2.3. El origen de la vida

Ancestralmente, el conocimiento filosófico sobre la vida era tan escaso, que toda explicación sobre el origen de la vida no podía ser más que una simple suposición. Una de esas suposiciones habría de arraigarse como doctrina por miles de años: la generación espontánea de la vida.

En el siglo XVII, al surgir la ciencia experimental, las ideas demostrablemente falsas comenzaron a ser abandonadas.

Fue en 1864 cuando Louis Pasteur realizó un experimento simple e irrefutable que demostró la falsedad de la generación espontánea de la vida.

Sus matraces con cuello de cisne, conteniendo el medio de cultivo del experimento original, permanecen todavía estériles y están en exhibición en el Instituto Pasteur de París.

No obstante, Pasteur no resolvió el origen de la vida, y la ciencia no tenía entonces una explicación al respecto.

La panspermia, una hipótesis propuesta en 1908 por Svante August Arrhenius (1859-1927), concedió la posibilidad de un origen extraterrestre para la vida en la Tierra. Pero tampoco resolvió el origen de la vida, solamente lo trasladó fuera del planeta.

Fue en 1924 cuando Alexander I. Oparin publicó la teoría fisicoquímica del origen de la vida a partir de los elementos presentes en la atmósfera primitiva, y diversos experimentos han apoyado esta teoría.

La explicación actual del origen de la vida es asombrosa. En 1982, Thomas R. Cech (1947-) descubrió el ARN autocatalítico, es decir, ARN capaz de cortarse y empalmarse a sí mismo. Este descubrimiento tiene un profundo significado en la comprensión del origen de la vida, ya que las capacidades de almacenamiento de información genética, catálisis de reacciones químicas y autorreplicación que el ARN posee, subyacen a los procesos básicos de la vida. La hipótesis del mundo del ARN propone que un grupo de moléculas de ARN pudo haber soportado el origen de la vida.

La vida actual con base en el flujo de información genética de

ADN ←→ ARN → proteínas, es producto de la evolución a partir del mundo del ARN.

2.3.1. Generación espontánea

Algunas formas de vida parecían surgir de manera espontánea en donde había restos de animales y vegetales. De observaciones ancestrales de este tipo surgió la idea de la generación espontánea de la vida.

Aristóteles afirmaba que las vieiras se formaban espontáneamente en la arena.

En la Antigüedad, Tales de Mileto (c. 624-546 a.C.), Anaximandro (c. 610-546 a.C.) y Demócrito (c. 460-370 a.C.) consideraban que la vida podía surgir del lodo. De hecho, en Historia de los animales, Aristóteles postuló un origen espontáneo para gusanos, insectos, cangrejos y peces, a partir de rocío, suelos húmedos y agua de mar.

En el siglo XVII era una creencia que las hojas de los árboles al caer al agua se transformaban en peces; y al caer al suelo, en aves. En 1620, por ejemplo, Johannes Baptista van Helmont (1579-1644), un divulgador de la generación espontánea, publicó una receta para producir ratones:

Si colocamos ropa impregnada de sudor junto con semillas de trigo en un recipiente de boca ancha, después de 21 días el olor penetra a través de las cáscaras de trigo, y transforma las semillas en ratones.

La idea de la generación espontánea comenzó a perder aceptación, al acumularse pruebas experimentales en su contra.

2.3.2. Biogénesis

En 1668, Francesco Redi (1626-1697) descubrió que los gusanos que crecían en la carne, eran larvas que se desarrollaban de huevos depositados ahí por las moscas. El descubrimiento resultó de un experimento sencillo. Puso carne en varios frascos y los tapó con tela de algodón. La carne no sólo no se agusanó, sino que los huevos fueron depositados en la tela por las moscas.

Redi concluyó que la vida se origina de vida preexistente, idea que se denomina biogénesis.

Pero la biogénesis no prosperó entonces. A finales del siglo XVII, cuando Leeuwenhoek informó sobre los numerosos microorganismos que había observado en una gota de agua, su descubrimiento fue utilizado como argumento a favor de la generación espontánea.

En el siglo XVIII hubo varios intentos por demostrar ya sea la veracidad o la falsedad de la generación espontánea.

En 1748, John Needham (1713-1781) preparó un medio de cultivo y lo esterilizó de manera deficiente por ebullición breve, además de sellar inadecuadamente los frascos con tapones de corcho. Por el hecho de que diversos microorganismos se desarrollaron dentro de los frascos, concluyó que su experimento era una prueba de la generación espontánea.

No obstante, los experimentos son reproducibles.

En 1765, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) repitió el experimento de Needham. Hirvió por más tiempo el medio de cultivo, lo vació en varios frascos, usó corcho para tapar la mitad de ellos y selló herméticamente los demás. Los microorganismos aparecieron solamente en los frascos tapados con corcho.

Spallanzani presentó este experimento como prueba de inexistencia de la generación espontánea, pero tal prueba fue rechazada.

Los vitalistas afirmaban que el aire era esencial para la generación espontánea; mientras que los biogenesistas sostenían que el aire era la fuente de contaminación y había que excluirlo.

Matraces en el Museo del Instituto Pasteur de París

Era ya el siglo XIX y no había una conclusión definitiva al respecto. Fue entonces cuando la Academia de Ciencias de Francia ofreció un premio en efectivo a quien demostrara definitivamente la veracidad o la falsedad de la generación espontánea. Tal premio fue cobrado por Louis Pasteur en 1864.

Pasteur realizó este experimento sencillo e irrefutable que terminó con la creencia en la generación espontánea:

Diseñó matraces con cuello de cisne, en los que vertió medio de cultivo, el cual fue esterilizado por ebullición. Al enfriarse los matraces, el aire podía entrar al matraz, pero los microorganismos quedaban atrapados en el cuello de cisne sin llegar al medio de cultivo, el cual permanecía estéril indefinidamente. Pero si el cuello de cisne se rompía, el medio de cultivo rápidamente se descomponía.

En su discurso en La Sorbonne, de París, Pasteur diría: “La doctrina de la generación espontánea no va a recuperarse jamás del golpe mortal que le ha asestado este simple experimento.”

Pero eso no resolvió el origen de la vida…

2.3.3. Panspermia

Los respiraderos hidrotermales son capaces de soportar bacterias extremófilas

En 1908, Svante August Arrhenius propuso un posible origen de la vida en la Tierra por panspermia.

Panspermia es la hipótesis de que esporas podrían viajar por el espacio y colonizar planetas cuyas condiciones fueran adecuadas para mantener la vida.

Arrhenius sugirió que la luz de las estrellas podía capturar esporas y transportarlas a través del espacio. Sin embargo, su idea fue progresivamente abandonada cuando Paul Becquerel (1879-1955) demostró que esas esporas serían destruidas por las radiaciones de alta energía, las bajas temperaturas y el vacío casi absoluto del espacio.

No obstante, en la década de 1960, el análisis químico de un meteorito apoyó una variante de esa misma hipótesis: la litopanspermia, según la cual la vida podría haber viajado protegida en el interior de meteoritos y llegado a nuestro planeta desde el espacio. El meteorito contenía diversos aminoácidos, hidrocarburos, bases nitrogenadas y otros compuestos.

De hecho, en 1969 quedó demostrada la supervivencia microbiana en el espacio, cuando la nave Apolo 12 trajo desde la Luna los restos de la sonda Surveyor 3, enviada allá en 1967. La sonda contenía colonias de bacterias que habían sobrevivido al viaje de ida y regreso, recurriendo a piezas de caucho como fuente de energía.

Más aún, en 1984, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) descubrió en hielo del Antártico el meteorito ALH84001, posiblemente desprendido de Marte, con una antigüedad de 13 mil años. El meteorito contiene estructuras tubulares semejantes a microfósiles de vida minúscula (20-50 nm). Estas estructuras han sido objeto de numerosos estudios y debates, y todavía no hay consenso en la comunidad científica sobre si estas formas representan verdaderos fósiles o son producto de reacciones abióticas.

Un hecho definitivo es que la panspermia tampoco resuelve el origen de la vida, simplemente lo traslada fuera del planeta.

2.3.4. Teoría fisicoquímica

En 1924, Alexander I. Oparin publicó El origen de la vida, obra en la que describe la teoría fisicoquímica.

La teoría fisicoquímica explica el origen de la vida en la Tierra a partir de los elementos presentes en la atmósfera primitiva.

Después de haberse formado la Tierra, la atmósfera era muy diferente de la actual, y no contenía oxígeno libre, sino hidrógeno y compuestos hidrogenados como metano y amoniaco. La luz solar, los rayos y fuentes de calor como volcanes y materiales radioactivos pudieron haber hecho reaccionar estos compuestos, produciendo otros más complejos que, disueltos con minerales en océanos primitivos, habrían dado origen a gotas coloidales ricas en polímeros –como proteínas y ácidos nucleicos– y posteriormente a los primeros seres vivos.

En estos agregados es trascendente la presencia de una membrana que separa un contenido interior de un ambiente exterior. El metabolismo, el crecimiento y la reproducción habrían sido desarrollados después de que el probionte adquiriera la capacidad de absorber e incorporar moléculas a su estructura.

En 1953, Stanley Miller (1930-2007) dio apoyo experimental a la idea de Oparin. Hizo pasar vapor de agua (H2O) a través de una cámara de cristal que contenía una mezcla de los gases hidrógeno (H2), metano (CH4) y amoniaco (NH3) y sometió la mezcla a descargas eléctricas. Un día fue suficiente para sintetizar aminoácidos, y una semana después ya habían sido producidos alcoholes, aldehídos, cetonas, urea, formol, azúcares, lípidos y otras moléculas complejas.

Este experimento ha sido repetido y modificado de diversas maneras por muchos investigadores. Cyril Ponnamperuma (1923-1995), por ejemplo, simuló tanto la atmósfera como la hidrosfera primitivas, obteniendo un producto que denominó la sopa primitiva. Una conclusión general es que el uso de casi cualquier fuente de energía, sea luz, electricidad, polvo volcánico caliente o alguna otra, ha transformado las moléculas sencillas en diversas moléculas complejas.

Más aún, Sidney W. Fox (1912-1998) y sus colaboradores lograron producir microesferas capaces de efectuar reacciones metabólicas, crecer y dividirse.


Esquema del experimento Miller-Urey.

2.3.5. El mundo del ARN

En la explicación del origen de la vida es crucial establecer exactamente cómo fue la transición del nivel molecular –sin vida– al nivel celular –con vida–. Una hipótesis actual para esta transición se denomina el mundo del ARN, un término acuñado en 1986 por Walter Gilbert (1932-), que resume una idea sugerida por Francis Crick en 1968, y que recibió apoyo experimental en 1982 al ser descubiertas las propiedades autocatalíticas del ARN por Thomas R. Cech.

En una célula viva, el flujo de información genética sigue un patrón sencillo:

ADN

Transcripción ↓↑ Transcripción inversa

ARN

Traducción

Proteínas

La información genética del ADN se transcribe a ARN y se traduce a proteínas. Así, el ADN determina la estructura primaria de las proteínas.

En la década de 1970, Sydney Altman (1939-) y Cech investigaron la transcripción, que es el proceso de síntesis de una cadena de ARN, cuya secuencia es idéntica a la de una cadena de ADN.

En células eucarióticas, el ARN mensajero que resulta de la transcripción, denominado transcrito primario, experimenta modificación postranscripcional, que incluye los procesos de corte y empalme: El corte elimina piezas que no son esenciales para hacer proteínas, y el empalme une las piezas útiles.

animación del proceso de empalme.

Al buscar las enzimas que catalizan estas reacciones, resultó que en ciertos casos tales enzimas no eran proteínas, sino ácido ribonucleico.

En 1982, Cech hizo un descubrimiento sorprendente al aislar ARN no procesado en un tubo de ensaye: ¡La molécula de ARN se cortó a sí misma en piezas, y empalmó las piezas genéticamente importantes!

El descubrimiento del ARN autocatalítico tiene un profundo significado en la comprensión del origen de la vida. En las células contemporáneas, el ADN es portador de la información genética, y las proteínas son las principales moléculas que tienen actividad catalítica.

Es altamente probable que las moléculas de ARN hayan sido las primeras en tener la capacidad de:

a) Almacenar información (como el ADN)

b) Catalizar reacciones (como las enzimas)

c) ¡Autorreplicarse!

La hipótesis del mundo del ARN propone que, en la transición del nivel molecular al nivel celular, el ARN pudo haber soportado el origen de la vida.

La vida primitiva inició hace aproximadamente 3800 millones de años.

Es probable que el mundo del ARN haya constituido el periodo previo.

En el laboratorio han sido aisladas y sintetizadas moléculas de ARN con menos de 200 bases con capacidad autorreplicante. En el origen de la vida, diversas moléculas de ARN pudieron haberse formado espontáneamente, de modo que el primer sistema en reproducirse pudo haber sido una sola molécula de ARN.

En un esquema evolutivo, el ADN pudo haber adquirido progresivamente la función de almacenamiento de información por su mayor estabilidad química (por contener desoxirribosa en lugar de ribosa) y mayor capacidad de almacenamiento de información (por formar cadenas más largas) que el ARN; mientras que las proteínas, con un mayor número de residuos (aminoácidos) diferentes, son estructuralmente más diversas, poseen mayor rango de cambios conformacionales y una superior capacidad catalítica, por lo que reemplazaron a las moléculas de ARN durante el proceso de evolución en su función como enzimas.


Examen de repaso

1. Fue el filósofo que postuló en la Antigüedad un origen espontáneo para gusanos, insectos, cangrejos y peces, a partir de rocío, suelos húmedos y agua de mar:

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2. Lee cuidadosamente este párrafo:

Diseñó matraces con cuello de cisne, en los que vertió medio de cultivo, el cual fue esterilizado por ebullición. Al enfriarse los matraces, el aire podía entrar a cada matraz, pero los microorganismos quedaban atrapados en el cuello de cisne, sin llegar al medio de cultivo, el cual permanecía estéril indefinidamente. Pero si el cuello de cisne se rompía, el medio de cultivo fácilmente se descomponía.

¿Qué científico demostró con este experimento la falsedad de la generación espontánea de la vida?

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3. Es la idea propuesta por Francesco Redi de que la vida se originó de vida preexistente:

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4. Es la idea propuesta por Svante August Arrhenius de que esporas podrían haber viajado por el espacio y colonizar planetas cuyas condiciones fueran adecuadas para mantener la vida:

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5. Es la explicación propuesta por Alexander I. Oparin del origen de la vida en la Tierra a partir de los elementos presentes en la atmósfera primitiva y una fuente de energía:

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6. En 1953, este científico dio apoyo experimental a la idea de Oparin. Hizo pasar vapor de agua (H2O) a través de una cámara de cristal que contenía una mezcla de los gases hidrógeno (H2), metano (CH4) y amoniaco (NH3) y sometió la mezcla a descargas eléctricas.

Un día fue suficiente para sintetizar aminoácidos, y una semana después ya habían sido producidos alcoholes, aldehídos, cetonas, urea, formol, azúcares, lípidos y otras moléculas complejas:

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7. Con base en los estudios de Walter Gilbert y Thomas Cech, ¿cuál es la molécula que, en la transición del nivel molecular al nivel celular, pudo haber soportado el origen de la vida?

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