Lo natural en el vacío sería que ni hubiera ni pudiera haber nada, puesto que la nada no engendra, por definición, nada. Lo natural en un universo con química inorgánica es que nada se replique, lo natural en un mundo de replicantes moleculares es que no formen grandes factorías con infinidad de procesos enlazados, que nada tenga autonomía ni persiga objetivos, por muy rudimentarios que fueren, y lo natural en un mundo de células procariotas es que no se evolucione hacia organismos multicelulares cohesivos, coherentes y con funciones distribuidas. Pero nada de ello ha sido natural, a la luz de la historia de la vida. De alguna forma que no podemos entender todavía del todo han evolucionado o han surgido la energía, la vida, la célula, la célula eucariota y los organismos complejos.
La física no tiene, de momento, una respuesta a la explosión que hizo nacer nuestro tiempo y nuestro espacio, ni menos a qué pudo precederla, si es que tiene sentido plantearse dicha cuestión (si no había tiempo ¿antes de qué?). El del origen de la vida es un campo muy activo de estudio desde que disponemos de herramientas de análisis y un marco teórico sólido en biología molecular, pero sigue siendo un campo misterioso. Igual sucede con el origen de los eucariotas. Un científico ruso llamado Konstantin Mereschowsky propuso, a principios del siglo XX (cuando no se disponía aún de las avanzadas herramientas de análisis de la biología molecular) que la primera célula eucariota surgió a partir de la unión simbiótica de otras células. Dicha hipótesis fue revitalizada por la bióloga Lynn Margulis, y análisis moleculares del DNA de la mitocondria (orgánulo celular) confirmaron su origen bacteriano.
Hyman Hartman, Profesor del MIT, es una de las mayores autoridades mundiales en el estudio de los orígenes de la vida y del Dominio Eukarya. Junto con Alexei Fedorov propuso una hipótesis bastante probable sobre el surgimiento de la célula eucariota. Esta se habría formado a partir de la unión de al menos tres tipos de célula procariota: una arquea, una bacteria y un tercer tipo, al que denomina Cronocito, que habría dispuesto, entre otras cosas, una estructura citoesquelética que permitiría engullir las otras dos células. Hartman y Fedorov compararon los ADNs de arqueas, bacterias y eucariotas, y llegaron a la conclusión, avalada por el número 347, de que había un tercer miembro en la primera endosimbiosis celular. 347 es el número de proteínas que Hartman y Fedorov consideran genuinamente eucarióticas, esto es, que no se encuentran ni en bacterias ni en arqueas. Los genes que las hacían posibles residieron probablemente en alguna célula del caldo celular primitivo, el Cronocito.
1) ¿Qué hipótesis tiene usted sobre el origen de la vida?
La solución al origen de la vida es la replicación de la arcilla y la evolución. La del origen de la vida es una cuestión histórica y no experimental. En toda reconstrucción histórica son necesarios documentos.
Los documentos: Desde Darwin y, aún más importante, desde Mendel tenemos una teoría de la evolución: la amplificación de eventos singulares (mutación) por supervivencia y replicación. La moderna teoría de la evolución por selección natural depende de la importante idea de la aptitud darwiniana (supervivencia de los más aptos multiplicada por el número de la progenie). Sin embargo debe haber un sistema de memoria, que almacene las mutaciones favorables. (Esto es, ADN o ARN o arcilla).
Tenemos ahora disponibles las memorias almacenadas en el ADN de organismos actuales (v.g. el genoma humano) y estamos empezando a descifrar sus historias.
El último antecesor común
Se han secuenciado los genomas de ADN de muchos organismos y ahora podemos empezar a leerlos. Comparamos las proteínas y ADN de parientes próximos y expandiendo gradualmente estas comparaciones podemos reconstruir su antecesor común. En definitiva, podemos reconstruir el último antecesor común de todos los organismos vivientes y entonces empezar a intentar reconstruir cómo se originó. La sorpresa es que el último antecesor común hallado por estos medios es un organismo complicado. Esto es porque hemos empezado con el dogma central y no con cuál fue el dogma que precedió al dogma central.
Se han secuenciado los genomas de ADN de muchos organismos y ahora podemos empezar a leerlos. Comparamos las proteínas y ADN de parientes próximos y expandiendo gradualmente estas comparaciones podemos reconstruir su antecesor común. En definitiva, podemos reconstruir el último antecesor común de todos los organismos vivientes y entonces empezar a intentar reconstruir cómo se originó. La sorpresa es que el último antecesor común hallado por estos medios es un organismo complicado. Esto es porque hemos empezado con el dogma central y no con cuál fue el dogma que precedió al dogma central.
La primera simplificación: el ARN pudo haber sido el sistema de memoria original, ya que puede replicarse como el ADN. Los únicos organismos que tienen ARN como sus moléculas de almacenamiento de memoria son virus de ARN que se encuentran predominantemente en eucariotas.
El mundo de ARN y Proteínas
ARN → Proteína
En este mundo es donde se perfeccionó el código genético.
Entonces se halló experimentalmente que algunos ARN son también catalizadores que aceleran ciertas reacciones químicas, y a estos ARN se les llamó ribozimas (los catalizadores proteínicos se llaman enzimas). Entonces se postuló que el ARN no sólo podía replicarse, sino que podía catalizar reacciones químicas igual que harían los enzimas.
Antes del ADN hubo ARN, y estos ARN podían también catalizar reacciones como los enzimas proteínicos.
Por tanto, ARN→ ARN.
Estamos ahora en el mundo de ARN.
El mundo de ARN
El problema con el mundo de ARN es que hay que producir los monómeros de los nucleótidos A, G, C, U, y eso no es fácil, y hay que apelar a la hipótesis de la sopa.
La hipótesis de la sopa
En 1953 Stanley Miller electrocutó una atmósfera de metano, amoníaco e hidrógeno, lo que produjo en la atmósfera cianuro y formaldehído y otros aldehídos, que en presencia de agua dieron origen a aminoácidos.
Esto dio origen a la idea de que la Tierra primitiva tenía una tal atmósfera reductora y que los oceános se habrían convertido en una sopa diluída de moléculas orgánicas que sobre superficies de arcilla podrían polimerizar en polipéptidos, etc.
Por tanto, respecto a la pregunta de qué fue primero, si el huevo o la gallina: ninguno, fue el caldo de gallina.
La hipótesis sin sopa
La atmósfera de la Tierra primitiva
En una atmósfera de dióxido de carbono y nitrógeno las chispas no forman cianuro y aldehídos, por tanto no se formaron moléculas orgánicas en una tal atmósfera, por tanto no hubo sopa y por tanto no hubo mundo de ARN.
La fotoquímica al rescate
Resulta que la solución a cómo conseguir moléculas orgánicas reducidas a partir de una atmósfera de CO2 y N2 se encuentra en el hierro de la superficie del antiguo planeta. Fueron los iones ferrosos de las rocas, suelos y océanos de la antigua Tierra los que proveyeron los electrones y, en presencia de la luz solar, redujeron el dióxido de carbono y el nitrógeno a ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos. ¿Tenemos un registro de cómo se llega de dióxido de carbono y nitrógeno a ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos? La respuesta es sí. Así es como opera hoy la fotosíntesis: toma CO2 y N2 y los convierte en aminoácidos, etc. Las vías biosintéticas por las cuales esto ocurre hoy son la memoria de cómo se logró originalmente en la Tierra primitiva.
Sam Granick, un profundo estudioso de la fotosíntesis, acuñó la frase: la biosíntesis recapitula la biopoyesis.
La biosíntesis es una compleja red de reacciones químicas catalizadas, y por tanto tal red no llegó a existir de una sola vez. Lo que hace falta es un sistema en evolución, que pueda empezar simple y evolucionar a formas más complejas, y esto requiere memoria. Lo que hace falta, por tanto, es un sistema que pueda evolucionar por mutación y selección natural.
La hipótesis de la arcilla
Fue Schrödinger quien postuló por vez primera que un sistema informacional que pudiese evolucionar por mutación y selección requeriría un cristal aperiódico. Por una parte debía ser capaz de almacenar información (aperiodicidad); y por otra, debía ser fácil de replicar por cristalización superficial.
El ADN y el ARN cumplen estos requisitos. La información se almacena en la secuencia de nucleótidos de los ácidos nucléicos, que a la vez son capaces, por medio del apareamiento de bases descubierto por Watson y Crick, de replicar una hebra de ARN o ADN, por ejemplo, mediante polimerización catalizada por plantilla, en hebras complementarias de ARN o ADN. El ADN y el ARN son cristales unidimensionales aperiódicos.
Las arcillas son cristales aperiódicos bidimensionales. Son como un tablero bidimensional de damas chinas. Supongamos que hay fichas blancas y negras que llenan cada casilla en un tablero hexagonal muy grande. El número de posibles distribuciones de fichas blancas y negras es muy grande; las fichas blancas y negras en nuestro modelo son los iones de aluminio y silicato de las jaulas de oxígeno e hidróxido de la capa superficial de la partícula de arcilla. Las arcillas son catalizadores muy buenos, y pueden catalizar muchas importantes reacciones orgánicas. La reacción más reciente es la capacidad de polimerizar nucleótidos activados para formar polinucleótidos (Ferris).
La principal idea nueva es que, como el ADN, las arcillas se replicarían; esto es, la distribución de fichas blancas y negras aparecería, en forma complementaria, en la partícula de arcilla hija. El patrón de fichas blancas y negras sería la fuente de las propiedades catalíticas de las superficies de la arcilla. Las arcillas capaces de catalizar la síntesis de aminoácidos y después nuceótidos sobrevivirían y se replicarían mejor que las que no pudiesen.
El nuevo nuevo nuevo dogma
Arcilla → arcilla Mundo de arcilla
Arcilla → ARN → proteína
ARN → proteína
ADN → ARN → proteína
Hay tres dominios celulares: 1) Archaea, 2) Bacteria y 3) Eukarya. Carl Woese fue el primero en separar las arqueas de las bacterias estudiando las secuencias de nucleótidos del ARN de la subunidad ribosómica pequeña. La separación entre las bacterias y los eucariotas se ha basado en el núcleo como orgánulo limitado por una membrana.
Arqueas y bacterias son como media pequeñas, una micra de diámetro (micra = una millonésima de metro), y las células eucariotas como media tienen diez micras de diámetro, lo que significa que son unas mil veces mayores en volumen. Se puede meter una arquea o una bacteria en una célula eucariota. El mecanismo mediante el cual una bacteria entra en una célula eucariota se llama fagocitosis. Si la bacteria se queda a vivir en la célula eucariota llamamos al suceso endosimbiosis.
La célula eucariótica es una quimera. Tiene dos orgánulos —mitocondrias (en animales y plantas) y cloroplastos (plantas)— que proceden de bacterias que fueron tragadas y adoptadas por una célula eucariota. Estos orgánulos son endosimbiontes. Están rodeados por una doble membrana: una membrana que procede de la bacteria y otra de la célula hospedadora. Ambos orgánulos tienen un cromosoma que contiene ADN, que procede de la bacteria.
La célula eucariótica es una quimera. Tiene dos orgánulos —mitocondrias (en animales y plantas) y cloroplastos (plantas)— que proceden de bacterias que fueron tragadas y adoptadas por una célula eucariota. Estos orgánulos son endosimbiontes. Están rodeados por una doble membrana: una membrana que procede de la bacteria y otra de la célula hospedadora. Ambos orgánulos tienen un cromosoma que contiene ADN, que procede de la bacteria.
El primer problema a resolver sobre el origen de la célula eucariota es: ¿de dónde vino el núcleo? Es un orgánulo con una doble membrana con poros, y con ADN unido a histonas y otras proteínas para formar lo que se llama cromatina. Hay ciertas arqueas que tienen histonas, y por tanto son candidatos para ser endosimbiontes, y por tanto el núcleo es un endosimbionte como el cloroplasto y la mitocondria; la principal diferencia es que es un endosimbionte arqueano.
La respuesta a la pregunta sobre el origen del núcleo es: el núcleo es un endosimbionte arqueano.
La pregunta que queda es qué era la célula hospedadora en la cual el núcleo se convirtió en endosimbionte.
La pregunta que queda es qué era la célula hospedadora en la cual el núcleo se convirtió en endosimbionte.
La célula hospedadora
El proteoma de una célula es el catálogo completo de las proteínas de esa célula. Por ejemplo E. coli tiene cuatro mil proteínas diferentes, una arquea promedio tiene dos mil clases diferentes de proteínas, y los humanos tenemos unas veinte mil proteínas distintas.
Si se compara el proteoma de arqueas, bacterias y eucariotas se puede formular la pregunta: ¿qué proteínas se encuentran en eucariotas pero no en arqueas ni bacterias? La respuesta apunta a una célula que tenía un citoesqueleto interno y proteínas de control capaces de fagocitosis. Hay proteínas relacionadas con el ARN más bien que con el ADN. Esto implica que el ARN dominaba en la memoria de la célula hospedadora (Hartman y Fedorov).
La evolución de la célula eucariota fue como sigue: la célula más antigua tenía citoesqueleto y usaba predominantemente ARN para almacenamiento de memoria. Además su metabolismo estaba dominado por la fermentación y quizá una fotosíntesis primitiva.
Un subconjunto de estas células adquirió por evolución una fotosíntesis eficiente ligada a membranas y basada en ATP, y después pasó de ARN a ADN para el almacenamiento de memoria.
Entonces empezó una serie de sucesos endosimbióticos: primero la endosimbiosis con una arquea que resultó en el núcleo; luego se tragó una bacteria fotosintética púrpura que evolucionó hasta la mitocondria; y, finalmente, en las plantas, fue tragada una cianobacteria que resultó en un cloroplasto.
¿Qué ocurrió con los ARN de la célula hospedadora? Fueron transcritos a ADN del núcleo. Se da a la célula hospedadora el nombre de cronocito porque, como el dios griego Cronos, devoró a su progenie de ADN, las bacterias y la arquea.
La hipótesis ABC
Célula eucariótica = Arquea + Bacteria + Cronocito.
3) ¿Cuánto orden y cuanto caos hay en una célula?
En el nivel local de un enzima puede haber ruido, pero en conjunto, como resultado de múltiples interacciones entre proteínas, la célula es estable; un ejemplo es la quimiotaxis bacteriana.
En la quimiotaxis una bacteria nada contra un gradiente de concentración de una molécula en su entorno. El gradiente no es detectable a la escala del diámetro de una célula bacteriana (hay demasiado ruido). Lo que hace la célula bacteriana es muestrear los datos ruidosos y, mediante una forma de memoria, detectar el gradiente a lo largo del tiempo. El detector no es un solo detector en la membrana de la célula sino un conjunto de receptores que interactúan, y que en cooperación son capaces de alcanzar gran sensibilidad. Los métodos teóricos para estudiar este conjunto de receptores que interactúan son muy similares a los de estudio de sistemas en física de la materia condensada (por ejemplo el modelo de Ising del magnetismo). Ya que cerca del 30% de las proteínas se encuentran en la membrana de la célula bacteriana e interactúan fuertemente entre sí, yo propondría que, a causa de estas interacciones no lineales, "membrane" debería escribirse "Mem-Brain" [brain = cerebro]. Es en la membrana donde la célula bacteriana toma sus decisiones de nadar o girar según su ambiente externo y condiciones intracelulares. Así, lo que es ruidoso localmente en un solo receptor esta determinado globalmente por interacción y memoria. Trabajo de D. Bray y Duke.
En la quimiotaxis una bacteria nada contra un gradiente de concentración de una molécula en su entorno. El gradiente no es detectable a la escala del diámetro de una célula bacteriana (hay demasiado ruido). Lo que hace la célula bacteriana es muestrear los datos ruidosos y, mediante una forma de memoria, detectar el gradiente a lo largo del tiempo. El detector no es un solo detector en la membrana de la célula sino un conjunto de receptores que interactúan, y que en cooperación son capaces de alcanzar gran sensibilidad. Los métodos teóricos para estudiar este conjunto de receptores que interactúan son muy similares a los de estudio de sistemas en física de la materia condensada (por ejemplo el modelo de Ising del magnetismo). Ya que cerca del 30% de las proteínas se encuentran en la membrana de la célula bacteriana e interactúan fuertemente entre sí, yo propondría que, a causa de estas interacciones no lineales, "membrane" debería escribirse "Mem-Brain" [brain = cerebro]. Es en la membrana donde la célula bacteriana toma sus decisiones de nadar o girar según su ambiente externo y condiciones intracelulares. Así, lo que es ruidoso localmente en un solo receptor esta determinado globalmente por interacción y memoria. Trabajo de D. Bray y Duke.
La integración global de la célula está en su infancia, así como la síntesis entre la física de la materia condensada y la célula procariota y eucariota.
4) ¿Qué mecanismos explican, desde su punto de vista, la producción y evolución de especies vivientes?
Hay cuatro mecanismos. 1) Aislamiento geográfico, que puede tardar largo tiempo. 2) Especiación por infección, cuya causa es la infección de una subpoblación por una bacteria (vg. Wolbachia) o un virus; esta sería rápida. 3) Por selección sexual, donde hay en una subpoblación un cambio rápido en la selección de parejas. 4) Aislamiento ecológico, donde una subpoblación invade un nuevo nicho ecológico.
5) Acerca de los virus: ¿son seres vivos? ¿Qué papel piensa usted que han desempeñado en la historia de la vida?
En los océanos hay hoy muchos más virus de bacterias que bacterias. La metagenómica de estos virus muestra que tienen muchos genes bacterianos. Los virus de bacterias, o fagos como se los llama, son resultado del sistema de infección para la recombinación que usan las bacterias. La evolución de los bacteriófagos empezó con la transformación de bacterias por ADN desnudo, que evolucionó al mecanismo más eficiente de los plásmidos, que se transmiten por contacto entre la bacteria donante y la receptora. El siguiente paso fue la evolución del plásmido hasta, por ejemplo, los fagos lisogénicos como el fago lambda de E. coli. El precio que hubo que pagar por este sistema de recombinación fue que acabaron evolucionando bacteriófagos líticos como, por ejemplo, el T4.
En las células eucarióticas el sistema de recombinación está mediado por el sexo, y por eso es por lo que hay tan pocos virus eucariotas de ADN. Los virus dominantes en el dominio eucariota son virus de ARN. Deben de haber evolucionado en una antigua célula basada en ARN, el cronocito. Tal vez había en el cronocito un sistema de recombinación mediado por virus de ARN.
6) ¿En qué está usted trabajando ahora? ¿Cuál es su máximo desafio intelectual? ¿Que misterio desearía desvelar?
Estoy ahora trabajando en la evolución del aparato de traducción de la célula, especialmente la evolución del ribosoma. Esto está relacionado con mi trabajo anterior y el origen y evolución del código genético. (Busque en PubMed mis trabajos recientes sobre la evolución del ribosoma y los más antiguos sobre la evolución del código genético).
El mayor reto intelectual es convencer a mis colegas de que antes de haber ARN hubo arcilla. (Busque mis trabajos sobre el origen y la evolución del metabolismo y el código genético). Hay un libro que edité con Cairns-Smith, Clay Minerals and the Origin of Life.
El misterio con el que sueño es: ¿por qué la evolución biológica se transformó en evolución cultural? ¿Qué ocurrió, hace 40.000 o 50.000 años, que condujo a nosotros? ¿Por qué empezaron a pintar en cuevas y enterrar a sus muertos y quizá a usar el lenguaje?
Ref: http://ilevolucionista.blogspot.com
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