Génesis (II): el origen de la vida

Segunda entrega de la serie de artículos dedicados al Génesis del Universo, en este post hablamos del origen de la vida, desde la materia inerte, y de su evolución, siempre usando a la vez ciencia y filosofía, además de un poco de imaginación y quizá también un poco de intuición para enunciar hipótesis y llegar más lejos en nuestra búsqueda del conocimiento.

¿Qué entendemos por "vida"?

Los seres vivos tienen las capacidades de nacer/generarse a partir de otro ser vivo, crecer/desarrollarse, alimentarse del medio ambiente y responder a sus estímulos, reproducirse/generar réplicas de si mismo y degenerar/morir, aunque esta última capacidad no se da en los seres unicelulares más simples, que son virtualmente inmortales.

Si retrocedemos en el tiempo algunos miles de millones de años nos encontramos con un planeta Tierra sin vida; ¿de dónde surgió? Evidentemente surgió de la materia inanimada, pues no había otra cosa (aquí no hablamos de Religión, evidentemente), así que tenemos que concluir que la materia inerte es capaz de generar vida, si se dan las condiciones adecuadas, una conclusión impresionante, que no todo el mundo es capaz de aceptar. Así que ya tenemos respondido el ¿de dónde?, pero nos falta el ¿cómo? y la más difícil, el ¿por qué?

Generación al azar de sistemas complejos

El el primer artículo de la serie: "Génesis (I): El Big Bang", dimos un ejemplo muy simple de sistema que, de forma autónoma, evoluciona de lo simple a lo complejo; sólo necesita unos bloques simples de construcción, unas pocas reglas de combinación de bloques y un impulso inicial.

Formación de figuras compuestas por agregación: inicialmente disponemos algunas figuras simples moviéndose al azar de tal forma que si chocan entre ellas en unas determinadas condiciones entonces quedaran fusionadas. Al cabo de cierto tiempo esperaremos que se hayan formado figuras más complejas, en un proceso continuo. El azar "asegura" la agregación.


Incluso siendo tan extremadamente simple, ese modelo muestra algunas de las características que tiene nuestro Universo: genera formas complejas a partir de elementos simples usando combinaciones al azar; así, pasó de la energía pura a las partículas elementales, de éstas a los átomos, de éstos a las moléculas, de las moléculas a la materia, y de la materia, por agregación, a los objetos masivos del cosmos. En todo este proceso de "complexificación" se utilizan no sólo objetos sino también reglas de combinación: las que denominamos leyes de la Naturaleza, como el electromagnetismo o la gravedad.

Un poco de Bioquímica


Así, después de miles de millones de años de combinaciones de elementos simples, llegamos a un planeta Tierra que contenía todo lo necesario para generar vida: los materiales y las condiciones iniciales adecuadas. Por exactamente el mismo proceso aleatorio de combinaciones de elementos químicos, en algún momento en la Tierra se generaron las moléculas que denominamos orgánicas de entre las cuáles destacaremos los aminoácidos.

Ácido Málico, tiene diversas funciones en la bioquímica de nuestro cuerpo


Más tarde, por combinación de aminoácidos, se formaron proteínasmacromoléculas complicadas que son parte fundamental de cualquier ser vivo

Proteína: una cadena larga de aminoácidos ensamblados (Wikipedia Common)

Sistemas que se copian a sí mismos

En las proteínas encontramos una novedad importante: la capacidad de replicarse a sí mismas a partir del material del medio ambiente, que es una de las características que tienen los seres vivos. Simplificando al máximo, lo podemos entender con otro sistema de figuras que se mueven al azar y se combinan entre si, cambiando las reglas: cuadrados y círculos en movimiento pueden unirse, y a veces estaban unidos y se separan; cuando esto último sucede, quedan libres para unirse a otras figuras del entorno, resultando más figuras compuestas:

Dos figuras A, B que estaban unidas formando una figura compuesta AB, eventualmente se separan, y vuelven a unirse cada una por separado con otras figuras afines, formando dos figuras compuestas semejantes a la original, la cual se ha "reproducido"

Fijémonos bien en que esta reproducción de objetos (tanto para figuras simples como para proteínas) sigue siendo producto del azar; esto fue así antes de la aparición de la vida en la Tierra, hace quizá unos 3.000 millones de años.  Pero para que pudiera surgir la vida era necesaria la aparición de propiedades nuevas de las proteínas: es necesario que la proteína pueda duplicarse a sí misma pero del todo insuficiente para generar seres vivos.

Aparecen las enzimas: acelerando  la creación de proteínas

Una primera y necesaria "mejora" fue la aparición de un tipo de proteínas, llamadas enzimas, que aceleran (en lenguaje técnico, catalizan) reacciones bioquímicas; sin las enzimas la producción de nuevas proteínas podría ser demasiado lenta para las necesidades de un ser vivo, gracias a las enzimas la velocidad se incrementa drásticamente. Además, las enzimas son tremendamente específicas: una enzima en particular sólo afectará a una única reacción química, con unos determinados elementos químicos en juego. 

Consideremos un momento este punto: en la industria química se usan habitualmente catalizadores para producir productos químicos a gran escala, y esto ha sido así gracias a décadas de investigación; lo que estamos diciendo aquí es que la Naturaleza produjo, por combinaciones al azar, unos catalizadores especiales para proteínas, llamados enzimas, que son mucho más eficientes que los catalizadores industriales, y además mucho más específicos, lo que quiere decir que sólo aceleran una reacción concreta, pueden "reconocer" si los elementos químicos son exactamente los que la enzima cataliza, cualquier pequeña variación en una de las moléculas que intervienen en la reacción química hará que la enzima la ignore, lo cual es de gran importancia para la compleja química de la vida: gran eficiencia y especificidad. Si hasta ahora no era demasiado sorprendente que se generaran moléculas complejas al azar, a partir de las enzimas comienzan las maravillas, y veremos que llegaremos a un punto de la evolución realmente asombroso. Aunque no hay ninguna "magia" en las funciones enzimáticas, que pueden ser explicadas por la química en términos de geometría molecular, afinidades, niveles de energía, etc. Lo que llama la atención es la aparición espontánea de proteínas específicas que catalizan la creación de otras proteínas ... ¡es como si las proteínas existentes en ese remoto pasado en la Tierra "decidieran" mejorar su sistema reproductivo creando otra proteínas especializadas para ello!

Así pues, aquellas proteínas que se "encontraron" con enzimas específicas se multiplicaron mucho más rápidamente que las que no disponían de enzimas; como consecuencia, con el tiempo las primeras fueron mucho más frecuentes que las segundas. Recordemos que las propias enzimas son también proteínas, así que fue una "cooperación" entre proteínas la que llevó al predominio de algunas de ellas sobre las demás.

Además de la velocidad de creación, las enzimas tuvieron otro efecto: posibilitar la creación de proteínas más complejas; como más grande y complicada es una molécula, más lenta será su generación y también más poco probable que se genere al azar; en cambio con la ayuda de las enzimas se facilita la generación de macromoléculas.

Se cree que gracias a la ayuda de los enzimas se desarrollaron proteínas auto-replicadoras cada vez más complejas, hasta llegar a la generación del ARN, y posteriormente, a partir de éste, al ADN.

Información para la replicación, mutaciones y evolución

Como es sabido las moléculas de ADN tienen la propiedad de ser capaces de almacenar una enorme cantidad de información, lo que las convierte ya no en simples proteínas auto-replicantes, sino en auténticos "planos de construcción" de otras muchas proteínas. El proceso por el cual se codifica esta información y se descodifica es complejo y especializado, no lo detallaremos aquí. 

A partir de la aparición del ADN fue posible que un organismo complejo se replicara a sí mismo sin errores; toda la composición molecular del organismo se codifica en su ADN, el metabolismo del organismo utiliza la información de su ADN para generar todas las proteínas que necesita para su construcción. 

Aunque pueda parecer increíble que todas esta maravillosa maquinaria bioquímica de replicación pueda generarse espontáneamente, todas las evidencias apuntan a que así fue realmente. 

Aunque la replicación de las proteínas, guiada por las instrucciones del ADN, es altamente precisa, siempre pueden producirse errores; quizá en una de cada diez millones de replicaciones se produce un error: se genera una proteína mutante, la cual a su vez "intentará" replicarse, creando una nueva especie de proteínas; el que lo consiga o bien se extinga dependerá de sus características y de su medio ambiente. Lo mismo puede decirse para organismos complejos: su ADN mutará ocasionalmente, generando organismos mutantes, que pueden perdurar o no; en este caso ya hablamos de selección natural, el proceso por el cual se "seleccionan" las especies, tanto originales como mutantes, que perduraran. 

Pero esta es una historia bien conocida y documentada; en este blog nos interesan más las implicaciones de este proceso de génesis y evolución respecto al conocimiento en sentido amplio.  Preguntas como ¿cuál es la probabilidad de que un proceso aleatorio como el descrito llegue a generar seres tan complejos como los actuales? ¿hay un plan en todo esto? ¿puede haber vida generada por un camino evolutivo diferente, o es el único posible? Las abordaremos en el tercer artículo de esta serie.





Comentarios

  1. yo sigo la teoría biológica: la vida surgiría del caldo primordial...

    ResponderEliminar

Publicar un comentario

Entradas populares de este blog

La simetria en Matemáticas y en Física

La probabilidad en la Física

La conjetura de Hodge para “dummies”