Prehistoria de la vida Programados y/o evolucionados
- Ferez Ruiz Xavier: Consultor técnico-cientifico de
- 27 oct 2019
- 9 Min. de lectura
Diseñando un paralelismo con la prehistoria de la humanidad, el autor con cierto grado de nostalgia con los historiadores (arqueólogos), nos propone iniciar el camino por la etapa más remota en el origen de la vida….la prehistoria de la vida, estableciendo posibles acontecimientos que marcaron sus límites.
La historia de nuestra humanidad, como tal, según los historiadores, tiene un principio que vino marcado por nuevas fuentes de información como fueron las fuentes escritas, es decir, los investigadores de nuestra historia atribuyen un acontecimiento que marcó la frontera entre dos etapas importantes en la evolución de nuestra especie, la aparición de la escritura hace ya 5.200 años (3.200 aC) en Sumeria, parte sur de la antigua Mesopotamia, región fértil donde se desarrollaron las primeras civilizaciones y 5.000 años atrás fuera la supuesta fecha más temprana para la domesticación del ganado.
Tuvieron que pasar cerca de 2.000 años, desde los primeros brotes y difusión de una llamada “protoescritura” de las últimas civilizaciones neolíticas basadas en sistemas simbólicos, hasta un sistema articulado, arbitrario y convencional de toda una lengua como la de los sumerios denominada “Kengi”.
Esta nueva forma de comunicación entre los seres humanos marcaría el paso de la prehistoria a la historia de nuestra humanidad.
Como biólogo y estudioso de “lo vivo” ….. me pregunto…. si la vida ha tenido también su prehistoria y cómo habrá sido, por qué pasos y etapas tuvo que atravesar, para llegar a fundamentar eso tan maravilloso que conocemos hoy como “la vida”.
Quizás para comenzar, no deberíamos ser tan ambiciosos y podríamos conformarnos con imaginar y pensar en cual habría sido el acontecimiento que marcaría el paso de la prehistoria de la vida a la historia de la vida, tal como hicieron los historiadores. Y no pretendemos molestar a nuestros colegas los historiadores, pero desde que surgiera el término de prehistoria en el siglo XIX, nunca se ha empleado su significado en tal sentido…..la prehistoria de la vida.
Para ello deberíamos primero intentar definir que entendemos por vida. En los libros de textos de cualquier sistema educativo español, desde la ley Moyano hasta nuestra actual ley orgánica de educación, aparecen las tres funciones que deben realizar cualquier ser vivo, las funciones vitales: relación, nutrición y reproducción. Cualquier alumno de secundaría se preguntaría, ¿Cuál es la más importante? Y de hecho cada año se repite esta pregunta en las aulas de numerosos institutos. Esa respuesta no es fácil, pero como biólogo molecular y docente siempre les contesto que si algo ha sido determinante en el origen y evolución de los sistemas vivos ha sido el de su replicación y por lo tanto apostaríamos por la función de reproducción.
Los estudiosos del origen de la vida hemos considerado como características esenciales de los seres vivos su capacidad de replicación y su metabolismo. Incluso actualmente existen dos escuelas de pensamiento en cuanto al origen de la vida, unos que piensan que primero tuvo que desarrollarse un metabolismo antes de la replicación y otros lo contrario, primero tuvo que darse una evolución genética que les diese a los sistemas químicos la capacidad de replicarse y luego perfeccionarse las rutas metabólicas.
A parte de este interesante dilema de quien fuera primero, el metabolismo o la replicación (hecho que trataremos más adelante), si queremos comenzar a hablar de la prehistoria de la vida, deberemos al menos, marcar el principio y el final de esta etapa, empecemos por el final. A igual que los historiadores marcaron en sus agendas la aparición de la escritura, como almacenamiento y replicación de la información, en el final de la prehistoria de la humanidad, nosotros proponemos como final de la prehistoria de la vida y el inicio de su historia, la aparición de entidades autocatalíticas, autosuficientes y replicantes.
Se sabe que la capacidad de almacenar y transmitir información ha sido crucial para el origen y evolución de la vida, es por ello que señalamos la replicación (replicación celular) como punto crucial que marcaría una nueva era en la evolución biológica…la historia de la vida.
Los historiadores hablan de escritura, pero los lingüistas hablarían de texto como unidad mínima comunicativa y no sólo de escritura, así para nosotros estas entidades serían las primeras células o protocélulas, sistemas vivos con capacidad de un proceso de autoensamblaje y de confinar redes de reacciones químicas (compartimentalización) junto con una forma de información con capacidad de replicarse.
Por lo tanto podemos hablar de una prehistoria de la vida que consistiría ni más ni menos que en una evolución de sistemas químicos que tendría que haber tenido en nuestra opinión, en primera instancia, una evolución bioquímica y posteriormente una evolución biomolecular, es decir metabolismo y luego genética.
Si la etapa final de la prehistoria de la vida desemboca en la aparición de las protocélulas como unidades mínimas para poder almacenar y transmitir información a través de polímeros genéticos como los heterociclos de nitrógeno, componentes precursores de las macromoléculas genéticas actuales de ARN y ADN, la etapa inicial sería la presencia de estos precursores de las moléculas orgánicas sometidos a esa primera fase de la prehistoria de la vida, que seria de la evolución bioquímica.
Sin embargo se sabe poco acerca de esos precursores relevantes para la abiogénesis. Hoy ya sabemos que una cantidad enorme de estas moléculas orgánicas basadas en el átomo de carbono, presentes en la bioquímica terrestre, se encuentra en el medio interestelar, superficies planetarias, cometas, asteroides, meteoritos y partículas de polvo interplanetario. La química orgánica o química del carbono debe su nombre a este espectacular átomo bondadoso de seis protones que le confiere una configuración electrónica inaudita, permitiéndole unirse a otros átomos de carbono formando cadenas largas C-C o bien con otros átomos como el H, N, P y S, todos ellos átomos presentes en las llamadas “moléculas orgánicas complejas astronómicas (aCOM). También ya es conocido y publicado que estas biomoléculas fruto de esta evolución cósmica de lo simple a lo complejo no pudieron sobrevivir a la formación del sistema solar debido a las radiaciones por rayos X y luz UV.
Por lo que, a pesar de que estos biomarcadores bioquímicos como nitrilos, aldehídos, éteres, cetonas, aminas y amidas están muy extendidos en nuestra galaxia, la mayoría no son resistentes a la radiación y a las altas temperaturas que tuvieron que darse en la formación de nuestro sistema solar. Por lo tanto estas moléculas orgánicas tuvieron que haberse sintetizados después de que la superficie terrestre se enfriara o haber llegado a nuestro planeta a través de impactos de pequeños cuerpos extraterrestres. Hoy existe un consenso en la participación de fuentes tanto exógenas como endógenas en la síntesis de moléculas precursoras de la vida en nuestro planeta.
No ha sido difícil para un biólogo evolutivo, realizar este viaje en la evolución química de la vida y acuñar el término de la prehistoria de la vida a esta larga y compleja etapa, proponiendo los acontecimientos que marcaron su inicio y final, si los historiadores y/o arqueólogos pudieron formalizarlo, por qué no los biólogos después de tantas décadas de investigación desde los experimentos de Miller.
Sin darnos cuenta hemos identificado y adelantado que en esta evolución química de la vida se tuvo que dar primero una evolución bioquímica y posteriormente una evolución biomolecular, es decir lo que vendría a ser una evolución metabólica (fenotipo) y luego una evolución genética (genotipo) o significado y significante como diría un lingüista.
En los últimos años, ha calado con razón, el uso de una llamada evolución de sistemas químicos, propuestos por nuestros colegas los químicos, que han centrado su diana lejos de la química tradicional, cuando yo estudiaba las fuerzas intramoleculares, apuntando lo que para los biólogos era ya de vital importancia, las fuerzas intermoleculares, es decir, las interacciones no covalentes que se dan entre moléculas, permitiendo el desarrollo de sistemas moleculares complejos con propiedades interesantes para el estudio del origen de la vida como: el autoensamblaje, el movimiento molecular, sistemas de redes químicas compartimentadas, sistemas de formación-destrucción y bucles de retroalimentación, siempre como sistemas químicos lejos del equilibrio. Lo que nos propone esta nueva disciplina, es la posibilidad sin duda alguna, durante la evolución bioquímica, de la existencia de poblaciones de redes moleculares autosuficientes y compartimentadas incluso antes de cualquier capacidad de replicación, es decir, el surgimiento de un sistema autocatalítico separado del medio ambiente capaz de controlar sus necesidades energéticas y de sustrato…un protometabolismo.
Estas moléculas simples de estos sistemas químicos reaccionarían y se ensamblarían en superficies catalíticas, y formarían aquellos compuestos orgánicos prebióticos que condujo a diferentes rutas de síntesis y/o degradación molecular. Estos sistemas metabólicos antiguos sentaron las bases de nuestro futuro metabolismo celular.
Vemos que una ventaja evolutiva necesaria para estos sistemas químicos habría sido la compartimentación de estas redes y sabemos que la presencia de moléculas anfílica en la tierra primitiva permitió procesos espontáneos de autoensamblaje y formación de protoceldas.
Estos acontecimientos de compartimentalización de redes químicas, marcarían las dos etapas de esta evolución bioquímica que llamaremos, con el permiso de nuestros compañeros historiadores ingleses, Sir John Lubbock y lord Avebury: Paleobioquímica y Neobioquímica. Siguiendo con el paralelismo, podemos definir a la Paleobioquímica como aquella etapa en el origen de la vida en la cual unas series de reacciones bioquímicas prebiotícas tenían lugar de forma nómada, dispersas por el medio, a diferencia de la Neobioquímica en la cual estos sistemas bioquímicos eran sedentario, confinados en compartimentos prebióticos.
Eso proponemos, distinguir dos etapas evolutivas cruciales en la evolución bioquímica de la vida, la antigua bioquímica y la nueva bioquímica, y la aparición en el escenario de algún tipo de unidades capaces de albergar estas redes moleculares como límite entre una y otra. La evolución bioquímica seguiría con algún tipo de selección competitiva entre estas poblaciones dinámicas de síntesis químicas en diferentes compartimentos.
Aunque para esta evolución bioquímica se tuvo que dar esta selección competitiva, no pretendemos dar a ese enfoque molecular lo que pretendía Darwin, pues considero que sólo es patrimonio y característico de “lo vivo” poder experimentar una evolución darwiniana abierta, lejos de cualquier equilibrio químico y negentrópica. Ya que según nuestro compañero profesor Gerald Joyce, la vida ya no sería aquello que aparece en los libros de textos de los institutos, con sus tres funciones vitales, sino que quien fuera el primero en producir en su laboratorio un sistema químico autoreplicante define a la vida como: “un sistema autosuficiente capaz de experimentar evolución darwiniana”.
Así es, la evolución lacelckiana que reinaba en esos microambientes internos durante la etapa de la neobioquímica tuvo que dar paso a una evolución darwiniana procelular que actuaría sobre al menos cinco tipo de sistemas químicos esenciales que acabarían cooperando entre si: i) moléculas encargadas de facilitar la compartimentalización y su semipermeabilidad, como los lípidos y péptidos hidrofóbicos que permitirían entre otros, el gradiente de protones necesarios para la síntesis de moléculas energéticas facilitando su estabilidad energética; ii) protoenzimas con capacidad catalítica que contribuirían a dar estabilidad cinética a ese protometabolismo; iii) moléculas informativas que formarían parte del material pregenético como oligonucleótidos cortos que pueden generarse mediante polimerización aleatoria y autoreplicarse a partir de una plantilla, un protoARN; iv) moléculas traductoras de esas secuencias, un protoARNt; v) Un compartimento o complejo que permitiría el establecimiento de interacciones cooperativas entre ese protoARN, protoARNt y las protoenzimas, un protoribosoma.
Los inicios de la vida sólo pudieron darse en ese marco de organización compartimental que posibilitó la interacción del material pregenético con el control de la energía, los sustratos y productos, basados en el metabolismo, permitiendo la transmisión reproducible del genotipo, permitiendo la transición de lo animado a lo vivo. Abriéndose el camino de la historia de la vida.
A igual que la escritura no tuvo un único origen ya que surgió de forma independiente en diferentes lugares del mundo, nuestros antepasados celulares pudieron cocinarse desde diferentes “sopas primitivas”, aunque su código sea universal. Nuestra capacidad de lenguaje nos ha permito con la escritura establecer miles de diferentes lenguas con su código lingüístico propio, pero el código de la vida es un código universal…el código genético.
Hemos pretendido establecer un paralelismo, proponiendo como punto de partida de la historia de la vida y final de su prehistoria, la aparición de una forma de escritura, tal como decidieron los historiadores con la historia de nuestra humanidad. Entendiendo como escritura un modo de conservar y transmitir información. Y en nuestro caso la aparición de la célula como un modo de almacenar y replicar información genética, a través de un código universal.
Ambicioso o no, hemos deseado no ser menos que la arqueología, la biología debía dar un paso hacia adelante como ciencia, estableciendo una cronología de posibles acontecimientos que marcaron las etapas de lo “inanimado” a lo “vivo”. Sabemos que va a ser un reto muy complicado y en este ensayo tan sólo hemos marcado unos hechos que son reconocidos por la comunidad científica y los hemos colocado en esa línea temporal en la prehistoria de la vida.(ver figura 1).
Fig.1 Cuadro de línea cronológica de la prehistoria de la vida con aquellos acontecimientos que han podido marcar sus diferentes etapas, entre evolución bioquímica y evolución biomolecular, entre paleobioquímica y neobioquímica.
El estudio y la literatura escrita sobre la evolución de sistemas vivos lleva muchos años de ventajas sobre la evolución de sistemas químicos. Podemos meternos en la piel de aquel estudiante de medicina que quedó impresionado por la variedad de los sistemas vivos que descubrió durante aquel apasionante viaje embarcado en el Beagle. Muchas noches como biólogo he soñado con ese viaje, pero quizás no sería menos apasionante realizar un viaje por los sistemas químicos de la vida, por esas rutas metabólicas que se fraguaron durante la prehistoria de la vida, mi formación académica como biólogo molecular y bioquímico me permitió estudiar nuestro actual metabolismo y es increíble como funcionan estos sistemas tan perfeccionados y controlados. La síntesis abiótica de una molécula importante para la vida como las purinas se pudo formar sencillamente durante esta etapa, pero sabemos que la síntesis biótica de estos precursores del ADN en nuestro metabolismo actual está controlada por hasta 10 enzimas. Y esto no es más que un ejemplo….¿cómo pudieron evolucionar estos sistemas químicos con tal grado de ingeniería?
¿Hemos sido programados o evolucionados?
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