El principal reto que se le plantea a quien trata de explicar el hecho evolutivo es explicar de forma satisfactoria las transiciones de unos estados de cosa a otros: de la química abiótica a la biótica, de las moléculas “libres” a las células, de la falta de un sentido en los procesos a la replicación, de la captación de energía a partir de reacciones químicas a la captación de la contenida en los fotones, de las bacterias a la célula eucariota, de la unicelularidad a la multicelularidad, de la autotrofía a la heterotrofía, de la reproducción asexual a la sexual, de una relativa quietud al milagro del movimiento "perpetuo", del mar a la tierra, de la oscuridad de ciegos instintos a la luz de la consciencia, de la consciencia al verbo....entre otras.
Para dar respuesta a los interrogantes que van generando los sucesivos descubrimientos e interpretaciones, se hace cada vez más necesario penetrar el reino invisible de lo inmensamente pequeño, con la tecnología de la que nos hemos dotado. Dado que todo empezó ahí, y luego fue creciendo, se fue construyendo, a partir de sus diminutos ladrillos atómicos y moleculares, es ahí donde debemos mirar con mayor atención. La célula es la unidad de la vida. Con sus múltiples agregados e imbricadas combinaciones forma el tejido del que está hecha la biosfera. Pequeños cambios en el pequeño entramado dinámico de relaciones que se producen en su interior están en el centro y en la base de los grandes cambios que originan las transiciones evolutivas. Los cambios en la bioquímica celular son el motor de la evolución.
Para comprender mejor cómo pueden explicarse los grandes acontecimientos y transiciones de la vida y la evolución a partir de las pequeñas moléculas orgánicas e inorgánicas, nada mejor que leer el último libro del bioquímico inglés Nicholas Lane. Titulado Life Ascending (El Ascenso de la Vida), ha sido traducido y publicado por Ariel con el título Los Diez Grandes Inventos de la Evolución. En él se hace un análisis de grano fino, de grano molecular, de algunas de las más importantes transiciones en la historia de la vida, en el largo y tortuoso camino de la evolución. Lane ofrece una amplia gama de explicaciones e hipótesis plausibles sobre cuestiones tales como el origen de la vida, la fotosíntesis, la célula compleja, el sexo, el movimiento, la visión, la sangre caliente, la consciencia y la muerte.
1. Los biólogos John Maynard Smith y Eörs Szathmáry propusieron ocho hitos de la evolución en torno a los cambios en la información ("Del nacimiento de la vida al origen del lenguaje"). En "El ascenso de la vida", usted propone diez grandes inventos de la evolución: el origen de la vida, el ADN, la fotosíntesis, la célula compleja, el sexo, el movimiento, la visión, la sangre caliente, la consciencia y la muerte. ¿Que tienen en común estos diez inventos?
A mis diez invenciones no las une un tema común como la transmisión de información, sino su impacto en la vida y el planeta en conjunto. La evolución de la fotosíntesis transformó nuestro planeta, pero no fue una ‘transición evolutiva de primer orden’ según los criterios de Maynard Smith y Szathmáry. Sin embargo sin fotosíntesis no habría en absoluto organismos grandes, y la Tierra podría haber perdido sus océanos convirtiéndose en un planeta rojo y polvoriento como Marte. Puede argüirse que mis invenciones han sido los mayores ‘hitos’ en el camino desde el origen de la vida hasta nuestras propias vidas y muertes.
Yo soy bioquímico, y en un nivel más profundo otro tema unificador es cómo pequeños cambios en la estructura de unas pocas moléculas o procesos críticos conducen a cambios globales. Un cambio diminuto en una sola proteína permitió usar agua como combustible para la fotosíntesis; y eso acabó inundando la tierra de oxígeno. Internalizar la producción de energía transformó a las bacterias e hizo posible toda la vida compleja sobre la Tierra. Unos pocos diminutos cambios en el sencillo citoesqueleto de organismos como las levaduras nos pusieron en el camino que lleva a los músculos, y así al movimiento activo, en los animales. Tener más mitocondrias condujo a la diferencia entre animales de sangre caliente y de sangre fría, junto con las enormes diferencias en estilo de vida y posibilidades, como grandes cerebros, que la acompañan. Y así sucesivamente.
2. ¿Cómo funciona la evolución? ¿Cuáles son sus mecanismos? ¿Cómo se relacionan evolución y desarrollo?
A mí me interesan los mecanismos concretos de la evolución; no tanto los patrones matemáticos de de la genética de poblaciones como las maneras en que pequeños cambios en moléculas pueden conducir a grandes cambios en su función. Para mí la función es la clave, y considero a la fisiología, en su sentido más amplio, central en el funcionamiento de la vida. Los genes controlan la fisiología, pero la función es siempre lo primero. Tiendo a centrar mi atención en los principios de las cosas: cómo una tendencia a hacer algo espontáneamente es capturada por los genes, aprovechada y refinada.
Tal vez el modo más fácil de ver esto es pensar sobre el origen de la vida. No creo que hubiera nunca una "sopa primordial" en la que emergiera una población de replicadores de ARN que 'inventaran' todas las vías metabólicas de la vida. Más bien considero que la geoquímica estaba estructurada desde el principio. De la geoquímica surge la bioquímica de un modo termodinámicamente predecible, y de ahí a su vez surgen los genes y el comienzo de la auténtica selección natural. Los genes codifican procesos que ocurren espontáneamente, los refina, los perfecciona, pero rara vez los inventa desde cero. Me interesa este delicado, sutil puente entre la espontaneidad de la química y el orden que en ella imponen los genes.
¿Cómo se relacionan evolución y desarrollo? El desarrollo también es cuestión de fisiología, el modo en que un embrión crece y adquiere función. Un embrión empieza como una sola célula y adquiere función mediante un proceso que recapitula la evolución de los organismos multicelulares, al menos a grandes rasgos. Obviamente los genes orquestan este proceso, y cualesquiera cambios en estos genes del desarrollo pueden tener un importante efecto en la evolución. Pero yo no creo que la biología evolutiva del desarrollo añada en realidad una nueva dimensión a lo que ya sabemos sobre el funcionamiento de la evolución; añade profundidad y sutileza y detalle, pero no requiere una 'nueva síntesis'.
3. ¿De qué forma está contribuyendo la bioquímica moderna a desentrañar los pasos seguidos por la evolución en la historia de la vida?
La mayor parte de nuestra idea del 'árbol de la vida' deriva de secuencias genéticas. Los genes son cadenas unidimensionales de letras y sus secuencias proporcionan información real sobre cómo están emparentados los organismos; pero sólo llegan hasta cierto punto. Más allá, el mensaje de los genes se hace confuso.
Por ejemplo, si examinamos las secuencias genéticas no hay nada en común entre el esqueleto celular interno de las bacterias rígidas y el más dinámico citoesqueleto de las células complejas. Pero la moderna bioquímica muestra exactamente cómo están emparentados. La cristalografía puede desentrañar la estructura de las proteínas en tres dimensiones, y proteínas que parecen no emparentadas pueden ser superponibles en el espacio (mediante un ordenador). Podemos ver dónde se han conservado aminoácidos críticos, y al ver cómo se pliega la proteína puede empezar a verse su función, el modo en que los aminoácidos conservados se agrupan alrededor del sitio catalítico del enzima. Podemos ver cómo los pliegues de las proteínas se conservan a lo largo de grandes períodos de tiempo, y cómo proteínas que tienen poco en común en términos de secuencia genética en realidad están emparentadas a un nivel más profundo. Y podemos ver todo esto no sólo para proteínas individuales sino para grupos enteros de proteínas relacionadas cuyas secuencias genéticas no dan ninguna pista de que tengan algo en común. Y esto nos orienta sobre cuál podría haber sido su función original, y cómo ha cambiado.
Lo importante es que la moderna bioquímica proporciona una visión tridimensional de la evolución, en la que es central la función, en lugar de la información. Es en verdad muy sorprendente hasta qué punto puede verse corrompida la información, pero la estructura y la función conservadas. Algunos de los avances más interesantes proceden del darnos cuenta de que puede retenerse la estructura mientras que la función cambia. Así vemos, por ejemplo, que las diferentes proteínas de la fotosíntesis desarrollaron diferentes funciones, y con ellas secuencias genéticas completamente diferentes, pero conservaron la misma estructura de conjunto. Así pues, la estructura es una clase de constante que nos permite ver cómo se relacionan la función y la secuencia genética. ¡El gen egoísta no es con mucho tan inmortal como la estructura egoísta!
4. ¿Por qué es tan importante el oxígeno? ¿Cree posible una vida compleja sin él? ¿Cuáles son los elementos esenciales para la vida en general y la vida compleja en particular?
El oxígeno es crítico para la vida compleja dondequiera. En realidad es simplemente una cuestión de rendimiento energético, combinado con termodinámica, estabilidad, abundancia, etcétera. Podría obtenerse más energía haciendo reaccionar flúor con carbono, pero el flúor es muy raro en el universo mientras que el oxígeno es abundante; y el flúor es tan inmediatamente reactivo que jamás podría acumularse en la atmósfera, mientras que el oxígeno, debido a ciertas peculiaridades químicas, en realidad es bastante estable y hace falta insistir para que reaccione. Por eso podemos tener una atmósfera tan rica en oxígeno sin que arda todo espontáneamente.
El rendimiento energético es crítico para la vida compleja. El oxígeno proporciona un orden de magnitud más de energía a partir de una molécula de glucosa que la respiración anaerobia, y esto es lo que hace factible la predación como modo de vida. Si se vive sólo de fermentación no se puede espigar bastante energía de otros organismos como para que merezca la pena comerlos, así que sin oxígeno no puede haber predación, no puede haber redes alimentarias. La vida permanece básicamente bacteriana.
Ente paréntesis, debería decir que hay abundantes moléculas como el sulfato y el nitrato que pueden usarse en lugar de oxígeno, que rinden mucha más energía que la fermentación; pero su abundancia en un planeta depende de la presencia de oxígeno. Sin oxígeno se acaba con sulfuro de hidrógeno en lugar de sulfato, o amoníaco y nitrógeno en lugar de nitrato, así que esa fuente de energía desaparece también.
Estoy suponiendo que los planetas del otro extremo de la galaxia siguen las mismas reglas de la Química que el nuestro, pero todo lo que sabemos de Cosmología dice que así es. Así que la abundancia y la termodinámica son dos factores que debemos considerar en cuanto a la probabilidad de que cierto tipo de reacción química ocurra y sea sostén de vida.
No creo que el oxígeno sea la única barrera ante la vida compleja. Hay muchas bacterias que usan oxígeno, pero siguen siendo bacterias. Las únicas clases de organismos que han usado el oxígeno para hacerse grandes y complejas son eucariotas; organismos hechos de células complejas con núcleo. El origen de la célula eucariota parece haber sido un suceso único que ocurrió hace unos dos mil millones de años; probablemente como alguna clase de quimera entre dos bacterias. Yo diría que entre todos este es el principal cuello de botella en la evolución de la vida compleja en un planeta, y mis propias investigaciones tocan a las razones de que ocurriese. Por mi parte pienso que el origen de las células complejas depende, otra vez, de la energía, de la internalización de la respiración; sin eso no veríamos vida compleja en ninguna parte del universo.
5. ¿Cree usted que el futuro energético será cosa de agua y sol? Podemos aprovechar la energía tan bien como las plantas, sintetizando moléculas fotosintéticas?
Me gustaría pensar que sí, pero mucho depende de las prioridades. En último término si queremos suministrar energía al planeta mediante 'fotosíntesis' necesitamos ser más eficientes que las plantas; pero no veo por qué no podemos serlo. Requiere una extensa superficie y probablemente un completo replanteamiento de las redes energéticas. Pequeñas unidades solares desconectadas funcionarían probablemente mucho mejor que enormes paneles en un desierto en alguna parte. No puedo pretender ser un experto en todo esto, pero en mi opinión sería insensato no pasarnos a la energía solar: es lo que distingue a nuestro planeta. Estamos bañados en energía gratis del Sol, que la proporciona a toda la vida sobre la Tierra, y aun así discutimos por feos molinos de viento.
Creo que deberíamos dirigir nuestra atención en serio a la energía solar y usar la fotosíntesis como modelo: usar la energía del sol para descomponer agua, para generar hidrógeno y oxígeno, y luego hacerlos reaccionar entre sí para generar energía dejando agua como único residuo. Se critica a menudo a la economía de hidrógeno por requerir combustibles fósiles, pero no es así si se usa luz solar para descomponer agua. Si podemos acertar con el catalizador podemos hacer que esto funcione. Es escandaloso que haya en el mundo sólo un puñado de grupos de investigación trabajando en esto. Demasiados intereses establecidos. Oliver Morton propone que necesitamos alguna clase de nuevo 'Proyecto Manhattan' para resolver los problemas energéticos del mundo, en lugar de estas chapuzas de aficionados. Paul Falkowski, en el Instituto de Energía Rutgers en los Estados Unidos, está intentando conseguir fondos federales importantes para establecer algo parecido, uniendo a las antiguas universidades creadas con cesiones de tierras federales para abordar uno de los mayores problemas de nuestra época. No es sólo una cuestión de calentamiento global o acidificación de los océanos, también deberíamos priorizar la energía solar como una cuestión de seguridad nacional.
6. Su exposición sobre el estado actual de la investigación de la consciencia es bastante exhaustiva. Se une usted a Derek Denton al considerar la consciencia un fenómeno evolutivamente muy antiguo, y en el que hay grados. Al margen del “problema duro” de la sustancia de la consciencia, planteado por David Chalmers, ¿podría trazarnos la que a su juicio sería la más probable evolución de la consciencia? ¿Qué cree que nos diferencia, en cuanto a consciencia y autoconsciencia, de otras especies?
Creo que explicar la consciencia es probablemente el mayor reto individual de la ciencia. Estamos progresando bastante en el origen de la vida pero, como la mayoría de la gente, yo encuentro muy difícil habérnoslas con la consciencia; hasta definir qué es.
Es notoriamente difícil definir 'vida' pero pienso que podemos progresar prescindiendo de una definición específica y simplemente describiendo lo que hace. Al hacer eso se empieza a entender qué 'es', aunque aún sea difícil aplicar una buena definición. ¿Está vivo un virus? Depende de la definición, pero podemos ser mucho más precisos sobre qué hace. Definir si está vivo o no, no tiene sentido.
Creo que lo mismo se aplica en gran medida a la consciencia: deberíamos dejar de preocuparnos por definirla y procurar ver qué hace. Aquí me alinearía con Derek Denton: está explorando los orígenes de la consciencia en las profundidades del mundo animal, y específicamente describiendo qué hace y por qué. Pienso que cuanto más sepamos sobre la nebulosa zona entre lo que es consciente y lo que no (la clase de línea que separa a virus y células de estar vivo o no) más entenderemos sobre qué es de hecho la consciencia. Se ha prestado demasiado poca atención a la consciencia en los animales inferiores, en gran medida porque influyentes filósofos como Dan Dennett no consideran la consciencia un fenómeno ampliamente extendido. De nuevo, depende de la definición. Para mí está ampliamente extendida, pero simplemente estoy usando una definición diferente de la de Dennett.
Pienso que lo que nos distingue de otras especies es ciertamente el lenguaje, el uso de instrumentos y los detallados conceptos de causalidad que emergen de estas cosas. Pero curiosamente esta consciencia 'de nivel superior' no me parece demasiado difícil de explicar. Lo que sigue siendo difícil es la 'cuestión difícil': la dicotomía mente-cuerpo. No se puede tener 'autoconsciencia' sin el sustrato de 'consciencia'; pero ¿qué es eso? ¿Cómo genera una 'sensación' de cualquier cosa el movimiento de sodio, potasio y calcio a través de una membrana nerviosa? Creo que deberíamos buscar la respuesta en organismos sencillos como las abejas. Pueden no ser conscientes de la manera que la mayoría de la gente piensa en la palabra, pero estoy seguro de que 'experimentan' cosas. Sea como fuere, necesitamos saberlo.
7. ¿Cuál es la historia natural de las mitocondrias?
Fueron bacterias antaño, y quedaron 'domadas' como orgánulos, responsables de proveer toda nuestra energía. Por supuesto pienso que son mucho más que eso; pero esto en realidad entra en su siguiente pregunta.
8. ¿En qué trabaja ahora? ¿Cuál es su mayor reto científico? ¿Qué misterio desearía desvelar?
Tengo ahora una oportunidad maravillosa, fondos de la Provost’s Venture Research Fellowship del University College London, para investigar la cuestión de mis sueños, el misterio que me gustaría desvelar: por qué las bacterias parecen frustradas en su potencial evolutivo, por qué siguen siendo pequeñas y morfológicamente sencillas; y por qué este evento singular, el origen de la célula eucariota, dio lugar tan rápidamente a toda la vida compleja sobre la Tierra. ¿Qué tuvo ese evento específico que desencadenó el potencial para la complejidad? Yo pienso que fue la internalización de la producción de energía por las mitocondrias, que tienen sus propios genes para controlar la producción de energía; pero esto es muy hipotético. Estoy intentando formular las predicciones específicas que haría, y espero entonces someterlas a prueba en los próximos, pocos, años. ¡Son tiempos estimulantes!
No hay comentarios:
Publicar un comentario