética ancestral a partir de la cual divergieron todos los organismos actuales, LUCA (last universal common ancestor).

Manos a la obra

¿Qué es lo que se busca simular en el laboratorio considerando un enfoque de abajo-arriba? Un buen primer paso es tratar de entender bajo qué condiciones y procesos pudo llevarse a cabo la formación de estructuras tan complejas como las que componen a la célula. 

El campo de estudio experimental que se encarga de esto se conoce como química prebiótica. Esta área busca entender la síntesis, la reactividad, la estabilidad y el futuro de diversas moléculas orgánicas de manera abiótica, es decir, sin la participación de organismos vivos y bajo condiciones que puedan representar un ambiente primitivo. También, busca describir las vías que pudieron conducir a la formación espontánea de polímeros (ver más abajo) así como explicar las relaciones entre las distintas subestructuras químicas presentes en sistemas supramoleculares ¿Complicado? Sí, y mucho. A pesar de que más o menos tenemos idea de cómo era la Tierra en sus primeros millones de años, es muy difícil poner todas las variables fisicoquímicas dentro de un solo experimento y extrapolar los resultados. 

Desde sus comienzos, con los trabajos del mexicano A. L. Herrera y eventualmente con los reconocidos experimentos en 1953 por parte de S. Miller y H. Urey, los cuales demostraron que era posible transformar materia relativamente simple (e.g. gases como H2O, CH4, NH3) en aminoácidos, los experimentos de química prebiótica han mejorado a través de los años. En consecuencia, el avance científico ha permitido tener varios pilares sólidos en esta área. Por ejemplo, sabemos sintetizar aminoácidos, bases nitrogenadas y azúcares (componentes de ácidos nucleicos), y lípidos (componentes de membranas) a partir de reacciones químicas que podrían haber sucedido en ciertos  ambientes primitivos. Así mismo, sabemos que algunas variables ambientales como lo son: la presencia de minerales, sales disueltas, acidez del disolvente (e.g. agua), temperatura e incluso la presencia de otras moléculas orgánicas en el mismo experimento, pueden favorecer  la formación de estructuras relativamente complejas, es decir, polímeros (Fig. 3). 

Estructura química del DNA.
El DNA es un polímero. Esto quiere decir que está compuesto a partir de la unión de materia prima similar (i.e. nucleótidos). En este caso, los bloques de construcción son ladrillos compuestos de una base nitrogenada (e.g., adenina, guanina), una azúcar ((e.g., desoxirribosa) y un esqueleto de fosfato. Estos ladrillos se “pegan” miles de veces para formar estructuras tan complejas como los ácidos nucleicos. Crédito: Andy Brunning.

Estos polímeros pueden tener diversas naturalezas. Por ejemplo, es posible “pegar” diversos aminoácidos para formar cadenas relativamente largas y en consecuencia, tener una proteína sumamente sencilla. De igual manera, es posible unir bloques de construcción de ácidos nucleicos y tener un “oligómero” muy simple. El problema radica en que aún no entendemos muy bien cómo “pegar” esos bloques de construcción y bajo qué condiciones. Mucho menos sabemos cómo hacer que se formen polímeros más complejos y, eventualmente, con una función específica. De igual manera, aún hay muchas incógnitas sobre cómo podrían emerger las propiedades básicas de la vida en un mismo experimento.

Nuevos horizontes

Hasta el día de hoy, hay bases relativamente sólidas para pensar que la vida pudo ser resultado de las interacciones de diversas moléculas orgánicas consigo mismas y con su entorno a través de millones de años. Sin embargo, aún no tenemos claro bajo qué condiciones y en qué momento sucedió. La reciente postura de los investigadores en esta área se está enfocando en realizar experimentos más complejos. En ellos buscamos tomar en cuenta escenarios químicos y geológicos más consistentes y dinámicos (algo que algunos investigadores han llamado química de interferencia o química prebiótica estocástica). Además, se ha comenzado a considerar otras moléculas que no necesariamente están presentes o tienen un papel directo con algunas funciones y/o estructuras de los seres vivos actuales. En otras palabras, estamos buscando entender y estudiar cómo es posible sintetizar diversos componentes celulares a partir de materias primas comunes y resultado de diversas reacciones semi-independientes. Se busca utilizar “precursores químicos” que pudieron ser seleccionados a lo largo de la historia y resultaron en reacciones selectivas o establecieron una etapa para otras funciones químicas. Tales consideraciones están englobadas en un nuevo campo de estudio llamado química de sistemas

La química de sistemas implica considerar las diferentes interacciones en un sistema así como sus propiedades emergentes.
La nueva perspectiva en estudios de química prebiótica sugiere que es necesario considerar otros “precursores químicos”, así como las diversas variables geoquímicas que estarían disponibles en los ambientes primitivos. Crédito: Saúl Villafañe CC BY-4.0 license.

Lo anterior puede sonar muy complicado pero lo podemos plantear de una manera sencilla. Imaginemos que, como se muestra en la figura 4, cada pieza de lego representa una molécula orgánica específica y es un símil de la forma de obtener colores a partir de los primarios. Las cinco piezas están en el mismo ambiente primitivo y pueden interaccionar de diversas maneras. Por lo que sabemos de diversos estudios de química prebiótica, si combinamos la molécula amarilla con la molécula azul, podemos obtener una molécula verde. Por circunstancias que aún no son claras, esta molécula verde resultó seleccionada y perduró a través del tiempo para formar parte de los ácidos nucleicos que hoy vemos en todos los seres vivos. Sin embargo, en nuestro experimento pudimos encontrar que las moléculas verdes pueden interaccionar con moléculas azules y formar un “azul-verdoso”. De esta manera, la molécula amarilla inicial podría “confundirse” y no reaccionar directamente con la molécula verde sino con la molécula “azul-verdosa” ¿Qué implicaciones tiene esto? La posibilidad de formar estructuras muy similares aunque con diferencias sutiles que pueden significar grandes cambios. Esto podría llevar al establecimiento de nuevas piezas de lego (como la de color negro) que antes no eran consideradas, lo que anteriormente mencionamos como precursores químicos, y que pudieron ser partícipes directos en el proceso de evolución química. Finalmente, en un ambiente natural estas interacciones son aún más complejas y es lo que se busca actualmente en el laboratorio. En lugar de unir una pieza amarilla y una azul para dar una pieza verde, lo cual sabemos que funciona; ahora buscamos entender cómo afectaría una tercera pieza “azul-verdosa” a todo el sistema. En cosas más técnicas, se busca entender cómo interaccionan diversas moléculas orgánicas en presencia de minerales, sales disueltas, y otras variables, para producir estructuras más complejas. También, buscamos entender como reacciones selectivas o de retroalimentación pudieron establecer la siguiente etapa de otras selecciones químicas. 

Los experimentos de química prebiótica aún están muy lejos de resolver el posible origen de la vida

¿En dónde estamos?

Actualmente hay nuevos experimentos que sugieren que las interacciones entre diversas moléculas orgánicas y las distintas variables del ambiente (e.g., minerales) pudieron tener grandes repercusiones en la formación de estructuras complejas. Aún hay muchas incógnitas sobre las condiciones y escenarios donde las propiedades básicas de la vida pudieron emerger.  

De igual manera, aún existen preguntas muy básicas sin respuesta: ¿Cómo formar polímeros con una estructura y función específica? ¿Por qué la vida “elige” moléculas con una forma definida en lugar de otra? ¿Qué precursores químicos fueron más importantes y bajo qué condiciones? ¿Qué ambiente es más propicio para el surgimiento de la vida? ¿Puede haber más de un origen? En vista de eso, queda un largo camino por investigar pero las nuevas perspectivas sugieren que tenemos una ruta a seguir. Probablemente, en esta década se vienen grandes descubrimientos para este campo de investigación. 

 

Saúl A. Villafañe-Barajas, estudiante de doctorado en Ciencias de la Tierra

Foto de portada por Dan Meyers en Unsplash