¿Cómo comenzó la vida en la Tierra?

Una de las grandes preguntas que los humanos nos hemos planteado desde la antigüedad es cómo comenzó la vida en la Tierra. Aunque probablemente nunca lograremos saberlo, a lo largo del tiempo se ha podido ir acotando el alcance de este interrogante. Charles R. Darwin fue el primero en reflexionar científicamente sobre ello, pero esta cuestión no se convertiría en un auténtico tema de investigación hasta varias décadas después, con la publicación del ensayo El origen de la vida, de Alexandr I. Oparin.

Desde entonces, numerosos avances teóricos y experimentales han permitido plantear cómo pudieron sintetizarse en condiciones prebióticas los compuestos clave: inicialmente monómeros y después biopolímeros. A partir de ellos se formarían sistemas moleculares cada vez más complejos, que acabarían adquiriendo la capacidad de auto-reproducirse y evolucionar por selección natural. Esos primeros seres vivos serían protocélulas que contenían un genoma (probablemente de ARN) y un metabolismo relativamente sencillo. Con el tiempo, algunos de ellos darían lugar a LUCA, el ancestro común de toda la biodiversidad actual.

Los pioneros en la investigación sobre el origen de la vida

La Astrobiología es una aproximación interdisciplinar al estudio del origen, evolución y posible distribución de la vida en el Universo, y en este campo nos encontramos con dos preguntas clave: cómo comenzó la vida, y si pueden existir seres vivos fuera de nuestro planeta. La primera reflexión genuinamente científica sobre el origen de la vida se la debemos al naturalista inglés Charles R. Darwin, quien, en el último párrafo de su libro El origen de las especies (publicado en 1859), propuso que todos los seres vivos pudieron surgir a partir de “un corto número de formas o en una sola”. También mencionaría este tema en algunas de las cartas que posteriormente intercambió con sus amigos y colegas, entre ellas una dirigida al botánico y explorador Joseph D. Hooker en 1871, en la que imaginaba “un pequeño charco de agua templada” como escenario para la aparición de la vida.

Pero la obra pionera que trató específicamente sobre esta cuestión y planteó un modelo sobre el origen químico de los seres vivos fue el ensayo El origen de la vida, publicado en 1924 por el bioquímico ruso Alexandr I. Oparin (el año pasado celebramos su centenario con numerosas actividades). En él otorgaba un papel fundamental a los agregados de proteínas que llamó “coacervados”, tema en el que se sigue investigando actualmente. El segundo autor clave en los inicios de este campo científico fue el biólogo evolutivo y genetista inglés John B. S. Haldane, quien (sin conocer la obra de Oparin, pues no se traduciría a inglés hasta 1938) publicó en 1929 un artículo titulado también El origen de la vida. Su modelo era en parte similar al de Oparin, pero dando más relevancia a los ácidos nucleicos.

En la década de 1950 comenzó la “química prebiótica” como una disciplina científica experimental, gracias al trabajo de otros dos grandes investigadores. El primero fue el químico norteamericano Stanley L. Miller, quien, trabajando en el laboratorio del geoquímico y Premio Nobel Harold C. Urey, publicó en 1953 un famoso experimento demostrando que los gases entonces considerados como constituyentes de la atmósfera terrestre primitiva (vapor de agua, metano, amoníaco e hidrógeno molecular), al ser sometidos a descargas eléctricas en un matraz de vidrio cerrado, producían muchas moléculas orgánicas, entre ellas varios aminoácidos de los que constituyen las proteínas. El segundo investigador fundamental fue el bioquímico y astrobiólogo español Joan Oró, quien en 1960 sintetizó la base nitrogenada adenina (presente en algunos nucleótidos que forman los ácidos nucleicos) al hacer reaccionar cinco moléculas de ácido cianhídrico en disolución. 

Siete décadas de avances

Estos científicos pioneros son los gigantes sobre cuyos hombros caminamos desde entonces, combinando diferentes líneas de investigación. Hoy asumimos que el sistema Tierra-Luna (formado hace unos 4.510 millones de años, Ma) contenía gran cantidad de agua líquida en su superficie hace 4.400 Ma. En aquellos océanos, gracias a las chimeneas volcánicas submarinas y a la interacción del agua con las rocas o la atmósfera, se iría sintetizando un número creciente de moléculas de interés prebiótico. Éstas, junto a las aportadas desde el espacio por meteoritos y núcleos de cometas, dieron lugar a una “sopa prebiótica” (metáfora que también debemos a Oparin) cada vez más rica y variada.

Algunos de los compuestos formados pudieron funcionar como monómeros para la síntesis de polímeros, un proceso en el que también fueron fundamentales las rocas (principalmente las arcillas) y otros medios heterogéneos. Así, como actualmente estudiamos en el ámbito de la “química de sistemas prebiótica”, los aminoácidos dieron lugar a péptidos cortos y los nucleótidos a cadenas de ácidos nucleicos. Entre estos últimos, el ácido ribonucleico (ARN) es mucho más versátil que el ácido desoxirribonucleico (ADN), y además probablemente se originó antes. Por tanto (tal como plantea la hipótesis del “Mundo ARN”), en el origen de la vida este biopolímero pudo funcionar como genotipo (molécula con información genética heredable) y fenotipo (gracias a su plasticidad estructural y funcional). 

Los primeros seres vivos

Si definimos los seres vivos como sistemas químicos complejos capaces de autorreproducirse y evolucionar por selección natural (la propia definición de “vida” es un tema en el que actualmente trabajamos), tal vez los primeros de ellos fueron “ribocitos”: protocélulas con membranas muy simples y genoma de ARN, cuyo metabolismo sería realizado por enzimas de ARN (llamadas “ribozimas”) ayudadas por catalizadores inorgánicos y por péptidos cortos formados abióticamente. 

Por evolución de ese “Mundo de ARN y péptidos” iría aumentando la complejidad de las protocélulas, y en ellas se formarían ribosomas cada vez más eficientes sintetizando proteínas a partir de la información codificada en el ARN. Posteriormente se originaría el ADN, que, al tener una estructura más estable e invariable (la famosa doble hélice) y acumular menos mutaciones al replicarse, se convirtió en un archivo de información genética mejor que el ARN. 

Así, hace unos 3.900 Ma (o quizá antes) ya existían “células modernas”, con el flujo de información genética en el sentido ADN → ARN → proteínas. Paralelamente, los virus con genoma de ARN (que pudieron haber surgido a la vez que los ribocitos, como fragmentos genéticos independizados de los genomas que se replicaban) y los virus de ADN (derivados de la nueva organización celular) irían co-evolucionando junto a las células y promoviendo la transferencia horizontal de genes entre distintos linajes celulares. Como producto de la evolución de algunas de esas células ancestrales se originó una especie (o tal vez una comunidad de ellas) que conocemos como LUCA (acrónimo de “Last Universal Common Ancestor” o Último Ancestro Común Universal), de la que deriva todo el árbol de la vida.

A la luz de la evolución

El análisis comparativo de los genomas y metabolismos de los seres vivos conocidos indica que LUCA se bifurcó en dos tipos de microorganismos con organización celular procariótica (es decir, sin núcleo y relativamente simples): las bacterias y las arqueas. Unas y otras fueron “inventando” diferentes tipos de metabolismos (entre ellos, la fotosíntesis) y adaptándose a distintos medios, incluyendo los que poseían características fisicoquímicas más extremas. Hace unos 2.000 Ma, por fusión y endosimbiosis de algunos de sus linajes, se originaron los eucariotas (células con núcleo definido, distintos tipos de orgánulos y una compleja arquitectura interior). Aproximadamente 1.000 Ma después, en algunas ramas de los eucariotas surgió la pluricelularidad como una estrategia evolutiva ventajosa que fue dando lugar a las plantas, los hongos y los animales.

La biodiversidad actual está formada por cientos de millones de especies, y todos los datos indican que la nuestra (Homo sapiens) es uno más de los múltiples frutos del árbol de la vida, no “la cima” de una inexistente pirámide evolutiva ni el resultado de una tendencia prediseñada. Muchos seres vivos habitan entornos similares a los que ocupamos nosotros: con temperaturas moderadas, presión de una atmósfera, dosis de radiación muy bajas, así como niveles de acidez y salinidad compatibles con la estabilidad de nuestras células. 

Pero además conocemos un número creciente de bacterias y arqueas (aunque también eucariotas) adaptadas a vivir en “ambientes extremos” en cuanto a sus características físicas: con temperaturas superiores al punto de ebullición del agua o inferiores al de congelación, bajo presiones de cientos de atmósferas en los fondos marinos, en entornos sometidos a grandes dosis de radiación, o en las profundidades rocosas del subsuelo. Desde el punto de vista de las condiciones químicas, hay organismos extremófilos que se desarrollan en aguas muy ácidas (a pH incluso menor de 1) o muy básicas (hasta pH 12), en salinas, y en presencia de elevadas concentraciones de metales.

En paralelo al estudio del origen, evolución y diversidad de los seres vivos terrestres, actualmente investigamos si la vida, entre el azar y la necesidad, ha podido surgir en otros entornos que consideramos “habitables” dentro del sistema solar. Entre ellos, se buscan biomarcadores (señales de vida pasada o presente) en el subsuelo de Marte, en las nubes de Venus, o en los satélites de Júpiter y Saturno que poseen océanos de agua líquida bajo su superficie (como Europa, Encélado y Titán). Fuera de nuestro vecindario cósmico, se investiga la posibilidad de que exista vida en los planetas extrasolares, de los que ya se conocen más de 6.000. Así, actualmente nos preguntamos si es más probable que estemos solos… o que el Universo se encuentre lleno de seres vivos. 

Cortesía de Muy Interesante

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