Descifrando el enigma del origen de la vida

Cuando la Tierra se formó, hace aproximadamente 4500 millones de años, era una esfera de roca estéril, azotada por meteoritos y cubierta de volcanes en erupción. Unos mil millones de años más tarde, se encontraba habitada por microorganismos. Hoy, la vida cubre cada centímetro del planeta, desde las montañas más altas hasta lo más profundo del océano. Y, sin embargo, todos los demás planetas del Sistema Solar parecen inertes. ¿Qué sucedió con nuestro joven mundo? ¿Cómo fue posible que de la aridez de esas rocas, arenas y sustancias químicas surgiera algo vivo?
Se han propuesto muchas ideas para explicar ese intrigante comienzo. La mayoría dan por sentado que las células son demasiado complejas para formarse de golpe, por lo que la vida debe de haberse inaugurado con la supervivencia de un único componente que de algún modo creara los que lo rodean. Ahora bien, puestas en práctica en el laboratorio, estas conjeturas no dan lugar a nada que recuerde particularmente a la vida. Algunos investigadores empiezan a darse cuenta de que es como intentar fabricar un coche construyendo primero el chasis y esperar luego a que las ruedas y el motor aparezcan de manera espontánea.


El surgimiento de la vida, una perspectiva completa
La alternativa, que la vida surgiera de una vez, completamente formada, parece aún menos probable. No obstante –y quizá para sorpresa de muchos, dos líneas de investigaciones convergen para sugerir que eso habría sido exactamente lo que ocurrió. Resulta que todas las moléculas clave de la biología pueden provenir de la misma química simple, basada, eso sí, en un elemento de la tabla periódica: el carbono. Es más, dichas moléculas se combinan con facilidad para formar protocélulas que se asemejan sorprendentemente a los microorganismos vivos. Además de explicar cómo empezó, esta idea que llamaremos del todo a la vez tiene también implicaciones en relación a dónde surgió, así como sobre cuáles son los lugares en los que es más probable que apareciera fuera de nuestro planeta.
El problema de entender el origen de la vida es que no sabemos cómo era esta al principio. Los fósiles más antiguos encontrados datan de hace 3500 millones de años, pero no son de gran ayuda. Se hallan en antiguas formaciones rocosas llamadas estromatolitos, y consisten en organismos unicelulares semejantes a las bacterias actuales. Son relativamente complejos: hasta los microbios modernos más simples poseen más de cien genes. Los primeros terrícolas tienen que haber sido, por fuerza, más simples. Los virus properan con un menor número de genes, pero, ahora bien, solo pueden reproducirse infectando células, por lo que tampoco es posible que fueran los primeros en salir a escena.
Dada la falta de pruebas tangibles, los científicos dedicados a investigar el origen de la vida empiezan por hacerse dos preguntas. La primera: ¿cuáles son los procesos fundamentales que sostienen este fenómeno? Y la segunda: ¿qué sustancias químicas intervienen en ellos? A continuación resumimos las respuestas.

Los fundamentos básicos de la vida
La vida puede reducirse a tres conceptos básicos. En primer lugar, tiene integridad estructural, lo cual significa que cada célula posee una membrana exterior para mantener unido todo el conjunto. En segundo lugar, funciona gracias a un metabolismo, esto es, una serie de reacciones químicas que permiten obtener energía del entorno. Y, por último, se reproduce por medio de genes que contienen las instrucciones para fabricar células; estas instrucciones se transmiten a su descendencia.
Los bioquímicos conocen también las sustancias químicas que sustentan esos mecanismos. Las membranas celulares están formadas por lípidos, moléculas que contienen largas cadenas de átomos de carbono. El metabolismo funciona merced a las proteínas, cadenas de aminoácidos retorcidas en forma de lazo. En este ámbito, juegan un papel determinante las enzimas, que ayudan a catalizar las reacciones químicas y las aceleran. Y los genes están codificados en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos, como el ácido desoxirribonucleico, más conocido como ADN.
Más allá de estas instrucciones básicas, las cosas empiezan a complicarse, ya que los tres procesos se encuentran entrelazados. Los genes contienen las instrucciones para fabricar proteínas, lo cual significa que la existencia de estas últimas depende de los primeros. Pero las proteínas son también esenciales para mantener y copiar los genes, por lo que la dependencia va en ambos sentidos. Y, por si fuera poco, las proteínas –fabricadas por los genes– son cruciales para construir los lípidos de las membranas. Cualquier hipótesis que pretenda explicar el origen de la vida debe tener todo esto en cuenta. Y si suponemos que resulta improbable que los genes, el metabolismo y las membranas surgieran a la vez, uno de ellos tendría que haber existido antes y haber inventado los demás.

El papel de la proteína y el ARN en el origen de la vida
Una primera teoría puso a las proteínas en el asiento del piloto. En los años cincuenta, el bioquímico estadounidense Sidney Fox descubrió que si calentaba aminoácidos, estos se unían en cadenas. En otras palabras, formaban proteínas, aunque con una secuencia aleatoria en vez de determinada por un código genético. Fox les dio el nombre de proteinoides y descubrió que podían formar esferas semejantes a las células y catalizar reacciones químicas, pero no se llegó mucho más lejos. Hay todavía investigadores que intentan encontrar comportamientos similares a la vida en simples proteínas, pero la idea de que ellas por sí mismas fueran el origen de todo ha sido mayormente rechazada.
Más recientemente, gran parte de los estudios se han centrado en una idea conocida como el mundo de ARN (ácido ribonucleico), que, igual que el ADN, lleva genes. El descubrimiento de que algunos tipos pueden catalizar reacciones químicas sugirió que las primeras moléculas de ARN pudieron haber sido enzimas que se autorreplicaran, dando lugar a la vida. Sin embargo, los bioquímicos se han esforzado durante décadas en conseguir el autoensamblaje o la autorreplicación del ARN en el laboratorio, con la conclusión de que cualquiera de los dos procesos necesita mucha –demasiada– ayuda.
Entonces ya solo nos quedan las membranas. Esta es la opción que ha defendido David Deamer, de la Universidad de California en Santa Cruz (Estados Unidos). En la década de los setenta, su equipo descubrió que los lípidos presentes en las membranas celulares podían crearse mezclando con agua dos simples sustancias químicas, la cianamida y el glicerol, y calentando todo a 65 ºC. Si dichos lípidos se metían luego en agua salada y se agitaban, formaban masas esféricas con dos capas exteriores, igual que las células. “La función más simple es el autoensamblaje de las membranas: se produce de modo espontáneo”, dice Deamer, quien, sin embargo, admite que esto no es suficiente, puesto que los lípidos no pueden portar genes o formar enzimas.

Más allá de las dificultades de la exploración del origen de la vida: la hipótesis del 'todo a la vez'
Las dificultades que encuentran estos modelos para explicar el origen de la vida han llevado a Deamer y a otros colegas a explorar la posibilidad, aparentemente menos factible, de que los tres sistemas surgieran a la vez en una forma muy simplificada. Esta idea no es nueva. En 1971, el bioquímico húngaro Tibor Gánti escribió un libro en el que imaginaba cuál era el objeto más simple que los biólogos pudieran considerar algo vivo. Su quimiotón –así lo llamó– consistía en un rudimentario metabolismo basado en enzimas, capaz de producir genes y una membrana. Cuando los fragmentos de ADN se autorreplicaban, liberaban subproductos que acababan en dicha membrana y hacían que el quimiotón creciera y, al final, se dividiera. Las ideas de Gánti no obtuvieron reconocimiento hasta principios del siglo XXI, y para entonces otros habían hecho propuestas similares. Ahora, la hipótesis del todo a la vez está ganando impulso.
La primera línea de apoyo a esta teoría viene de la bioquímica de los tres sistemas clave de la vida. Desde el punto de vista químico, los ácidos nucleicos, como el ARN, son muy distintos de las proteínas, que a su vez difieren radicalmente de los lípidos. Por eso, hasta hace poco, los bioquímicos dieron por sentado que era improbable que esas tres piezas biológicas se formaran en el mismo lugar y a partir de las mismas sustancias.
Los meteoritos, claves del origen de la vida
Una pista fundamental procede de los meteoritos, muchos de los cuales son tan antiguos como la Tierra, y, por tanto, nos dan información sobre cómo era el planeta en su primera infancia. Uno de los más estudiados es el llamado Murchison, que cayó en 1969 en Australia. En 1985, Deamer descubrió que contenía moléculas de tipo lipídico, susceptibles de formar membranas. Otros encontraron aminoácidos y, en 2008, la astrobióloga portuguesa Zita Martins, por entonces miembro del Imperial College de Londres, identificó un componente de ARN en la roca procedente del espacio. Ninguna de estas sustancias químicas eran abundantes, pero su presencia allí indicaba que, efectivamente, podían formarse a la vez.
Entretanto, Ernesto di Mauro, biólogo de la Universidad de Roma La Sapienza (Italia), ha dedicado dos décadas a estudiar cómo puede ocurrir esto en la Tierra. Di Mauro se ha centrado en la formamida, sustancia química relacionada con el cianuro y que posee solo seis átomos en cada molécula. Se encuentra en todo el universo y probablemente fuera común cuando la Tierra acababa de formarse. En 2001, su equipo observó que la formamida o metanamida podía dar lugar a varios componentes del ARN si se la calentaba a 160 ºC en presencia de minerales como la caliza. Luego los investigadores descubrieron que este fenómeno se veía favorecido por un tipo común de arcilla llamado montmorillonita. Además, la formamida también es capaz de generar aminoácidos, los ingredientes fundamentales de las proteínas.
Los misterios de la química prebiótica
Y este no es el único compuesto susceptible de realizar tales hazañas. Por el procedimiento de combinar una sustancia orgánica similar, denominada cianamida, con otras simples, John Sutherland, del Laboratorio de Biología Molecular MRC, en Cambridge (Inglaterra), ha creado nucleótidos, los componentes básicos del ARN. Para esta reacción se requiere luz ultravioleta, calor, un proceso de secado y otro de humedecimiento con agua. El equipo de Sutherland ha descubierto que las mismas sustancias químicas iniciales también son capaces de crear los precursores de los aminoácidos y los lípidos. “Todos los subsistemas celulares pueden haber surgido simultáneamente a través de la química común”, concluye. La clave está en lo que Sutherland denomina misterio de Ricitos de Oro: una mezcla con suficiente variedad para que tengan lugar reacciones complejas, pero sin que se convierta en un caos.
O sea, es posible que todas las moléculas clave de la vida puedan haberse creado juntas. Pero ¿cómo se combinaron en una célula primigenia? Deamer sigue sosteniendo que los primeros lípidos formaron espontáneamente protocélulas basadas en membranas, aunque ahora piensa que los tres grupos de moléculas trabajan estrechamente juntos. Los contenedores lipídicos ayudan al ARN y a las proteínas a formarse, mientras que el ARN estabiliza las membranas. Si todos están presentes, el sistema funciona mejor.
Jack Szostak, biólogo molecular de la Escuela de Medicina de Harvard (Estados Unidos), ha conseguido notables avances en la tarea de entender cómo pudo haber sucedido eso. Su equipo, que empezó a trabajar en 2003, creó modelos de células con capas exteriores de ácidos grasos que rodeaban un espacio interior capaz de contener ARN. Estas protocélulas se formaban con especial rapidez en presencia de diminutas partículas de montmorillonita, que a menudo quedaban atrapadas dentro de ellas y llevaban el ARN al interior. Cuanto más ARN obtenían las protocélulas, más crecían; es decir, estaban compitiendo. Es más, estos protoentes vivos podían dividirse y formar hijos, igual que las células modernas.
“El crecimiento y la división pueden ser el resultado de simples fuerzas fisicoquímicas, sin ninguna maquinaria bioquímica compleja”, resumió el grupo de Szostak, cuyos investigadores han conseguido incluso que el ARN se autorreplique dentro de las protocélulas.

Desafíos y avances en el metabolismo prebiótico
El único sistema que falta en estos prototipos es el metabolismo, algo particularmente difícil, porque supone crear secuencias enteras de reacciones químicas. En los organismos modernos, dichas secuencias están controladas por batallones de enzimas proteicas cuya existencia no era posible cuando comenzó la vida. Algunos investigadores, no obstante, han conseguido poner en marcha procesos químicos metabólicos sin proteínas. Resulta que muchas de las reacciones clave pueden ser inducidas por metales como el hierro –a menudo combinado con azufre–, materiales que siempre han sido abundantes en la Tierra. Recientemente, Szostak y otros han demostrado que dentro de las protocélulas pueden formarse cúmulos de átomos de hierro y azufre debido a la acción de la luz ultravioleta. Queda por saber si en su interior pueden producirse también reacciones metabólicas.
Las creaciones de Szostak son hasta ahora el mejor modelo con que contamos para conocer el aspecto que pueden haber ofrecido los primeros organismos vivos. Pese a incluir solo un puñado de sustancias químicas, estos entes de laboratorio crecen y se reproducen y contienen genes capaces de autorreplicarse. Aún es pronto para decir si surgen del tipo de química que defiende Di Mauro o si es Sutherland el que está más cerca de dar en el blanco. Eso depende del entorno en que haya surgido la vida, algo que no podemos saber con seguridad. Y, curiosamente, es la propia química la que nos ayuda a reducir las opciones.
Si la idea del todo a la vez sobre los orígenes de la vida es correcta, la génesis tuvo lugar en condiciones muy específicas. La mayoría de las reacciones químicas de Sutherland y Di Mauro dependen de la luz ultravioleta, y algunos pasos fundamentales requieren secado. Entonces habría sido necesaria una superficie mineral sólida que en condiciones ideales incluiría arcilla, como la montmorillonita, luz solar con una cierta cantidad de radiación ultravioleta y calor suficiente para que el agua se evaporase periódicamente.
Este escenario parece descartar la extendida suposición de que la vida surgió en fuentes hidrotermales ricas en sustancias químicas situadas en las profundidades del mar. En su lugar, los investigadores del todo a la vez creen que comenzó en tierra firme, en lagunas químicamente ricas.
Sutherland ha desarrollado un modelo con corrientes de agua que discurren por el cráter dejado por el impacto de un meteorito. Deamer prefiere lagos geotermales en entornos volcánicos, y eso es lo que está centrado en investigar. Ha demostrado, por ejemplo, que los lípidos pueden formar protocélulas en el agua de los espacios lacustres, pero no en agua de mar.
Además de ayudar a localizar el entorno en el que se originó la vida en la Tierra, la idea del todo a la vez también sugiere dónde buscarla fuera. Los requisitos bioquímicos dejarían fuera a dos favoritos: los satélites Europa, de Júpiter; y Encélado, de Saturno. De ambos se cree que albergan océanos bajo una capa de hielo que podrían mantener vida si esta fuera introducida, pero no son lugares apropiados para que surja de cero. Marte sí cuadra. En la actualidad, es un planeta frío y carece de agua líquida en la superficie, pero hace miles de millones de años probablemente fluyeran ríos sobre sus rocas. Era también volcánicamente activo, por lo que pudo haber albergado lagos geotermales como los que estudia Deamer.
Obviamente, esto depende de que la idea del todo a la vez sea correcta, y faltan piezas en el puzzle. Quizá el argumento más persuasivo sea, como en muchas otras cosas en la vida, que el comienzo probablemente fuera más complejo de lo que habíamos pensado.