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El origen de la vida

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La cuestión del origen de la vida ha constituido desde hace mucho tiempo un desafío para la imaginación, pero puesto que no disponemos de una "máquina del tiempo" como la utilizada por el personaje de la novela de H. G. Wells, los intentos de reconstruir la génesis de la vida en el ambiente de la Tierra primitiva tienen mucho de temerario. Esto es así sobre todo porque no existen fósiles de los primeros seres vivos que colonizaron nuestro planeta. Los microfósiles más antiguos tienen tres mil seiscientos millones de años (3,6 eones). Sin embargo, los científicos han obtenido pruebas geológicas indirectas según las cuales la capacidad de fijar anhídrido carbónico, que es expresión de la existencia de seres vivos capaces de realizar fotosíntesis (es decir, de aprovechar la energía de la radiación solar para formar los compuestos necesarios para su supervivencia), apareció hace 3,8 eones.

La formación de la Tierra tuvo lugar hace 4,6 eones, pero su superficie se habría tornado menos inhóspita para la acumulación de compuestos orgánicos hace entre 4,2 y 4 eones. De manera tal que la vida, en su forma más primitiva, podría haber necesitado para surgir incluso menos de 0,4 eones, un tiempo muy breve en términos del calendario geológico. En ese exiguo espacio de tiempo, que nos lleva hasta los 3,8 eones antes mencionados, habría tenido lugar una serie encadenada de eventos bioquímicos capaces de conducir hasta la generación de aquellos primeros organismos con capacidad fotosintética.

La primera hipótesis consistente acerca de los procesos químicos que habrían dado origen a la vida fue la formulada por el bioquímico ruso Alexander I. Oparin. La traducción al inglés de su libro sobre el tema apareció en 1938 con el título de The Origin of Life y causó gran impacto. En esta obra se revisaban y ampliaban hipótesis que Oparin originalmente había publicado en una revista rusa poco conocida, la Proiskhjozdenic Zhizny. Este científico proponía que, después de la formación de la atmósfera primitiva de la Tierra, se había producido una serie de eventos químicos que aumentaron la complejidad de las moléculas existentes, determinando que moléculas primitivas se transformaran en estructuras coloidales llamadas "coacervados" de los que habría surgido una nueva organización de la materia: la vida. (Los coloides son suspensiones de partículas cuyo diámetro puede variar desde una milésima hasta diez millonésimas de milímetro. La asociación de estas partículas entre sí y con parte del solvente forma minúsculas gotas llamadas coacervados.) Según Oparin, este largo proceso de generación espontánea de la vida podría (y debería) ser reproducido en el laboratorio.


Esta hipótesis chocaba, sin embargo, con un obstáculo difícil de superar. En efecto, si bien era probable que se hubieran formado estructuras coloidales análogas a los coacervados, las cuales podrían haber estado constituidas por la asociación de macromoléculas, tal vez de estructura proteica y con capacidad de acelerar determinadas reacciones químicas sin sufrir por ello cambios permanentes (capacidad catalítica), resultaba muy difícil de explicar cómo habrían desarrollado esas estructuras un código genético. Por ello, la hipótesis de los coacervados fue paulatinamente abandonada, aunque la filosofía de Oparin sobre la evolución química todavía sirve de base para todos los estudios sobre el origen de la vida.

El polímero primordial
En 1951, una nueva hipótesis sobre el origen de la vida fue propuesta, con escaso eco en la comunidad científica, por el físico inglés John Bernal. Según esta teoría, una entidad molecular podría definirse como viva si poseyera dos propiedades: capacidad de acumular información genética y capacidad de producir copias de su propia estructura. El metabolismo de este primer ser vivo —el "polímero primordial"— consistiría únicamente en esa capacidad de generar, autocatalíticamente, copias de sí mismo. (Un polímero es una molécula formada por la unión de muchas moléculas más pequeñas llamadas monómeros.) Los errores producidos durante la autoduplicación podrían dar lugar a variedades con mayor resistencia a la destrucción o con mayor capacidad de reproducción y la selección natural —a nivel molecular— favorecería a estas variedades por su capacidad de adaptarse mejor al ambiente. Asi, la hipótesis de Bernal predecía la aparición de vida en forma de "polímeros autorreplicables", que habrían surgido antes de la aparición de microorganismos separados del medio externo por una membrana. ¿Cuáles podrían ser estos polímeros? Los candidatos naturales eran las proteínas (cadenas de moléculas pequeñas, los aminoácidos, ordenados en una secuencia determinada) o los ácidos nucleicos, el ARN y el ADN (véase "ADN, una molécula maravillosa" en Ciencia Hoy, vol. 2, n° 8, págs. 26-35 y la figura 1).

Fig.1. Esquema de la estructura química del ARN. El hexaedro, que representa al azúcar ribosa, contiene oxígeno en el vértice que ocupa la posición superior en el dibujo. Cada uno de los otros vértices contiene un átomo de carbono que no está representado. Los carbonos que constituyen la ribosa se numeran de 1 a 5 siguiendo la dirección de las agujas del reloj a partir del vértice que se encuentra a la derecha del oxígeno y terminando en el carbono que se une al vértice ubicado a la izquierda del oxígeno. La ribosa se une a una base (éstas pueden ser las bases pirimidínicas uracilo y citosina o las purínicas adenina y guanina) formando un ribonucleósido. Éste une el fosfato al carbono que ocupa la posición 5 en la ribosa para formar un ribonucleótido. Los ribonucleótidos se asocian entre si (se polimerizan) porque el fosfato de uno de ellos se une al carbono que ocupa la posición 3 en la ribosa de otro ribonucleótido. Los distintos ARN difieren entre sí por el número de ribonucleótidos que los forman y por el orden (secuencia) de sus bases. En el ADN la ribosa resulta reemplazada por desoxirribosa y la base pirimidínica uracilo por timina).



Sin embargo, es difícil asignarle a cualquiera de ellos la función de polímero primordial. Las proteínas actúan como excelentes catalizadores, pero son incapaces de acumular información genética, ya que una proteína no puede guardar la información necesaria para la síntesis de otra. Por su parte los ácidos nucleicos (ARN y ADN) almacenan información genética, pero necesitan para duplicarse de enzimas, vale decir de proteínas con actividad catalítica. Entonces, ¿cuál de estos polímeros habría surgido primero en el planeta, los ácidos nucleicos o las proteínas? Hasta el comienzo de la década del '80 este problema (del tipo "el huevo y la gallina") no parecía tener solución. En los últimos años, sin embargo, una serie de evidencias parecieron indicar que el polímero primordial autorreplicable podría ser un ácido nucleico, más específicamente un ácido ribonucleico (ARN) y no una proteína.

Debe señalarse que el grupo del biofísico Sidney Fox, de Florida, EE.UU., cree aún ahora que las proteínas (o ciertas estructuras parecidas a ellas a las que llaman "polímeros proteinoides") podrían haber sido los polímeros primordiales. Sin embargo, este grupo ha intentado en vano probar su hipótesis estudiando, desde mediados de la década del '50, los mecanismos de polimerización de aminoácidos a altas temperaturas en medios similares al ambiente volcánico de la Tierra primitiva. Fox ha observado que, en estas condiciones, mezclas que contienen igual número de moléculas de cada uno de más de 15 aminoácidos diferentes generan una gran cantidad de polímeros proteinoides en los que se observa el predominio de algunos tipos de aminoácidos sobre el resto, índice de que la polimerización no se produce totalmente al azar. Estos experimentos, si bien fueron importantes porque los proteinoides así obtenidos tenían capacidad catalítica, han sido insuficientes hasta ahora: a pesar de que la polimerización térmica no ocurre totalmente al azar, el principio de orden que esto implica es insuficiente para conferir a los proteinoides mecanismos eficientes de acumulación y transmisión de la información genética. Por lo tanto, ya que no pueden reproducirse eficazmente, las proteínas no tienen ninguna posibilidad de constituirse en los polímeros primordiales.

En lo que se refiere al ADN, los problemas son diferentes. Como el ARN, el ADN también requiere de proteinas para autoduplicarse, de modo que en el ambiente primitivo de la Tierra, los hipotéticos ADN primordiales no podrían haber servido de molde para ser copiados sin el auxilio de enzimas. Además, los desoxirribonucleótidos (las unidades que al unirse entre sí constituyen el ADN) son producidos por los seres vivos actuales a partir de los ribonucleótidos (las unidades que al unirse entre sí constituyen el ARN), lo que indica que el ADN debe haber aparecido mucho más recientemente que el ARN en el curso de la historia evolutiva de la Tierra. Por otra parte, el ADN es más resistente que el ARN a la descomposición por hidrólisis (en el caso del ADN la hidrólisis es la separación de los desoxirribonucleótidos que lo constituyen por incorporación de agua) y esto haría más difícil el reciclaje de monómeros (desoxirribonucleótidos) a partir de los polímeros descartados por la selección natural. Los hechos enunciados sugieren que resulta poco probable que haya ocurrido una colonización del ambiente acuático primordial de la Tierra a través de moléculas autorreplicables de ADN.

Una vez que se hubo excluido a las proteínas y al ADN, se pasó a explorar la posibilidad de que el polímero primordial fuera el ARN. Los trabajos que iniciaron en los años '70 los grupos liderados por los científicos estadounidenses Thomas Cech y Sidney Altman, quienes fueron laureados por ello con el Premio Nobel en 1989, ampliaron las fronteras de la química del ARN y modificaron profundamente los conocimientos científicos acerca del origen de la vida. Cech y sus colegas verificaron, en la Universidad de Colorado, que determinadas secuencias del ARN de ciertas bacterias eran capaces de acelerar la velocidad de algunas reacciones. En otras palabras, descubrieron que el ARN podía comportarse como una enzima. Cech llegó a bautizar a su ARN con el nombre de "ribozima", es decir una enzima constituida por ácido ribonucleico.

En 1981, Cech publicó en la revista Cell la demostración de que determinada secuencia de ribonucleótidos de una forma de ARN ribosomal llamado 26S podía ser separada, en el protozoario Tetrahymena termophila, del resto de la molécula. Este tipo de proceso es conocido por los científicos como splicing del ARN. Los autores utilizaron ARN ribosomal purificado y observaron que el splicing ocurría tanto en presencia de un extracto del núcleo del protozoario, que contiene las enzimas responsables de la catálisis del splicing, como en ausencia de ese extracto y por lo tanto de estas enzimas (véase la revista Cell, volumen 27, 1981, págs. 487-499).

El mundo de los ARN
Recientemente el equipo de J. Doudna y J. Szostak observó que entre las reacciones catalizadas por el ARN figuraba su propia duplicación. De modo que el ARN sería capaz de copiarse a sí mismo utilizando sólo componentes pertenecientes a su propia estructura. Como un polímero con capacidad de reproducción puede ser ubicado en el límite entre los organismos vivos y la materia inanimada, muchos investigadores llegaron a pensar que la vida en la Tierra se había iniciado a partir de ARN o de estructuras muy semejantes a él.

Por su parte, el equipo de Sidney Altman realizó otro descubrimiento importante en la Universidad de Yale. Comprobó que una enzima de la bacteria Escherichia coli, la ARNasa P, que participa en el procesamiento del ARN, está constituida por dos componentes: uno proteico y otro formado por ARN. El grupo de Altman verificó que ambos componentes debían estar presentes para que la ARNasa P expresara su actividad catalítica. Este descubrimiento fue publicado en 1978 en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Desde entonces la ARNasa P fue conocida por los científicos como una "enzima fósil" porque, como los organismos primordiales, asocia capacidad catalítica con capacidad de trasmitir información genética.

A su vez, en el Instituto Salk de San Diego, California, el grupo del bioquímico Leslie Orgel comprobó que determinados tipos de ARN (los polirribonucleótidos, constituidos por una sucesión de ribonucleótidos idénticos) son capaces de servir de molde para la oligomerización (síntesis de cadenas cortas constituidas por ribonucleótidos) en ausencia de enzimas de ribonucleótidos activados. Por ejemplo, estos investigadores demostraron que el polirribonucleótido policitosina puede servir de molde para la polimerización de la riboguanosina activada.

Un argumento adicional a favor del ARN es que todos los componentes que participan de la síntesis química del ARN ya han sido obtenidos en el laboratorio en condiciones que simulan el ambiente primitivo de la Tierra, mientras que a pesar de los esfuerzos realizados, no ha sido aún posible sintetizar en las mismas condiciones a la desoxirribosa, el azúcar componente estructural del ADN.

Frente a estos hallazgos parecía haberse resuelto el problema de "el huevo o la gallina" que perturbaba a los científicos. Si los ARN presentaran la adecuada actividad catalítica, o sea si pudieran funcionar como enzimas, ellos serían los polímeros capaces de desempeñar la función de enzimas primitivas y de duplicarse en ausencia de enzimas proteicas. La conclusión lógica era, entonces, que el ARN había aparecido en la Tierra antes que las proteínas. Las evidencias a favor del ARN resultaban tan contundentes que llevaron en 1986 a Walter Gilbert, de la Universidad de Harvard, a especular sobre la existencia de una fase evolutiva en la que los ambientes acuáticos de nuestro planeta habrían estado poblados por moléculas de ARN con las más variadas secuencias: era el "mundo de los ARN".


Fig. 2: Ejemplo de un proceso primitivo de combinación de tres diferentes moléculas de ARN. C representa a la citosina y U al uracilo; ambos son basees constituyentes de los ribonucleótidos. En una primera etapa se produciría la autoeliminación de las regiones que se presentan en rojo. En una segunda etapa, las nuevas moléculas de ARN así formadas (cada una de ellas constituida por seis ribonucleótidos) podrían asociarse entre sí para formar otras 33 moléculas con diferentes secuencias de bases. El número 33 resulta de excluir del total de 36 (6x6) secuencias posibles aquellaas tres que simplemente regenerarían las secuencias originales (ARN 1,2 y 3).

Según este modelo, los ARN serían capaces de autorreplicación y podrían poseer mecanismos de autoeliminación y autoinserción de secuencias. Sería así posible la aparición de una inmensa variedad de ellos, tanto por mecanismos de recombinación (véase la figura 2) como por errores en su duplicación. En el "mundo de los ARN" estos polímeros desempeñarían al mismo tiempo el papel de fenotipo y de genotipo (véase Nature, vol. 319, 1989, pág. 618). (El fenotipo es la expresión física de la información guardada en el mensaje genético o genotipo.)

Gilbert propuso también que, en una etapa ulterior de la evolución, los ARN habrían comenzado a sintetizar proteínas a partir de aminoácidos activados (como los aminoacil-adenilatos utilizados por los organismos contemporáneos para la síntesis de proteínas) y que con el transcurrir del tiempo esas proteínas habrían adquirido una mayor capacidad catalítica que la del ARN. En una etapa ulterior la función de almacenar la información genética habría sido transferida del ARN al ADN mediante un proceso aún no esclarecido.

El modelo del "mundo de los ARN" parecía perfecto hasta que, a fines de los años '80, los científicos volvieron a tener dudas en relación con la hipótesis de que el ARN habría sido la primera estructura autorreplicable del planeta. La crítica fue formalizada principalmente por Robert Shapiro de la Universidad de Nueva York y por Gerald F. Joyce del Research Institute de la Scripps Clinic (en La Jolla, California). Todo comenzó cuando estos científicos decidieron formular la siguiente pregunta: ¿puede el ARN, con todos sus componentes, ser sintetizado en las condiciones primitivas a una velocidad mayor que la de su destrucción por la radiación ultravioleta, por hidrólisis o por su reacción con otras moléculas del ambiente? La respuesta fue que ello no era posible (cf. Origins of Life, vol. 18, 1988, págs. 71-95, y Nature, vol. 338,1989, págs. 217-224).

Ante esta actitud crítica, los científicos comenzaron a analizar las dificultades que presentaba el camino de la síntesis primitiva del ARN (véase "La síntesis primitiva del ARN"). El rendimiento final de una síntesis de ARN que hubiera partido de gases y de fosfato sería increíblemente bajo, de modo que, aunque la síntesis fuera posible en el ambiente de la Tierra primitiva, ese proceso de evolución química daría lugar a cantidades muy pequeñas de ARN. Aparte del muy bajo rendimiento quedaría otro serio obstáculo para la aparición del "mundo de los ARN": en las condiciones primitivas ocurriría una fuerte inhibición de la duplicación debido a la presencia de mezclas que contendrían los dos isómeros ópticos de los ribonucleótidos activados. (Los isómeros son moléculas que siempre presentan una misma composición atómica y un mismo peso molecular, pero que tienen diferentes configuraciones geométricas. En el caso de los isómeros ópticos, esta diferencia geométrica les confiere la propiedad de producir una distinta rotación del plano de polarización de un haz de luz polarizada que los atraviese, de ahí la denominación de "ópticos". Sólo uno de los dos isómeros ópticos de los ribonucleótidos está presente en el ARN.)

De ese modo, volviendo al ejemplo del experimento de Leslie Orgel, la formación de policitosina utilizando como molde a la poliadenosina sería fuertemente inhibida por la presencia de una mezcla formada por la misma cantidad de los isómeros ópticos de la riboguanosina activada. Como en los ambientes primitivos deben de haber existido mezclas de este tipo, puede inferirse que el ARN habría tenido grandes dificultades para reproducirse.

Los falsos ARN
Dificultades como las mencionaas están llevando a los investigadores a buscar otro polímero primordial autorreplicable. Este podria ser, tal vez, muy semejante al ARN pues se piensa que habrían existido sustancias de comportamiento semejante, o sea "análogos del ARN". Existen muchas sustancias de este tipo; en la figura 3 se representan algunos análogos de ribonucleósidos en los que otros compuestos ocupan el lugar del azúcar ribosa.


Fig. 3. Comparación de un ribonucleósido "verdadero" a) con análogos "primitivos". En éstos, el azúcar ribosa es reemplazado por otros compuestos: el glicerol (b), la acroleína (c) y el eritrol (d).

La atención se concentró en un determinado tipo de análogos del ARN que podrían existir en los ambientes acuáticos de la Tierra primitiva: los aciclonucleósidos derivados del glicerol. (El prefijo " aciclo" indica que el compuesto que reemplaza a la ribosa carece de la estructura cíclica cerrada en anillo de la ribosa, como se observa en la figura 1). Estos compuestos podrían haber sido formados en dos etapas: primero por la condensación del glicerol con formaldehído y la generación de hemiacetales y luego por la reacción de estos hemiacetales con bases nitrogenadas. En el ambiente primitivo, la incorporación de fosfato a partir de polifosfatos podría haber generado análogos de los ribonucleótidos.

Un aspecto que hace atractiva esta hipótesis lo constituye el hecho de que la estabilidad del glicerol es muy superior a la de la ribosa, lo que puede haber permitido su acumulación en los ambientes acuáticos de la Tierra primitiva en cantidad suficiente como para formar los aciclonucleósidos. Una ventaja adicional es que estos compuestos no tienen isómeros ópticos "indeseables". Los aciclonucleótidos pueden polimerizarse (generando análogos del ARN) y formar los moldes necesarios para la autorreplicación de estos polímeros. Procesos similares pueden haber ocurrido con otros tipos de análogos del ARN.

Por esa razón, el problema que hoy preocupa a los investigadores es determinar cómo se pasó del "mundo de los análogos del ARN'' al "mundo de los ARN". Quizá, los primeros análogos del ARN estaban compuestos de diferentes variedades de análogos y podrían contener, incluso, algunos "auténticos" ribonucleótidos. La selección natural en el "mundo de los análogos del ARN" debe haber favorecido aquellos polímeros que presentaban una mejor relación entre capacidad de autoduplicación y resistencia a la destrucción.

En un plazo corto en términos de la evolución (no más de 0,4 eones) se habrían ido seleccionando progresivamente aquellos polímeros con mayor cantidad de "auténticos" ribonucleótidos. De ese modo, poco a poco, habría aparecido el "mundo de los ARN". En el curso de este proceso, los análogos del ARN habrían iniciado la síntesis de las primeras proteínas por mecanismos muy primitivos. Las primeras proteínas podrían haber desempeñado una función importante en la selección positiva de los ARN.

A partir de esta etapa se entra en un campo altamente especulativo, que carece prácticamente de sustento experimental. Hay por lo tanto mucho que trabajar para reconstruir el largo camino que la evolución ha seguido desde los primeros análogos del ARN hasta los organismos más complejos que contienen ADN como molécula que guarda y transmite la información genética.