La hipótesis más probable del origen de la vida (y no es ningún Dios)

Uno de los grandes retos de la ciencia siempre ha sido resolver el problema del origen de la vida. La evolución de las especies por la acción de la selección natural es una verdad irrefutable desde que Charles Darwin publicara “El origen de las especies” en 1859. Si quisieras leer todas las pruebas publicadas que demuestran la teoría de la evolución, te llevaría varias vidas hacerlo, leyendo 24 horas al día, 7 días a la semana. Sin embargo, hasta la llegada de la ciencia moderna, todas las culturas y religiones del mundo se han dedicado sistemáticamente a explicar lo inexplicable a través de mitos, y el surgimiento de la vida no escapa a estas leyendas. Ya sea mediante la ajetreada semana de Dios en el Génesis, o mediante el surgimiento de Gaia a partir de un destello de luz, la cuestión de cómo empezó la vida siempre ha estado presente en nuestro imaginario colectivo. Una de las formas más inteligentes de preguntarse cómo empezó la vida en la Tierra es cuestionarse cómo lo inorgánico se transformó en orgánico. ¿Cómo pasó la Tierra de ser un planeta en el que sólo había rocas y océanos a ser uno con vida? En este artículo trataremos de desvelar esta pregunta, pero no de la mano de teólogos y filósofos, sino de la mano de químicos y biólogos, los mejores expertos para cuestionar este tipo de preguntas.

Cualquier conversación sobre el origen de la vida debe comenzar con una definición de lo que significa esta palabra de cuatro letras. Aunque los científicos no sean unánimes con esta cuestión y existan tantas definiciones como personas que intentan definirla, una definición muy sencilla sería la siguiente: la vida está presente en cualquier entidad que crezca, se metabolice y responda a estímulos. No obstante, si simplificamos aún más, la vida solo tiene dos requisitos básicos: un ser vivo debe reproducirse y debe poder mutar. El primer requisito (reproducción o replicación) parece obvio, es esencial para que una entidad viva se perpetúe en generaciones futuras. Esto la distingue de un ser inerte como una roca, que no se reproduce. Sin embargo, el segundo requisito puede parecer sorprendente; después de todo, ¿las mutaciones no son algo malo? Pues la verdad es que no, ya que sin mutaciones no hay evolución. Si la replicación de estas entidades primitivas fuera perfecta, la vida seguiría siendo primitiva, y no podríamos observar la enorme biodiversidad que habita hoy nuestro planeta. Sin mutaciones no surgirían formas de vida alternativas, y estas formas variantes son necesarias para que actúe la selección natural. La mutación es necesaria para dar a los descendientes de una forma de vida la oportunidad de mejorar con el paso de las generaciones, de adaptarse y evolucionar. Por lo tanto, la pregunta sobre el origen de la vida debería ser la siguiente: ¿Cómo surgió la primera entidad capaz de replicarse y evolucionar?

Si la vida significa replicación, entonces debe haber algunas instrucciones, alguna información que se transmita de una generación a la siguiente. Desde hace tiempo ya sabemos que esta información se encuentra en el núcleo de nuestras células, en nuestras moléculas de doble hélice de ADN. Sin embargo, aunque el ADN nos proporcione el manual de instrucciones para la vida, no puede copiarse a sí mismo sin ayuda externa. Gracias a unas pequeñas máquinas proteicas llamadas replicasas, una especie de fotocopiadoras moleculares, nuestras células son capaces de duplicar esas dobles hélices de ADN en dos copias. Aquí es donde surge uno de los grandes problemas que los filósofos han simplificado con la cuestión: ¿Qué fue antes el huevo o la gallina? Pero esta pregunta en realidad quiere decir: ¿Qué fue antes la molécula informativa (el ADN) o la molécula funcional que la reproduce (la proteína)? Ambas cosas tuvieron que surgir de forma simultánea, pero la idea de que mediante reacciones químicas aleatorias se hubiera producido tanto el ADN, como la máquina copiadora impulsada por proteínas al mismo tiempo y exactamente en el mismo lugar, parece inconcebible. Del mismo modo, igual de improbable resulta que primero surgiera una y esperase unos cuantos millones de años a que surgiera la otra. Estas moléculas tienen una estabilidad limitada, y lógicamente habrían desaparecido si no se replicaran. Por lo tanto, lo que necesitaban los científicos para explicar el orígen de la vida es una molécula que pueda desempeñar ambas funciones: transportar información, el código de la vida, y reproducir ese código por si misma. Es decir, necesitamos que el huevo y la gallina sean lo mismo. Da la casualidad que al autor del libro en el que se basa este artículo (Thomas R. Cech), le dieron el Premio Nobel de Química por encontrar una molécula que cumple esta doble función: Una molécula de ARN.

Thomas Cech y su grupo de investigación descubrieron en los 80 una molécula de ARN que era capaz de cortarse a sí misma y volver a unirse. Es lo que se conoce como un ARN autoempalmante. En nuestros genes, la información genética necesaria (las bases A, C, G y T) para producir proteínas (los exones) aparece junto a otras bases que no muestran información codificante (los intrones). Cuando el ADN se transcribe a ARN, esta información “inútil” (los intrones) es eliminada a través de un proceso conocido como "splicing". Bien, pues Cech y su equipo encontraron una molécula capaz de realizar este proceso sobre sí misma, demostrando que esta molécula muestra actividad catalítica. Puede que te parezca algo sin relevancia, pero en el mundo de la bioquímica siempre se había pensado que cualquier molécula que cataliza una reacción química tenía una forma proteica, y descubrir estas ribozimas (el nombre que se les puso a estos ARN) fue un gran hito en la historia de la ciencia. Este ARN podría ser la respuesta que los científicos estaban buscando ante el dilema del huevo y la gallina. Por un lado, es evidente que el ARN es una molécula informativa, ya que actúa como mensajero de la información albergada en el ADN para que este pueda traducirse a proteínas, dirigiendo el orden de los aminoácidos con los que se va a sintetizar. Por lo que no hay ninguna duda de que el ARN pueda transportar información. Por otro lado, el gran problema estaba en saber si este ARN era capaz de replicarse a sí mismo, y en cómo lo hacía en un mundo primigenio sin proteínas. Sin embargo, el ARN autoempalmante de Cech cataliza una serie de reacciones que implican la creación de nuevos enlaces entre nucleótidos, exactamente el tipo de actividad enzimática que se necesitaba para la autorreplicación del ARN. Es en este momento donde nació la hipótesis del mundo de ARN sobre el origen de la vida. Ahora continuemos observando los experimentos que defienden esta hipótesis.

Si quieres construir una pared necesitarás ladrillos, y el ARN, al igual que la pared, también está constituido por sus propios bloques de construcción, los cuatro nucleótidos A, C, G y U. Cada una de estas bases nitrogenadas están unidas a 3 grupos fosfato que las hacen químicamente activas y propensas a unirse entre sí. Por lo tanto, para argumentar que el ARN fue la primera forma de vida en el planeta, será necesario dar una explicación satisfactoria sobre cómo surgieron estos bloques de construcción del ARN. En la era prebiótica (antes de la vida) o inorgánica, estos ladrillos debieron de formarse espontáneamente a partir de sustancias químicas inorgánicas presentes en el medio ambiente. El carbono, el hidrógeno y el nitrógeno que se encuentran en cada uno de estos nucleótidos (los ladrillos) procederían de gases atmosféricos simples como cianuro de hidrógeno (HCN) que contiene los 3 elementos. El oxígeno necesario para los nucleótidos procedería del agua; mientras que el quinto elemento necesario, el fósforo, procedería de rocas terrestres ricas en fosfatos como apatitos, o bien procedente de meteoritos extraterrestres que bombardearon la Tierra hace miles de millones de años. Bien, ya tenemos los ingredientes, pero para hacer una receta es necesario un cocinero que mezcle estos ingredientes, ¿hasta qué punto es factible que los nucleótidos del ARN se formasen de manera espontánea a partir de estos elementos presentes en la Tierra primitiva?

Esquema del ARN autoreplicante (Fuente: Muñoz-Velasco et al., 2024, Genetics and Molecular Biology (SciELO)

En 1952, los químicos Stanley Miller y Harold Urey demostraron que muchos de los aminoácidos que se encuentran en las proteínas se podían crear en el laboratorio al encender sustancias inorgánicas simples con una chispa eléctrica que sustituiría a los rayos primitivos. ¿Podría el ARN haberse formado de la misma forma? Pues resulta que sí. El químico británico John Sutherland junto a su equipo demostraron que compuestos químicos simples que contienen hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono y fósforo pueden reaccionar para formar nucleótidos. Además, las condiciones de la Tierra primitiva eran muy violentas, con tormentas eléctricas, bombardeos de cometas, erupciones volcánicas y una potente radiación ultravioleta procedente del sol, este duro entorno aportaría la energía necesaria para impulsar las reacciones químicas. Teniendo en cuenta todo esto, es muy probable que los nucleótidos se formaran de forma espontánea en la Tierra ancestral. Ahora que tenemos los ladrillos capaces de albergar información, necesitamos que estos nucleótidos puedan unirse entre ellos para formar una cadena de ARN, y esta fue exactamente lo que demostró Leslie Orgel en su laboratorio del instituto Salk. Mediante la síntesis de diversos nucleótidos y calentándolos a fuego lento con altas concentraciones, si se esperaba durante varios días, reaccionaban de manera espontánea entre sí para formar cadenas cortas de ARN. Ya tenemos las evidencias de que los ladrillos (los nucleótidos) y el muro (la cadena de ARN), pudieron surgir en un mundo prebiótico, ahora solo faltaba que este muro fuese capaz de copiarse así mismo. ¿Y si uno de los trozos de ARN producidos de forma aleatoria por Leslie fuera lo bastante largo y tuviera la secuencia de nucleótidos adecuada para poder plegarse y funcionar como catalizador capaz de copiarse a sí mismo? Si la respuesta a esta pregunta es afirmativa, entonces el ARN sería la molécula milagrosa que catalizó la vida en la Tierra. Aunque la probabilidad de que esto ocurra es más baja que la de que te toque la lotería, el ARN prebiótico dispondría de cientos de millones de años para conseguirlo.

¿Se podría demostrar en el laboratorio esta autorreplicación de ARN catalizada por el propio ARN? Esto es lo que intentaron los científicos Jack Szostak y Jennifer Doudna en el Hospital General de Massachusetts. Mediante modificaciones de la ribozima con capacidad de autoemplearse que había descubierto Thomas R. Cech, trataron de crear una ribozima con capacidad de copiar cadenas de ARN más largas. Para entender bien este proceso, repasemos unos sencillos conceptos de replicación que ya viste en las clases de biología del instituto. Una cadena de ARN, por ejemplo, GGG, no se copia a sí misma sin más, primero tiene que copiarse en una plantilla, una cadena complementaria, y sólo entonces será capaz de emplear el emparejamiento de bases complementarias para dirigir la síntesis de otra copia de la molécula original. Es decir, la cadena de GGG primero debe copiarse en CCC (complementariedad G-C), que a su vez se empleará para dirigir la formación de otra cadena GGG. El proceso sería GGG → CCC → GGG sería algo parecido a copiar un objeto 3D, primero debes de realizar un molde a partir del objeto original (una copia inversa), para luego llenar ese molde y así copiar el objeto. En el caso de la replicación del ARN, la ribozima con actividad catalítica sería el objeto original, y el molde sería un ARN complementario. Este no tendría actividad catalítica, pero sería necesario como molde para fabricar más ribozimas. Ribozima → secuencia complementaria → ribozima. Esto fue exactamente lo que consiguieron Szostak y Doudna, demostrando que era factible que fragmentos de ARN se ensamblaran entre sí para formar una pequeña máquina con la capacidad de autorreplicarse. Por lo tanto, ya tendríamos nuestra molécula huevo-gallina. Sin embargo, cabe destacar que los científicos no han sido capaces de producir un ciclo completo de autorreplicación. Es decir, mezclar nucleótidos en un tubo de ensayo y volver más tarde para encontrar una molécula de ARN ensamblada haciendo copias de sí misma. Pero la propuesta de que la vida empezó como un mundo primigenio de ARN parece, al menos, plausible. Mucho más plausible que cualquiera de las otras hipótesis, en especial las planteadas por las religiones que se pueden resumir en que la vida surgió por arte de magia.

Modelo simplificado del experimento de Urey y Miller (Fuente: Wikipedia)

A pesar de todas las evidencias mencionadas, los científicos tenían que enfrentarse a otro problema, ya que un montón de moléculas con capacidad de autorreplicarse no son, por su puesto, un organismo. Aunque se trate de un organismo primitivo, tiene que ser una entidad distinta de su entorno y de otros organismos. Tiene que estar encerrado en algún tipo de envoltura. Esta envoltura sería un ancestro de lo que hoy conocemos como membranas celulares. Estas membranas están formadas por lípidos (fosfolípidos), moléculas grasas que tiene la maravillosa capacidad de autoensamblarse formando láminas de 2 capas lo bastante resistentes como para soportar la presión, lo bastante impermeables para proteger el contenido celular y lo bastante flexibles para permitir el movimiento y la división celular. En nuestro mundo de ARN primigenio, las células antiguas también se rodearían de una membrana que las protegiera. Por ejemplo, una membrana podría excluir a las moléculas de ARN competidoras, que les robarían los nucleótidos necesarios para su replicación. Además, de esta forma se facilita la evolución, ya que sin membrana, si una molécula de ARN autorreplicante sufre alguna mutación que la convierta en mejor replicasa, beneficiaría a todas las demás moléculas de ARN. Aunque esto parezca algo bueno, inhibe la evolución. Si se busca que las formas de vida mejoren con el tiempo, es necesaria la supervivencia del más apto, y esto solo ocurre cuando las formas de vida están separadas y son distintas entre sí. El grupo de investigación de Szostak ha estudiado el comportamiento de ácidos nucleicos dentro de envolturas de membrana que se conocen como protocélulas. De hecho, mezclando los ácidos grasos de los fosfolípidos con ácidos nucleicos, mediante ciclos de congelación-descongelación o hidratación-deshidratación, se ha conseguido que estos ácidos nucleicos queden encapsulados al azar dentro de la envoltura lipídica. Es más, este grupo de investigación ha demostrado que estas protocélulas son capaces de crecer y luego dividirse. Un paso más en la verosimilitud de la hipótesis de cómo lo inorgánico pasó a orgánico.

Con este artículo (y con el libro en el que se basa) espero que al lector le haya quedado bien claro que la hipótesis más factible de cómo se inició la vida en la Tierra es la del mundo primigenio de ARN. Ninguna de las demás hipótesis como la de la panspermia, que indica que las moléculas orgánicas llegaron a la Tierra procedentes del espacio exterior a través de meteoritos y cometas; o la muy improbable (por no decir directamente imposible) hipótesis del génesis bíblico, muestran semejante grado de evidencia científica. En la cuestión del origen de la vida en la Tierra, son demasiadas las pruebas exigidas a la ciencia, y muy pocas (o ninguna) las evidencias exigidas a la religión.

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