Cómo una nueva visión radical de la vida podría revelar su origen y los extraterrestres

Dondequiera que estés leyendo esto, mira a tu alrededor. Cada ser vivo que puedes ver (otras personas, mascotas, pájaros volando, árboles, flores, hongos, peces) está aquí debido a las uniones entre diferentes especies. Los casos clásicos son los líquenes (típicamente formados por algas y hongos) o los corales (hechos de algas y componentes animales), pero estos ejemplos restan importancia a cuán lejos y profunda llega la simbiosis.

En mi nuevo libro Togetherness, defiendo que la simbiosis –que significa “vivir juntos”– ha sido descuidada en nuestra explicación de la biología y la ecología. No es sólo que creo que es una pena que no se haya apreciado su importancia; es que reconocer la simbiosis es vital para ayudarnos a comprender quiénes somos y cómo llegamos a ser.

La vida compleja (todas esas cosas que ves a tu alrededor) existe sólo debido a una forma profunda de simbiosis celular, y todas las plantas dependen de la simbiosis para crecer y producir todos los alimentos que comemos. Pero esto no es ampliamente reconocido. Desde antes de que Charles Darwin publicara su teoría de la evolución, y más aún después, hemos enfatizado el papel de la competencia en la evolución de la vida, alimentados por la idea de que la naturaleza es “roja con garras y dientes”.

Lo que no esperaba encontrar al investigar para mi libro es que la creciente comprensión de esta unión, y la forma en que nos obliga a mirar el mundo de nuevo, está ayudando a desmitificar una de las preguntas más importantes y antiguas de la ciencia: ¿cómo comenzó la vida? La imagen que está apareciendo está destinada a remodelar nuestra definición de lo que es la vida e informar la búsqueda de vida extraterrestre.

La misión de decodificar cómo evolucionaron las primeras células tiene una larga historia. Darwin se mostró reacio a especular públicamente sobre los orígenes de la vida, pero en 1871 le escribió a su amigo Joseph Hooker: “Pero si (y qué gran si) pudiéramos concebir en algún pequeño estanque cálido con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad [etc.] presentes, que se formara químicamente un compuesto proteico, listo para sufrir cambios aún más complejos”.

La idea del “pequeño estanque cálido” ha resultado atractiva y persuasiva, pero ahora se cree que es poco probable que ese lugar haya sido el crisol de la vida. En cambio, gran parte del entusiasmo actual se centra en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas. Los diminutos poros de las rocas actúan como células ya preparadas, y en la tensión entre el agua alcalina caliente emitida por los respiraderos y el agua de mar más fría y ácida, se tiene un gradiente electroquímico que podría impulsar reacciones bioquímicas. Que es otra forma de decir que podría impulsar la vida.

"Los poros internos de los respiraderos tienen estructuras similares a células con superficies catalíticas cargadas eléctricamente, mientras que el flujo continuo proporciona una reactividad continua", dice el bioquímico Nick Lane del University College de Londres, uno de los principales investigadores del origen de la vida.

Lo que me encanta de esta idea es que toma la visión de algunos de los grandes científicos del pasado y la convierte en una hipótesis comprobable. En 1866, Ernst Haeckel, el “Darwin alemán”, sugirió que la vida surgió directamente de la no vida, de materiales inorgánicos. En 1944, el físico Erwin Schrödinger escribió que la vida evolucionó para estar estrechamente acoplada a su entorno y, en la década de 1960, el microbiólogo Carl Woese especuló que la vida evolucionó en una comunidad poco unida, con “protocélulas” intercambiando moléculas libremente.

Luego, en 1985, el físico Freeman Dyson tomó la idea de Schrödinger y la fusionó con el innovador trabajo de la microbióloga Lynn Margulis. Margulis había reunido pruebas para demostrar definitivamente que las células complejas de plantas, animales y hongos se originaron en un antiguo acto de simbiosis entre dos células más simples. (La simbiosis se utiliza en biología para referirse a dos especies diferentes que viven íntimamente juntas durante un período de tiempo significativo).

¿Los dos orígenes de la vida?

Inspirado por esto, Dyson sugirió que la vida tenía dos orígenes. Primero surgieron las primeras versiones de células llamadas protocélulas, en las que se pusieron en marcha procesos metabólicos (las reacciones bioquímicas que proporcionan energía). Más tarde, pensó, llegó el desarrollo de una forma de almacenar información genética que podría actuar como replicador: una cadena de ARN. Estas dos formas de protovida, dijo, se fusionaron mediante un proceso similar a la simbiosis.

Ahora estas ideas se están poniendo a prueba. Para ver cómo se hace esto, visité el laboratorio de Lane para observar cómo él y sus colegas están imitando las posibles condiciones en el origen de la vida y comenzando a fabricar sus propias protocélulas. "Estamos buscando un entorno", dice Lane, "donde la geoquímica dé lugar sin problemas a la bioquímica", donde la no vida se convierta en vida.

En el laboratorio, Feixue Liu está trabajando para reproducir una de las primeras etapas del metabolismo: la reacción del dióxido de carbono y el hidrógeno para formar compuestos orgánicos simples, como el formiato y el acetato. Me muestra el aparato en forma de Y que utiliza para simular un respiradero hidrotermal.

"A un lado de la Y ponemos fluido del océano, al otro lado hay fluido de ventilación", me dice. "Al hacer esto, intentamos imitar el antiguo entorno hidrotermal". Todo tiene lugar en una cámara de atmósfera controlada sin oxígeno presente, una burbuja de la antigua Tierra de hace 4 mil millones de años. Un chip detecta cualquier molécula orgánica producida por el flujo.

La propensión de las moléculas a autoensamblarse ha sido, para mí, uno de los descubrimientos recientes más sorprendentes en este campo; en particular, el hecho de que los propios procesos metabólicos surgen espontáneamente. Se pusieron en marcha antes del origen de la vida.

Los bioquímicos hablan de moléculas que se mueven hacia un mínimo termodinámico. Ésa es su manera de decir “el estado de reposo de las moléculas”. Significa que las moléculas, incluso las complejas, pueden formarse simplemente porque eso es lo que los químicos y las moléculas “quieren” hacer; Como poner una pelota en la cima de una colina y hacerla rodar hasta abajo porque ese es el lugar natural donde "quiere" estar, las moléculas "quieren" viajar a lo largo de sus rutas bioquímicas y termodinámicas preferidas. Esta es la razón por la que los ingredientes nucleotídicos del ARN y el ADN pueden formarse espontáneamente, incluso en asteroides. Es por eso que pueden surgir vías metabólicas bastante complejas sin necesidad de programación genética. Estas reacciones metabólicas son los primeros destellos de vida.

Formación espontánea de ADN.

La evidencia más convincente es el hallazgo de que una vía metabólica utilizada en todas las formas de vida surgió antes que los genes que la codifican. "Pensamos que el metabolismo está codificado genéticamente", dice Lane, "pero el trabajo realizado durante la última década muestra que en realidad es una química espontánea, una red de reacciones favorecidas termodinámicamente". La vía acetil-coenzima A es la forma más antigua y sencilla en que las células liberan energía y se utiliza en todas las formas de vida conocidas. Bill Martin, de la Universidad de Düsseldorf, Alemania, demostró que la vía parece ser más antigua que las enzimas que la catalizan y también que los genes que codifican sus enzimas: la vía apareció primero, luego los genes siguieron su estela.

También sabemos que, en las condiciones adecuadas, como al abrigo de una célula mineral en un respiradero hidrotermal, la molécula energética trifosfato de adenosina (ATP) puede formarse espontáneamente. En todas las células, desde las bacterias hasta las ballenas azules, el ATP es la moneda energética universal. Lo que esto sugiere es que la vida sigue un modelo de reacciones que ya ocurrían de forma natural.

"No se trata de lo que se crea, sino de cómo eso explica potencialmente los orígenes de la vida", dice el colega de Lane, Stuart Harrison.

Dyson pensó que los procesos metabólicos que tenían lugar en la protocélula preparaban el terreno para una "invasión" del ARN. En cambio, lo que sugieren Harrison, Lane y sus colegas tiene una utilidad agradable. Han descubierto que los nucleótidos aleatorios que se forman en la sopa común de la protocélula pueden actuar como plantillas para producir péptidos, las cadenas de aminoácidos que forman las proteínas.

"Ahora tienes información que, sí, al principio es aleatoria, pero esa información se está traduciendo libremente en una función", dice Harrison. En otras palabras, en una protocélula (donde sabemos que hay una forma de metabolismo y una fuente de energía) se puede obtener la base de un código genético que funciona automáticamente. Y eso significa que entra en acción la selección natural.

"Si tienes una función y heredas esa parte de información [a través de un gen], es posible que tengas más probabilidades de sobrevivir y la selección natural comience a ocurrir", dice Harrison.

Paradoja del origen de la vida

Este camino hacia la vida ayuda a sortear un problema clásico en los estudios sobre el origen de la vida, conocido como la paradoja de la herencia. La paradoja es que para tener herencia genética se necesita lo que los genetistas llaman traducción: una forma de convertir información del material genético en una proteína. Las células lo hacen a través de una compleja línea de producción en la que una máquina molecular llamada ribosoma crea proteínas a partir de aminoácidos. Sin embargo, para conseguir este sistema se necesita evolución, y no se puede tener evolución sin herencia.

Pero, ¿qué pasa si hay algún tipo de traducción que pueda ocurrir antes de toda esa maquinaria, lo que ocurre naturalmente, sin enzimas?, pregunta Raquel Nunes Palmeira, también del University College London. "Se puede lograr la evolución sin tener que tener toda la maquinaria".

Nunes Palmeira, Lane y sus colegas han modelado cómo podría funcionar esto y han descubierto que secuencias aleatorias de ARN construidas a partir de unidades de nucleótidos pueden, de hecho, "solidificarse" en genes distintos que codifican proteínas con una función particular: impulsar el crecimiento de la protocélula. Para que funcione la selección natural, se necesita herencia, variación y éxito diferencial, y lo que el modelo encuentra es que las longitudes de ARN que codifican el crecimiento de la protocélula (como la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos) son lo primero.

“Volviendo a la idea de Dyson, aquí el ARN y la protocélula no son individuos separados”, dice Nunes Palmeira. El ARN no es un parásito invasor, sino que es una parte intrínseca de los procesos metabólicos que ocurren en la protocélula.

Esto se parece más a lo que Woese imaginó que había sucedido en el origen de la vida. Él también sugirió que la traducción se produciría de forma natural, que las proteínas se producirían a partir de fragmentos aleatorios de ARN, porque existen afinidades químicas entre los nucleótidos y los aminoácidos.

Es genial tener este marco, pero eso no significa que estemos a punto de replicar el origen de la vida en el laboratorio. E incluso si un día creamos una protocélula que funcione y se reproduzca, eso no significa que hayamos demostrado cómo evolucionó la vida, advierte Harrison. "Siempre habrá un signo de interrogación", afirma. “¿Hemos resuelto el origen de la vida o hemos resuelto un origen?” Hay muchas hipótesis alternativas sobre cómo surgió la vida.

Vida extraterrestre

Pero hay una manera de comprobar si un marco para crear protocélulas es correcto. “Se pueden observar otros planetas”, dice Nunes Palmeira, para ver si la química conduce al metabolismo de manera similar. También podemos buscar en otros lugares.

En marzo, los científicos que analizaban muestras tomadas del asteroide Ryugu anunciaron que habían detectado las cinco nucleobases que componen el ADN y el ARN. Es decir: adenina, citosina, guanina, timina y uracilo, las unidades del código genético. La noticia fue ampliamente difundida como evidencia que respalda la idea de que la vida pudo haber sido sembrada en la Tierra desde otro lugar y transportada por un asteroide. Pero esa no es la conclusión más interesante que se puede extraer del hallazgo.

La detección de estos ingredientes respalda la idea explorada en este artículo: que las nucleobases (e incluso quizás las moléculas mucho más grandes de ARN y ADN) se forman fácilmente y en todas partes. También en el asteroide Bennu se encontraron todos los ingredientes necesarios para la vida. "Me parece más bien que estos productos químicos son sólo un mínimo termodinámico, tal vez a escala universal", dice Harrison.

Como hemos visto, incluso los procesos metabólicos parecen ser ejemplos de “deseos” químicos innatos. De hecho, la vida misma puede definirse como un proceso bioquímico que funciona al mínimo termodinámico. No necesitamos imaginar que la vida surge de la mano de un dedo sobrenatural o llega a la Tierra en un meteorito. La vida es sólo un proceso de química.

"Sorprendentemente, si se parte del hidrógeno y el dióxido de carbono, la formación de biomasa celular se ve favorecida termodinámicamente", dice Lane. No sólo la vida podría ser muy común en todo el cosmos, sino que las afinidades químicas significan que la vida podría tener componentes genéticos similares. "Toda la vida en el universo podría ser inquietantemente similar a nosotros", dice Harrison. Encelado, la luna de Saturno, que tiene respiraderos hidrotermales similares a los de la Tierra, sería un buen lugar para observar.

La imagen que emerge no es exactamente la unión simbiótica de dos entidades, como la imaginó Dyson. "Sin embargo, puedo ver el argumento de que existe algún tipo de cooperatividad molecular entre las reacciones químicas, los polímeros de ARN y los primeros péptidos", dice Harrison. "Depende de qué tan vaga sea la definición de simbiosis que estemos felices de tener".

Si definimos la simbiosis como dos especies que viven juntas, entonces nunca vamos a tener una simbiosis estricta en el origen de la vida, incluso antes de que existieran las especies. Estoy feliz de aflojar la definición aquí. Pero tal vez deberíamos mirar atrás, antes de Dyson, a Woese, quien dijo que nuestro ancestro universal era “comunal, un conglomerado diverso y poco tejido de células primitivas que evolucionaron como una unidad”. La sopa primordial era un caldo comunitario. El ambiente en el antiguo respiradero hidrotermal, que todavía es vital para la vida y los ecosistemas actuales, era de unión.

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