El enigma de la vida en la Tierra

¿Cómo surgieron de la materia inerte seres complejos, capaces de autorreplicarse, evolucionar y hasta pensar? ¿Llegaron del espacio o se cocinaron aquí en la Tierra? Responder a estas preguntas constituye un quebradero de cabeza para la ciencia.

POR CARLOS BRIONES, investigador del Laboratorio de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología (Madrid)

Química prebiótica

U na de las experiencias más grati-ficantes es observar el cielo estre-llado durante una noche despeja-da. Cuando nuestros ojos logran captar la inmensidad de la bóveda

celeste, sobrecogidos por esa banda luminosa e irregular que marca el plano de nuestra ga-laxia, comienzan a surgir las preguntas: ¿esta-mos solos en el universo? ¿De dónde venimos? ¿Quiénes somos? Es muy probable que esas mismas cuestiones ya resonaran en los cere-bros de los primeros humanos y sigan acom-pañando a nuestros descendientes mientras evolucionan en este planeta… o quizá en otro.

Reflexionar sobre la posibilidad de que exis-ta vida fuera de la Tierra o analizar nuestras opciones para sobrevivir en otros mundos tie-ne mucho que ver con plantearnos cómo pu-do surgir la vida y cuáles son sus límites. Las primeras aproximaciones racionales se pro-dujeron en Grecia, hace dos milenios y medio. Allí, los filósofos presocráticos formularon una hipótesis conocida como generación es-pontánea, según la cual los seres vivos surgían sin más de la materia no viva. Por ejemplo, los

pulgones nacían del rocío que humedece las plantas por la mañana y las moscas brotaban de la carne en descomposición. Hoy sabemos que estas ideas no tenían ninguna base cientí-fica, pero hasta el siglo XIX no se refutaron de forma definitiva, gracias a unos experimentos muy clarificadores llevados a cabo por Louis Pasteur. Este brillante microbiólogo puso de manifiesto que todo ser vivo procede de otro ser vivo. Como resultado, quedaba flotando en el aire otra pregunta muy sugerente: ¿có-mo surgió el primero?

POR SELECCIÓN, NATURALMENTE. En 1859, precisamente el mismo año en que Pas-teur demostró que la generación espontá-nea no existe, el gran naturalista Charles R. Darwin publicó su famoso libro El origen de las especies, en el que afirmaba que la evo-lución por selección natural es el motor de la vida. En su último párrafo, planteó algo revolucionario para su época: todos los seres vivos podrían derivar “de un corto número de formas o de una sola”. Darwin volvió a reto-mar esta idea en su obra La variación de los

Durante su infancia, la Tierra fue un lugar hostil, acribillado por meteoritos, como recrea la ilustración principal. Sobre estas líneas, uno de sus prime-ros habitantes: bacteria fosilizada –en amarillo– con más de 3.000 millones de años de antigüedad.

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animales y la plantas bajo domesti-cación (1868), donde destacaba la visión de que “pocas formas, o una única for-ma, hubiera sido creada originalmente, en lugar de en innumerables creaciones milagrosas”.

Tres años después, en una carta envia-da al botánico Joseph D. Hooker, el padre de la evolución propuso otra idea genial. Adelantándose a su tiempo, sugirió que la vida podía haberse iniciado en “una pequeña charca de agua templada que contuviera todo tipo de sales de fósforo y amonio, luz, calor, electricidad..., en la cual un compuesto proteico se formara químicamente y quedara listo para sufrir cambios aún más complejos”.

Con ello, debemos a Darwin los dos

planteamientos que barajamos para com-prender el origen de la vida, una cuestión compleja, ya que no hay evidencias direc-tas de cómo, dónde o cuándo se produ-jo. La estrategia que primero se exploró es la planteada en esa carta de Darwin a Hooker. Se conoce como del pasado ha-cia el presente o de abajo hacia arriba, y consiste en partir de la química que tal vez existió en la Tierra primitiva e inten-tar proponer reacciones que condujeran a la aparición de los seres vivos.

CUÁNDO EMPEZÓ TODO. Hoy sabe-mos que el sistema Tierra-Luna se originó hace unos 4.570 millones de años (Ma) y que hace unos 4.400 Ma tanto la corteza terrestre como los océanos de agua líqui-

da ya estaban formados. Se considera que durante los siguientes 400 Ma nuestro planeta recibió relativamente pocos im-pactos de meteoritos y núcleos de come-tas, por lo que quizá pudieron comenzar en esa época tan temprana las reacciones químicas que originaron la vida.

Tal posibilidad estaría favorecida por el reciente hallazgo, en rocas de 4.100 Ma de antigüedad, de cristales de zircón que contienen diminutos gránulos de grafito en los que la relación entre los isótopos –átomos de un mismo elemento cuyo núcleo contiene distinto número de neu-trones– del carbono apoyaría que su ori-gen pudo ser biológico. ¿Quiere esto de-cir que la vida ya existía hace 4.100 Ma? Aún no podemos saberlo, ya que también

Si es impresionante la variedad de se-res vivos que pueblan el planeta, más impactante es el hecho de que todos

provenimos de un antepasado común. Es decir, formamos parte de una misma familia.

La existencia de este ancestro común, de-nominado progenote o LUCA, fue demostra-da por Carl Woese y colaboradores a partir de los 70, gracias al análisis comparativo de determinados genes en todas las especies conocidas. Así, se corroboraba la idea pro-puesta por Darwin más de un siglo antes. LU-CA vivió entre los 3.850 y 3.500 millones de años, antes de que los microorganismos evolucionados dejaran sus huellas fósiles.

A partir de esta especie, se dividieron los tres grandes grupos de seres vivos: bacte-

rias, arqueas y eucariotas. Los dos prime-ros, habitantes mayoritarios de nuestro pla-neta, son procariotas, organismos unicelulares que carecen de núcleo. Por su parte, los eucariotas son seres vivos uni o pluricelulares cuyas células poseen orgá-nulos especializados y un núcleo diferen-ciado que contiene la mayor parte del ma-terial genético. Incluyen protistas, plantas, hongos y animales.

De ADN a proteínas. LUCA está, como es evidente, extinta. Por tanto, resulta imposible estudiarla directamente. Aun así, se pueden acotar muchas de sus propiedades tras com-parar los organismos actuales a nivel mole-cular y aplicar la lógica evolutiva. Sabemos que era unicelular y sin núcleo, quizá similar

en complejidad a los procariotas actuales. Su información genética ya se expresaba en el sentido DNA-->RNA-->proteína, lo que des-de entonces ha caracterizado toda la vida celular. Se está estudiando cómo podría ser su genoma, aunque las pruebas por el mo-mento apuntan a un número de genes com-prendido entre los seiscientos y los mil.

Además, la emergente biología sintética está tratando de construir sistemas proto-celulares muy sencillos capaces de auto-rreproducirse y evolucionar, lo que podría sugerirnos mecanismos que quizá la natu-raleza exploró en su camino hacia LUCA. Así, dado que será muy difícil conocer el origen de la vida, tal vez sea más fácil rein-ventarlo en el laboratorio.

LUCA, el antepasado común de todos los seres vivos

Estromatolitos de la bahía austra-liana de Shark. Algunos fósiles de estas rocas sedi-mentarias, forma-das por la actividad de cianobacterias, tienen hasta 3.500 millones de años de antigüedad.

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se conocen sistemas no biológicos que podrían explicar tales datos isotópicos.

Pero hasta hace 3.850 Ma nuestro pla-neta estuvo sometido a distintas épocas de bombardeo masivo de meteoritos y cometas, lo que quizá esterilizó la super-ficie terrestre y eliminó formas de vida eventualmente originadas con anterio-ridad. Por otra parte, en rocas de unos 3.500 Ma de antigüedad encontradas en Australia y Sudáfrica se han detectado fó-siles –aunque para algunos autores serían formaciones de naturaleza inorgánica– de tamaño microscópico, cuyas morfolo-gías podrían corresponder a bacterias.

Asimismo, diferentes rocas de similar edad, halladas en las mismas regiones geográficas, contienen otro tipo de fósi-

les, los denominados estromatolitos. Se trata de láminas mineralizadas de mi-croorganismos que, en aquella era remo-ta, formaban comunidades microbianas parecidas a las que actualmente deno-minamos tapetes microbianos. En ellos, distintas especies interaccionan entre sí y establecen relaciones ecológicas.

Por tanto, la química de la vida pudo dar sus primeros pasos hace 4.400 Ma, cuan-do ya existían los dos ingredientes que consideramos imprescindibles: agua en estado líquido y moléculas sencillas com-puestas por carbono. Además, aunque hace 3.850 Ma nuestro planeta no estuvo lo suficientemente tranquilo como para que la vida progresara en él, las evidencias fósiles muestran que 350 Ma después los

organismos vivos ya habían surgido y se habían diversificado.

En los años 20, sin conocer aún estos márgenes temporales, los primeros que plantearon modelos de cómo pudo sur-gir la vida a partir de la química existen-te en la Tierra fueron el bioquímico ruso Alexander I. Oparin y el biólogo evolutivo británico John B. S. Haldane.

SORPRESA EN EL LABORATORIO. Su legado lo recogió el químico norteameri-cano Stanley L. Miller, quien, bajo la su-pervisión de su profesor, Harold C. Urey, realizó en 1953 un famoso experimento: mezcló en un matraz cerrado y esteriliza-do los gases considerados entonces como constituyentes de la atmósfera primigenia –metano, amoniaco, hidrógeno y vapor de agua– y los sometió a descargas eléc-tricas para simular los aportes de energía de las tormentas y el vulcanismo.

Al cabo de unos días, la reacción ha-bía formado aminoácidos como los que constituyen las proteínas, junto con otras moléculas orgánicas propias de los seres vivos. Con ello, se demostraba que los pri-meros pasos hacia la vida solo requirieron la existencia de moléculas sencillas y una fuente de energía para que reaccionaran.

Durante las últimas décadas, se está discutiendo si la atmósfera de la Tierra

Las primeras formas vivas solo necesitaron una atmósfera de moléculas sencillas y una fuente de energía

Realizado en 1953, marcó un hito al demostrar que, tras aplicar una fuente de energía a una mezcla de moléculas esenciales, podían crearse aminoácidos, los ladrillos de la vida.

El gran experimento de Harold Urey y Stanley MiIler

Harold C. Urey (1893-1981),

Nobel de Química, era

profesor de Miller.El químico californiano Stanley Miller, en su laboratorio (1953).

J. Whitfield, G. Caetano y M. Seufferheld buscan a LUCA en la Universidad de Illinois (EE. UU.).

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ILUSTRACIÓN: JOSÉ ANTONIO PEÑAS

Cámara de descargas

Condensadorde agua fría

CH4 NH3

NH2 H2O

Cámara deebullición

DecantadorFuego

2. El vapor esti-mula la circula-

ción de los gases por el alambique

de destilación.

1. El agua hirvien-do añade vapo-

res a una atmós-fera de

hidrógeno.

6. Al cabo de una semana, aparecen los aminoácidos.

5. Tras las descargas, los gases se enfrían, el va-por de agua se condensa y arrastra y disuelve lasmoléculas presentes.

4. Las descargas inte-ractúan con las molécu-las que debieron estar presentes en la atmósfe-ra de la Tierra primitiva.

3. Unos electrodos imitan la radiación solar y los rayos de una tormenta.

primitiva realmente contenía esos gases o si, por el contrario, incluía otros com-puestos como el monóxido o el dióxido de carbono. En este segundo caso, los la-drillos moleculares imprescindibles para la vida no se habrían formado eficiente-mente aquí: su origen sería extraterrestre. Habrían llegado a nuestro mundo en el interior de meteoritos y núcleos de come-tas. Además de sus resultados concretos, la obra de Miller fue fundamental porque inauguró un nuevo campo científico: la química prebiótica experimental.

LA PISTA DEL CIANURO. El segundo investigador clave en este ámbito fue el bioquímico español Joan Oró, quien en 1961 demostró que el cianuro de hidróge-no –un gas tóxico para nosotros– podía combinarse entre sí para formar adenina, parte clave de los nucleótidos o letras que componen nuestros ácidos nucleicos, esto es, el ADN y el ARN.

Así, gracias a los pioneros de la química prebiótica y a todos los científicos que des-de entonces trabajan sobre estos temas, ha sido posible plantear muchas reacciones con las cuales se originan las biomoléculas más sencillas –aminoácidos, nucleótidos,

azúcares o lípidos simples–, y también los biopolímeros formados por ellas, como las proteínas y los ácidos nucleicos. No obs-tante, desde la síntesis de estos compo-nentes moleculares hasta la formación del primer organismo plenamente viable se debió recorrer un largo camino, no abor-dable por la química prebiótica.

Si analizamos las características prin-cipales de los sistemas vivos conocidos, comprobaremos que todos son similares desde el punto de vista molecular y se ca-racterizan por combinar dos propiedades principales. En primer lugar, pueden re-producirse o autorreplicarse y generar descendencia. Gracias a ello, se transmite la información genética, pero el proceso de copia es siempre imperfecto y suele in-troducir cambios o mutaciones.

En consecuencia, los descendientes son todos distintos entre sí y, también, de la generación parental. Esto resulta clave, porque la biodiversidad generada per-mitirá respuestas diferentes frente a los

cambios ambientales. Ese es precisamen-te el motor de la evolución por selección natural: tendrán más descendientes los individuos –y las especies– que mejor se adapten al medio. Como segunda carac-terística, los seres vivos poseen metabo-lismo, es decir, un sistema de intercam-bio de materia y energía con su entorno. Dicha relación está mediada por mem-branas celulares, envolturas que definen los límites de la célula como un sistema abierto al trueque de sustancias.

DEL PRESENTE AL PASADO... Para in-vestigar sobre cómo pudieron surgir en-tidades químicas tan complejas, nos sirve la técnica enunciada en el párrafo final de El origen de las especies: “del presente hacia el pasado” o “de arriba hacia aba-jo”. Consiste en comparar los genomas o metabolismos de todos los seres vivos co-nocidos, bajo la premisa de que las carac-terísticas que más organismos comparten han de ser las más antiguas en la historia de la evolución. Con ello, ¿sería posible determinar si todos derivamos de un an-tepasado común, como sugirió Darwin?

La respuesta es afirmativa, aunque la existencia de esa especie –conocida como LUCA, por las siglas en inglés de último ancestro común universal– no pudo ser demostrada hasta finales de los 70. En consecuencia, se trata de observar el ár-bol de la vida y preguntarse qué procesos pudieron producirse entre sus raíces –las bases fisicoquímicas– y el punto más al-to de su tronco común –LUCA–, desde el que se produjo la diversificación de todas las formas de vida conocidas.

Con estas dos aproximaciones, se ha

Pese a la asombrosa diversidad de la biología terrestre, su base molecular es muy semejante

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De acuerdo con la teoría de la pansper-mia, las prime-ras formas de vida llegaron a la Tierra desde el espacio, a bordo de me-teoritos, como el que se es-trelló en Arizo-na y dio lugar al cráter Ba-rringer –abajo–.

avanzado mucho a la hora de plantear procesos que permitirían la transición entre la química y la biología. Por citar un ejemplo reciente, hace pocos meses, el químico británico John D. Sutherland propuso un modelo de química prebió-tica muy interesante –aunque aún en discusión– que permitiría originar to-dos los monómeros necesarios para las moléculas biológicas en un único en-torno geológico formado por moléculas de origen terrestre y las aportadas por distintos tipos de meteoritos. Así, se ha vuelto a poner sobre la mesa la hipótesis

de la panspermia molecular: parte de las moléculas de la vida o, incluso, organis-mos completos, podrían haber llegado a la Tierra en cometas o meteoritos.

Como vemos, cada respuesta suscita nuevos interrogantes. Por tanto, hemos de ser humildes y asumir que, quizá, nun-ca sepamos cómo se produjo el origen de la vida. O, mejor dicho, los orígenes, da-do que en el camino hacia la vida, sin du-da, la química hizo muchos experimentos en paralelo, aunque solo tengamos cons-tancia del que triunfó y dio lugar a toda la biodiversidad que nos rodea.

Entre estas cuestiones no resueltas, aún no sabemos cómo se eligió el tipo de los monómeros que forman las proteínas y los nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos, ni cuáles fueron las primeras moléculas con información genética de las que derivó el ARN –que dio origen al ADN–. Por su importancia en el proceso, la investigación de las capacidades genéti-cas y catalíticas del ARN ocupa a un buen número de laboratorios en todo el mundo.

LLEGA LA BIOLOGÍA SINTÉTICA. Por otra parte, se han dado los primeros pasos para postular cómo se pudieron combinar la información genética y el metabolismo en un sistema rodeado por una membra-na, de forma que se originara el primer ser vivo. En este sentido, la biología sintética podría depararnos sorpresas en el futuro, mientras se ocupa de generar sistemas biológicos –es decir, crear vida– a par-tir de sus ingredientes. De todos modos, tampoco hemos averiguado si el proceso que llevó de las primeras protocélulas a LUCA tuvo lugar en ambientes calientes o fríos, ni si las primeras células extraían la energía de las rocas, de la luz solar o de los compuestos orgánicos disponibles.

Para finalizar, aunque el agua y el car-bono se consideran imprescindibles para la vida tal como la conocemos, ¿podría esta misma química básica originar di-ferentes bioquímicas y, por tanto, seres vivos radicalmente distintos en otros lu-gares del cosmos? Si es así, ¿seríamos ca-paces de detectarlos y caracterizarlos con nuestros biosensores? ¿Serían también descendientes de LUCA? Si no, la vida se habría originado varias veces en entornos diferentes. Y, en caso afirmativo, ¿habrían sido ellos quienes emigraron de la Tierra o nuestro origen sería extraterrestre? e

¿Qué buscamos exactamente?

La persecución de vida extraterrestre requiere ponerse de acuerdo sobre un pequeño detalle: ¿qué es la vida?

Filósofos, pensadores, físicos, químicos, biólogos o geólogos han propuesto sus propias respuestas, desde Aristóteles a Alexander Oparin, Erwin Schrödinger, Carl Sagan, Christian de Duve o Richard Daw-kins. Pero todas las definiciones resultan parciales e incompletas, y el tema sigue siendo uno de los que suscitan mayor po-lémica.

Los díscolos: virus y priones. Una for-ma indirecta de contestar es repasar qué características generales poseen los seres vivos y no están presentes en los sistemas inertes. Es lo que hizo el bioquímico Gerald F. Joyce en su definición, adop-tada por el Instituto de Astro-biología de la NASA: “Un ser vivo es un sistema químico y

automantenido, que evoluciona como con-secuencia de su interacción con el medio”.

No obstante, aunque incluye a todos los organismos celulares, su descripción deja fuera entidades que se sitúan en el límite en-tre los sistemas vivos y los inanimados: virus, viroides, priones... También algunos geólo-gos van un paso más allá y consideran vivos algunos cristales inorgánicos capaces de autorreplicarse. Por último, se habla de la vi-da digital que poseen determinados progra-mas para reproducirse, evolucionar y com-petir por los recursos de hardware.

Quizá, no podremos defi-nir qué es hasta que no en-contremos otro ejemplo de vida fuera de nuestro plane-ta. Tal como comentaba iró-nicamente el químico Robert Shapiro: “¿Cómo definiría-mos lo que es un mamífero si el único mamífero que he-mos visto es una cebra?”.

El español Joan Oró fue el primero en sintetizar adenina, molécula esencial en el metabolismo celular, a partir del ami-

noácido glicina –izquierda–.

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Lynn Margulis y Dorion Sagan se hicieron la misma pregunta.