Teorías sobre la aparición de la vida

C. Darwin propuso en el "Origen de las Especies" que los organismos proceden unos de otros, y que las diferencias entre ellos, que potencialmente pueden dar lugar a especies nuevas, se consiguen con la selección natural actuando sobre la variabilidad de tales organismos. La teoría celular dice en uno de sus postulados que toda célula proviene de otra célula, y L. Pasteur aportó evidencias en contra de la generación espontánea en las células actuales, incluso para los organismos más simples. Sin embargo, hoy se acepta que las primeras células surgieron a partir de procesos físicos y químicos en los que estuvieron involucradas las moléculas que poblaron la Tierra primigenia. La primera célula se cree que se originó hace unos 4000 millones de años y, como no había células previas, tuvo que surgir a partir de moléculas orgánicas. Es una especie de generación espontánea, pero por un proceso largo, progresivo y complejo, a partir de moléculas simples que irían ganando complejidad en sus estructuras, en su composición y sobre todo en las interacciones de unas con otras.

La formación de moléculas orgánicas, su ganancia de complejidad, su organización en redes interactivas, su asociación con membranas celulares, la codificación de información en secuencias de ADN son eventos que debieron ocurrir en la Tierra primigenia y que llevaron a la aparición de las primeras células. Pero ¿cuáles fueron las moléculas relevantes y en qué momento algunas moléculas o conjuntos de moléculas adquirieron la capacidad de autorreplicarse, producir variabilidad por error y sufrir selección natural? Hay dos teorías principales que proponen un relato, basado en observaciones y datos experimentales, para explicar cómo se organizaron las moléculas orgánicas para dar lugar a las primeras células: el mundo ARN y el mundo metabólico.

Mundo ARN

Las moléculas candidatas para ser las primeras protagonistas de la evolución molecular que dio lugar a las primeras células podrían ser dos de las principales moléculas que componen hoy en día las células: ADN y proteínas. El ADN es un buen soporte para almacenar información, es muy estable y permite variabilidad, pero prácticamente es inerte y no tiene capacidad de autorreplicarse. Las proteínas tienen una alta capacidad catalítica, es decir, "hacen cosas", pero autorreplicar su secuencia de aminoácidos parece hoy en día inabordable. Entonces, ¿qué otra molécula podría ser la candidata?

Fue W. Gilbert en 1986 quien formuló la hipótesis en su forma actual de que el ARN debió ser la molécula clave en el origen de la vida. Las observaciones existentes que apoyan un papel privilegiado del ARN en el origen de la vida son las siguientes:

1.- Tiene capacidad catalítica. Las moléculas de ARN tienen capacidad de realizar reacciones bioquímicas. Por ejemplo, procesan a otros ARN como los mensajeros en sus procesos de maduración. Un descubrimiento trascendente es que el ARN es el principal responsable de la síntesis peptídica en los ribosomas, es decir, estaría en el centro de la síntesis proteica.

2.- Transporta información. El ARN es una secuencia de ribonucleótidos y es capaz de organizarse espacialmente de forma diferente según esa secuencia. Esto es así porque se producen asociaciones parciales por complementariedad entre algunos de los segmentos de su cadena (ver Figura 1). Por tanto tendríamos un genotipo, secuencia, y un fenotipo, organización espacial.

Figura 1. Esquema de la organización tridimensional de una molécula de ARN de transferencia. Esta secuencia de ribonucleótidos puede llevar dos tipos de información: la propia secuencia de bases y su organización espacial, condicionada por la complementariedad de bases entre regiones de la propia cadena. (Imagen tomada de wikipedia: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3d_tRNA.png).

3.- El ARN es un intermediario entre el ADN y las proteínas, tanto para codificar los genes como para la síntesis de proteínas, ARN mensajero y ARN de transferencia, respectivamente.

4.- Moléculas de ARN sometidas a condiciones controladas son capaces de evolucionar por autorreplicación de una manera similar a la evolución darwiniana.

5.- Ribonucleótidos como el ATP (trifosfato de adenosina) son las moléculas energéticas por excelencia de los seres vivos. Moléculas nucleotídicas como el NAD+ y el FAD son cofactores cruciales en muchas reacciones bioquímicas.

Todas estas observaciones hacen que el ARN pueda haber sido la molécula versátil necesaria en el origen de la vida. Algunos autores ven la gran cantidad de funciones que desempeñan los distintos tipos de ARN en la célula como una consecuencia del papel preponderante del ARN en la química prebiótica. Desde luego, bien desde el principio o más tardíamente, el ARN tuvo que asociarse con las proteínas (Figura 2), ambos tipos de moléculas co-evolucionarían, y finalmente las proteínas asociadas serían el resultado de la secuencia de nucleótidos del ARN, es decir, aparecería el código genético.

Figura 2. Asociación entre ARN y oligopéptidos, estableciéndose una fuerte dependencia entre ellos. Tomado de Vazquea-Salazar y Lezcano, 2018. Current Biology, 28: R208-R231.

Hay sin embargo puntos débiles en esta propuesta y argumentos alternativos. Los ribonucleótidos son difíciles de sintetizar en la naturaleza sin intervención celular y se degradan con facilidad si no están protegidos, aunque se ha demostrado que en presencia de minerales con boro y bajo ciertas condiciones plausibles en la Tierra de aquella época se pueden formar ribonucleótidos y con cierta estabilidad. Aun así, se producirían en muy pocas cantidades y las condiciones ambientales lo harían muy improbable. Y quedaría el enorme problema de ensamblarlos de manera útil. Aún nos quedaría otro obstáculo: la probabilidad de que por azar se forme un polímero con capacidad de autorreplicación es tan baja que algunos científicos desechan esta posibilidad.

Mundo metabólico

Las células de hoy en día tienen dos características importantes: la replicación y el metabolismo. La hipótesis del mundo metabólico sugiere que un proto-metabolismo como un sistema organizado de especies moleculares emergió y evolucionó antes, sin ninguna implicación de una molécula autoreplicante como el ARN. Fue una propuesta de A.I. Oparin, en los años 70 del siglo pasado, en la que sugería la existencia de los coacervados o complejos metabólicos en la química prebiótica que dieron lugar a las primeras células. De acuerdo a esta hipótesis de el “ metabolismo primero” surgieron organizaciones moleculares que se generaron de forma autónoma y tenían capacidad de evolucionar. Cada elemento de esa red era producido por otro elemento de la misma red, y todo el conjunto tuvo acceso a materiales y energía disponibles en el medio ambiente (Figura 3). Colectivamente, el sistema era autocatalítico.

Figura 3. Esquema sobre cómo funcionaría una primera organización autocatalítica de moléculas. Todas las moléculas se pueden originar de una molécula que ya está en el ciclo (flechas negras dentro de la línea discontinua), pero al mismo tiempo hay entrada de energía y materiales que ayudan a producir moléculas de ese ciclo (flechas verdes que entran en la línea discontinua). Por último, habría salida de energía o productos que podrían interaccionar con otras moléculas externas al sistema organizado (flechas celestes de salida de la línea discontinua). Modificado de Stweart 2019.

La fortaleza de esta hipótesis reside en que no es difícil generar reacciones químicas, incluso redes de reacciones químicas en medios abióticos. Además, no es necesario que exista una molécula difícil de formar y muy inestable, como es el caso del ARN, alrededor de la cual se generan reacciones químicas desde cero. La debilidad de este modelo reside en la gran dificultad que tienen estas redes de interacciones químicas para ganar complejidad.

De cualquier manera, en algún momento se tuvieron que incorporar a estas redes las moléculas que llevarían la información genética, ARN y ADN. Incluso, algunos autores sugieren que inicialmente estas cadenas de nucleótidos parasitaron estos sistemas metabólicos iniciales para luego pasar a controlarlos (ver la comparación de los dos modelos en la figura 4)

Figura 4. Las dos principales hipótesis que explican cómo se llegó a formar la organización molecular necesaria para la aparición de las primeras células. Arriba la teoría del mucho ARN sugiere que los polímeros de nucleótidos aparecieron primero, luego se asociaron con proteínas según un código genético y por último se generó el metabolismo. En el mundo metabólico, primero apareció un metabolismo primordial al que se asociaron posteriormente moléculas de ARN, y después las proteínas codificadas genéticamente. En este esquema no se incluyen a las membranas.
Imagen tomada de https://phys.org/news/2014-04-metabolism-early-oceans-life.html; licencia libre con propósito de educación.

LUCA

LUCA es el acrónimo de “last universal common ancestor”, es decir, el último ancestro común de todos los seres vivos, la población de la cual surgieron las dos primeras ramas de organismos: arqueas y bacterias. Se supone que ya era una célula bien formada, probablemente parecida a una célula procariota actual. Ello no quiere decir que fuera el único tipo celular que existió en aquella época, sino que fue el único que dejó descendencia. No es difícil imaginar toda una diversidad de organizaciones moleculares, algunas más parecidas a protocélulas otras con organizaciones diferentes, que poblaban la Tierra primigenia. Es decir, organismos que podríamos considerar como vivos se originaron y diversificaron mucho antes de la aparición de LUCA.

¿Cómo era LUCA? Puesto que la fotosíntesis se descubrió más tarde, LUCA podría ser una célula que se alimentaba a partir de elementos inorgánicos y por ello se cree que fue quimiolitotrofa, es decir, era capaz de obtener energía a partir de minerales u otras sustancias inorgánicas. Más allá de eso es difícil imaginar a qué grupo de procariotas se parecía más.

Estudiando una serie de genes presentes en los procariotas actuales y estableciendo sus relaciones evolutivas, así como su historia evolutiva, se pueden hacer algunas inferencias. Por ejemplo, se pensó que LUCA debería haber sido una célula capaz de vivir en ambientes extremófilos, a altas temperaturas, lo que apoya la idea de que las primeras células surgieron en las cercanías de fuentes termales. Sin embargo, los estudios genéticos parecen indicar que LUCA vivía en ambientes moderados, y que fueron sus descendientes quienes ocuparon esos ambientes posteriormente. Pero este es un campo de investigación cambiante y nuevos datos o análisis pueden cambiar las hipótesis. También hay datos que apoyan que LUCA ya tenía ARN y proteínas, una bioquímica relacionada con ellos, y que podrías sintetizar ATP usando gradientes de protones. Curiosamente, no parece ser necesario que tuviera un genoma codificado en ADN.

Para saber más:

Exploring origins. https://exploringorigins.org/index.html

Gilbert W. 1987. RNA world. Nature. 319:618.

Michalak R. 2006. RNA world - the dark matter of evolutionary genomics. Journal of evolution biology. 19(6): 1768-1774.

Oparin AI. 1970. Origen de la vida en la Tierra. Editorial Tecnos S.A. Traducción de la tercera edición rusa.

Stweart JE. 2019. The Origins of Life: The Managed‑Metabolism Hypothesis. Foundations of Science. 24:171–195.