jueves, 5 de julio de 2012


La vida, ¿es inevitable o un simple acontecimiento fortuito?

Referencia: NewScientist.com ,
Autor: Nick Lane, 25 de junio 2012

Si la vida surge allí donde las condiciones son las correctas, ¿por qué aún no tenemos noticias de extraterrestres?

Bajo la intensa mirada del telescopio espacial Kepler, van apareciendo ante nosotros más y más planetas similares al nuestro. Todavía no hemos encontrado uno exactamente igual que la Tierra, pero son tantos los descubiertos que parece que la galaxia debe estar llena de planetas habitables.


Estos descubrimientos nos trae de nuevo una vieja paradoja. Tal como el físico Enrico Fermi, preguntó en 1950, si hay muchas sitios adecuados para la vida ahí fuera y las formas de vida extraterrestre pueden ser comunes, ¿dónde se han metido? Después de más de medio siglo de búsqueda de inteligencia extraterrestre, hasta el momento nos quedamos con las manos vacías.

Por supuesto, el universo es un lugar muy grande. Incluso la famosa y optimista "ecuación" de Frank Drake sobre la probabilidad de vida sugiere que, si tenemos suerte, nos toparemos con alienígenas inteligentes: ellos pueden estar ahí fuera, pero eso nunca lo sabremos. No obstante, esa respuesta no satisface a nadie.
               
Hay explicaciones más profundas. Quizá las civilizaciones alienígenas aparecen y desaparecen en un abrir y cerrar de ojos galáctico, destruyéndose a sí mismos mucho antes de llegar a ser capaces de colonizar nuevos planetas. O tal vez la vida en muy raras ocasiones consigue despegar aun cuando las condiciones sean perfectas.
               
Si no podemos responder a este tipo de preguntas cuando miramos hacia fuera, ¿cómo podremos obtener algunas pistas sobre nuestra búsqueda? La vida surgió en la Tierra solamente una vez, y tampoco hay grandes conclusiones que extraer de ello. No hay nada más que eso. Si observamos un ingrediente vital para la vida, la energía, nos sugiere que la vida simple es algo común a todo el universo, pero no evoluciona necesariamente hacia formas más complejas, como los animales. Puedo estar equivocado, pero de estar en lo correcto, la inmensa dilación para la aparición de la vida por primera vez en la Tierra y la aparición de puntos de vida complejos en otro, son explicaciones muy distintas de por qué todavía tenemos que descubrir alienígenas.

Los seres vivos consumen una cantidad extraordinaria de energía, sólo para seguir viviendo. Los alimentos que comemos los convertimos en combustible que alimenta a todas las células vivas, llamadoATP. Este combustible se recicla continuamente: a lo largo de un día, los humanos cada uno revolvermos unos 70 a 100 kg. de materia. Esta enorme cantidad de combustible se realiza mediante enzimas, unos catalizadores biológicos bien ajustados durante eones capaces de extraer hasta el último juliode energía utilizable a partir de las reacciones.

Las enzimas que alimentaron la primera vida no pudieron ser tan eficientes, y las primeras células seguramentte necesitaron mucha más energía para crecer y dividirse, probablemente miles o millones de veces más energía que las células modernas. Esto mismo debe ser cierto para todo el universo.

Este requisito tan fenomenal de energía a menudo se deja fuera de las consideraciones sobre el origen de la vida. ¿Cuál podría ser la fuente de energía primordial aquí en la Tierra? Las viejas ideas de rayos o de radiación ultravioleta, simplemente no pasan el examen. Aparte del hecho de que no hay células vivas obtengan su energía de esta manera, no hay nada para ubicar esa energía. Las primeras formas de vida no tendrían porque ir en busca de energía, por lo que debe haber surgido donde la energía era abundante.

Hoy día, la mayoría de la vida obtiene su energía, en última instancia, del sol, pero la fotosíntesis es compleja y, probablemente, no fue la energía de la primera forma de vida. Entonces, ¿qué hizo? Reconstruyendo la historia de la vida mediante la comparación de los genomas de las células simples está plagada de problemas. No obstante, estos estudios apuntan en la misma dirección. Las primeras células parecen haber adquirido su energía y el carbono de los gases hidrógeno y dióxido de carbono. La reacción de H2 con CO2 produce directamente moléculas orgánicas y libera energía. Esto es importante, porque no es lo bastante para formar moléculas simples: se necesita cubos de energía para unir las largas cadenas que conforman los componentes básicos de la vida.
               
Una segunda pista de cómo conseguía la primera vida su energía, proviene de los mecanismos de recolección de energía descubiertas en todas las demás formas de vida conocidas. Este mecanismo fue tan inesperado que nos pasamos dos décadas de discusiones después de haber sido propuesto por el bioquímico británico Peter Mitchell, en 1961.
                                  
Campo de fuerza universal
                         
Mitchell sugirió que las células estaban impulsadas ​​no por las reacciones químicas, sino por una especie de electricidad, en concreto por una diferencia en la concentración de protones (los núcleos cargados de átomos de hidrógeno) a través de una membrana. Debido a que los protones tienen una carga positiva, la diferencia de concentración produce un diferencial en el potencial eléctrico entre los ambos lados de la membrana de alrededor de 150 milivoltios. Tal vez no parezca mucho, pero debido a que opera en tan sólo 5 millonésimas de milímetro, la intensidad de campo sobre esa pequeña distancia es enorme, de alrededor de 30 millones de voltios por metro. Eso es equivalente a un rayo.

Quimiosmosis
Mitchell llamó a esta fuerza conductora eléctrica la fuerza protón-motriz. Suena como un término de la Guerra de las Galaxias, y eso no es apropiado. Básicamente, todas las células son propulsadas por un campo de fuerza tan universal a la vida en la Tierra como el código genético. Este  tremendo potencial eléctrico puede aprovecharse directamente, por ejemplo, para dirigir el movimiento de los flagelos, o aprovecharse para hacer un combustible ATP rico en energía.

Sin embargo, la forma en que se genera este campo de fuerza y ​​su conexión es extremadamente complejo. La enzima que produce el ATP es un motor rotativo accionado por el flujo de protones hacia el interior. Otra proteína que ayuda a generar el potencial de la membrana, la NADH deshidrogenasa, es como una máquina de vapor, con un pistón en movimiento bombeando protones. Estas increíbles máquinas nanoscópicas deben ser el producto de una selección natural prolongada. No pudieron ser así desde el principio, que nos deja con una paradoja.

La vida engulle energía, y la inefiencia primordial de las células tuvieron que requerir mucha más energía, no menos. Estas enormes cantidades de energía seguramente derivaron de ungradiente de protones, ya que la universalidad de este mecanismo implica que se fueron desarrollando desde un principio. Pero, ¿cómo la vida primitiva pudo algo que hoy en día requiere de una maquinaria tan sofisticada?

Hay una forma sencilla de obtener grandes cantidades de energía de esta manera. Es más, el contexto me hace pensar que realmente no era tan difícil que surgiera la vida la primera vez.

Mi respuesta preferente se propuso hace ya 20 años por el geólogo Michael Russell, ahora en el Jet Propulsion Laboratory en Pasadena, California, que habían estado estudiando en las profundidades marinas respiraderos hidrotermales. Mucha gente piensa que "los respiraderos de aguas profundas" son impresionantes fumarolas negras, rodeadas por gusanos de tubo gigantes. Russell tenía algo mucho más modesto en mente: los respiraderos alcalinos hidrotermales. Estos no son de origen volcánico en absoluto, y tampoco humean. Estos se forman por la filtración del agua de mar a través de la densidad electrónica de las rocas que se hallan en el manto terrestre, como el olivino, un mineral de hierro y magnesio.

El olivino y el agua reaccionan para formar serpentinita, en un proceso que se expande y agrieta la roca, lo que permite más entrada de agua y perpetuar la reacción. La serpentinización produce una alcalinidad, probreza de protones, que fluye rica en gas de hidrógeno, liberando un calor se libera que lleva a estos fluidos de regreso al fondo oceánico. Cuando entran en contacto con las aguas más frías del océano, los minerales se precipitan, y forman torres de ventilación de hasta 60 metros de altura. Estos respiraderos, se percató Russell, tienen todo lo necesario para incubar la vida. De hecho lo hicieron, hace ya cuatro mil millones de años.

Por entonces había muy poco o ningún oxígeno, por lo que los océanos eran ricos en hierro disuelto. Había probablemente mucho más CO2 que hoy día, y ello significa que los océanos eran ligeramente ácidos, o sea, que tenían exceso de protones.

Basta pensar un poco en lo que sucede en una situación como ésta, dentro de unos respiraderos porosos, llenos de pequeños einterconectados espacios similares a células  a los confinados en unas paredes endebles de minerales. Estas paredes contienen los mismos catalizadores, hierro de muy distintas clases, níquel y sulfuros de molibdeno, utilizados por las células actualmente (aunque incrustado en las proteínas), para catalizar la conversión de CO2 en moléculas orgánicas.

Los ricos fluidos en hidrógeno son percolados (filtrados) a través de este laberinto de microporos catalíticos. Normalmente, es difícil conseguir el CO2 y H2 para que reaccionen: los esfuerzos por capturar el CO2 para reducir el calentamiento global dan una visión exacta de este problema. Los catalizadores pueden no ser suficientes. Sin embargo, las células vivas no capturan el carbono empleando únicamente catalizadores, sino que utilizan los gradientes de protones para conducir la reacción. Y entre los fluidos alcalinos de los respiraderos y de agua ácida existe un gradiente de protones natural.
               
¿Podría esta fuerza protón-motriz natural haber llevado a la formación de moléculas orgánicas? Es pronto para decirlo con seguridad. Estoy trabajando en ello precisamente, y hay momentos emocionantes por delante. Pero vamos a especular un momento a que la respuesta es que sí. ¿Qué resuelve eso? Pues mucho. Una vez que el obstáculo para la reacción entre el CO2 y H2 disminuye, la reacción puede proceder a buen ritmo. Cabe destacar que, bajo las condiciones típicas alcalinas de los respiraderos hidrotermales, la combinación de H2 y CO2 produce moléculas que se encuentran en las células vivas, aminoácidos, lípidos, azúcares y nucleobases, de hecho, libera energía.

Esto significa que lejos de ser alguna excepción misteriosa a la segunda ley de la termodinámica, desde este punto de vista, es una realidad que la vida está impulsada por ella. Es la consecuencia inevitable de un desequilibrio planetario, en el que las rocas ricas en electrones se separan de las pobres en electrones de los océanos ácidos por una corteza fina, perforada por los sistemas de ventilación que centran esta fuerza conductora electroquímica dentro de sistemas similares a las células. El planeta puede ser visto como una batería gigante, y la célula, una pequeña batería construida básicamente con los mismos principios.

Soy el primero en admitir que hay muchas lagunas que rellenar, muchos pasos entre un reactor electroquímico que produce moléculas orgánicas y una célula vital que respira. Pero si consideramos por un momento la escena de un modo más amplio, el origen de la vida necesita una lista de compras muy corta: roca, agua y CO2.
               
El agua y el olivino se encuentran entre las sustancias más abundantes del universo. Muchos atmósferas planetarias del sistema solar son ricas en CO2, lo que sugiere que es también muy común. La serpentinización es una reacción espontánea, y podría ocurrir a gran escala en cualquier planeta húmedo y rocoso. Desde esta perspectiva, el universo está repleto de células simples, de hecho, la vida debe ser inevitable cuando las condiciones son las adecuadas. No es de extrañar que la vida en la Tierra parezca haber comenzado casi tan pronto como pudo.
               
Eucariontes
Entonces, ¿qué sucede? En general, se supone que la vida simple poco a poco se convierte en formas más complejas, dadas unas condiciones adecuadas. Pero eso no es lo que sucedió en la Tierra. Después de que las células simples aparecieran por primera vez, hubo un retraso extraordinariamente largo, casi la mitad del tiempo de vida del planeta, antes de los complejos evolucionaran. Es más, las células simples dieron lugar a la vida compleja sólo una vez en cuatro mil millones de años de evolución: una extraña anomalía que sorprende, y deja sugerir un caprichoso accidente.
               
Si las células simples se han desarrollado lentamente hacia formas más complejas en miles de millones de años, toda clase de células intermedias habrían existido y otras existirían aún. Pero no hay ninguna. En vez de eso, hay un gran abismo. Por un lado, están las bacterias, de pequeño volumen celular y pequeño genoma. Ellas están optimizadas por la selección, reducidas a un mínimo: son como los aviones de combate entre las células. Por otro lado, está la vasta y difícil de manejar pléyade de células eucariotas, más parecidas a los portaaviones que a los aviones de combate. Una típica célula simple eucariota es aproximadamente unas 15.000 veces más grande que una bacteria, con un genoma equivalente.

La gran división

Toda la vida compleja sobre la Tierra, animales, plantas, hongos y otros, son eucariotas, y todos ellos evolucionaron de un mismo ancestro. Así que sin ese evento singular que produjo el ancestro de las células eucariotas, no habría plantas ni peces, ni dinosaurios ni simios. Las células simples por sí solas no tienen la arquitectura adecuada celular para evolucionar hacia formas más complejas.

¿Y por qué no? Recientemente he explorado este tema con el biólogo celular pionero, Bill Martin, de la Universidad de Düsseldorf, en Alemania. Basándonos en los datos de las tasas metabólicas y los tamaños del genoma de varias células, calculamos cuánta energía estaría disponible para las células simples, ya que se hicieron muy grandes (Nature, vol 467, p 929).

Lo que descubrimos es que hay una extraordinaria sanción energética para un crecimiento mayor. Si una bacteria se ampliara hasta proporciones eucariotas, tendría decenas de miles de veces menos energía disponible por gen que una eucariota equivalente. Y las células necesitan mucha energía por gen, porque hacer una proteína desde un gen es un proceso intensivo de energía. La mayor parte de la energía de una célula se lo lleva la producción de proteínas.

A primera vista, la idea de que las bacterias no tienen nada que ganar al hacerse más grandes, parece ser socavada por el hecho de que hay algunas bacterias gigantes más grandes que muchas células complejas, en particular la Epulopiscium, que crece en el intestino del pez cirujano. Sin embargo, la Epulopiscium tiene más de 200.000 copias de su genoma completo. Tomando todos estos múltiples genomas en consideración, la energía disponible para cada copia de cualquier gen es casi exactamente la misma que para las bacterias normales, a pesar de la enorme cantidad total de ADN. Es el mejor ejemplo de consorcio de células que se haya fusionado en una sola, en lugar de como célula gigante.

¿Y por qué las bacterias gigantes necesitan tantas copias de su genoma? Recordemos que la célula cosecha la energía de los campos de fuerza a través de sus membranas, y que este potencial eléctrico de la membrana equivale a un rayo. Las células se equivocan a su propio riesgo. Si pierden el control de este potencial, se mueren. Hace casi 20 años, el bioquímico John Allen, ahora en la Universidad Queen Mary de Londres, sugirió que los genomas son esenciales para controlar el potencial de membrana, mediante el control de la producción de proteínas. Estos genomas necesitan estar cerca de la membrana, así controlan una rápida respuesta a los cambios en las condiciones locales. Allen y otros, acumularon una buena cantidad de evidencias de que esto era cierto para las eucariotas, y hay buenas razones para pensar que se aplica también a células simples.

Así que el problema al que se enfrentan las células de simple es este: para crecer más grandes y complejas, tienen que generar más energía. La única manera de hacer esto es ampliar el área que utilizan de la membrana para obtener energía. Sin embargo, para mantener el control del potencial de la membrana cuya superficie se expande, tienen que hacer copias completas adicionales de su genoma, lo cual significa, en realidad, quedarse sin energía por gen copiado.

Dicho de otro modo, las células simples adquieren genes los menos posibles. Y un genoma completo de genes que no se puede utilizar no es ninguna ventaja. Esta es una traba tremenda hacia la complejidad, porque hacer un pez o un árbol, requiere de miles de genes que poseen las bacterias.

Entonces, ¿cómo solucionaron este problema las eucariotas? Pues, adquiriendo mitocondrias.

Hace alrededor de 2 mil millones de años, una simple célula, de alguna manera, terminó dentro de otra. La identidad de la célula huésped no estaba clara, pero sabemos que adquirió una bacteria, la cual comenzó a dividirse en su interior. Estas células dentro de células competían por la sucesión, aquellas que más rápido se replicaban, sin perder su capacidad de generar energía, fue probablemente la mejor representada en la siguiente generación.

Y así sucesivamente, generación tras generación, estas bacterias endosimbiontes evolucionaron hasta convertirse en pequeños generadores de energía, que contienen la membrana necesaria para producir ATP y el genoma necesario para controlar el potencial de membrana. Básicamente, a lo largo del camino quedaron reducidas a un mínimo. Todo lo innecesario había desaparecido, al estilo de las auténticas bacterias. Las mitocondrias, originalmente tenían un genoma de tal vez 3.000 genes,  en la actualidad tan sólo les queda 40 más o menos.

Para la célula huésped, el asunto era bien distinto. Como el genoma mitocondrial se redujo, la cantidad de energía disponible por copia del gen huésped aumentó y su genoma podía expandirse. Inundada de ATP, y servida por los escuadrones de la mitocondria, resultaba gratis acumular el ADN y hacerse más grandes. Podría uno imaginar las mitocondrias como una flota de helicópteros que "transportan" el ADN al núcleo de la célula. Como los genomas mitocondriales fueron despojados de su  propio ADN innecesario, se hicieron más ligeras y cada una podía levantar cargas más pesadas, permitiendo al genoma nuclear ir creciendo cada vez más grande.

Estos enormes genomas proporcionaban la materia prima genética que condujo a la evolución de la vida compleja. Las mitocondrias no recetaban la complejidad, sino que la permitieron. Es difícil imaginar otra forma de moverse por el problema de la energía, y sabemos que ocurrió tan sólo vez en la Tierra, porque todos los eucariotas descienden de un antepasado común.

Caprichos de la naturaleza

El surgimiento de la vida compleja, entonces, parece girar en torno a un evento de un solo evento fortuito, la adquisición de una simple célula por otra. Estas asociaciones son comunes entre las células complejas, pero son extremadamente raras en las simples. Y el resultado fue de ninguna manera no menos cierto: las dos íntimas parejas pasaron por un montón de difíciles co-adaptaciones antes de que sus descendientes pudieran prosperar.

Esto no es un buen augurio para la perspectiva de encontrar extraterrestres inteligentes. Significa que hay una trayectoria inevitable evolutiva de lo simple a la vida compleja. Nunca se termina la selección natural, operando en poblaciones infinitas de bacterias durante miles de millones de años, nunca podrá dar lugar a la complejidad. Las bacterias simplemente no tienen la arquitectura correcta. Ellos no tienen la energía limitada tal como son, el problema sólo se hace visible cuando miramos a lo que se necesitaría cuando su volumen y tamaño genómico se expande. Sólo entonces podemos ver que las bacterias ocupan un profundo cañón en el panorama de la energía, de la que es posible escapar.

Puesto así, ¿qué oportunidad tiene la vida? Sería sorprendente que la vida sencilla no fuera común en todo el universo. Las células simples se construyen a partir de los materiales más omnipresentes, agua, roca y CO2, y que son termodinámicamente cercanas a lo inevitable. Su aparición temprana en la Tierra, lejos de ser una anomalía estadística, es exactamente lo que cabría esperar.

El supuesto optimista de la ecuación de Drake es que en los planetas donde la vida emergiera, el 1 por ciento diese lugar a vida inteligente. Pero si estoy en lo cierto, la vida compleja no es en absoluto inevitable. Surgió aquí, una sola vez en cuatro mil millones de años, gracias a un evento raro y aleatorio. Hay muchas razones para pensar que un extraño accidente similar puede suceder en cualquier otro lugar del universo también. Ninguna otra cosa podría romper la barrera energética hacia la complejidad.

Esta línea de razonamiento sugiere que mientras los planetas como la Tierra pueden estar llenos de vida, muy pocos son los que dan lugar a las células complejas. Y esto significa que hay muy pocas oportunidades de evolución para las plantas y los animales, y por supuesto, para la vida inteligente. Así que incluso si descubrimos que las células simples evolucionaron en Marte, eso no nos dice mucho acerca de cómo la vida animal pueda ser algo común en otras partes del universo.

Todo esto viene a explicar por qué nunca hemos encontrado ninguna señal de alienígenas. Claro esta que, algunas de las otras explicaciones que se han propuesto, como la vida en otros planetas pueda ser destruida por acontecimientos catastróficos, como explosiones de rayos gamma, mucho antes de que esa vida inteligente tenga la oportunidad de evolucionar, bien podría ser cierta. Si es así, puede haber muy pocos aliens inteligentes en la galaxia.
               
Así pues, tal vez seamos la única ocurrencia de vida en nuestro vecindario galáctico. Pero si nos la encontramos, apostaría por una cosa: también tendrán mitocondrias.

Sobre el autor: Nick Lane es miembro del Venture Research de Provost del University College de Londres. Sus investigaciones sobre el origen de la vida es un proyecto financiado por la Fundación Leverhulme.
- Imágenes: Quimiosmosis y Eucariontes, de Wikipedia.