Resumen
Se expone en primer lugar los graves problemas que existen para efectuar el paso de moléculas orgánicas no vivas a biomoléculas, que participan de la vida, mostrándose que no es posible sólo con las leyes de la física y la química que conocemos y la intervención del azar, explicar la emergencia de la vida y su funcionamiento, se necesita algo más.
En un intento de encontrar ese algo más se estudia la evolución del Universo y se muestra que todos los seres que existen, no sólo los vivos, surgen por evolución de otros anteriores. Se muestran también los principales pasos evolutivos: nucleones, átomos, moléculas, galaicos, y sistemas solares se producen por la intervención principal en cada una de las etapas de alguna de las interacciones físicas fundamentales, lo que sugiere la intervención de otra interacción que llamamos biología, que es el algo más antes indicado necesario para la vida.
Emergencia de las biomoléculas
Iniciaremos este trabajo estudiando con un cierto detalle la frontera entre los seres vivos y los no vivos.
Como vimos en un artículo anterior titulado "El enigma de la vida" dicha frontera se establece a partir de ciertas biomoléculas (proteínas, ARN, etc.) en las cuales creemos empieza a manifestarse la vida, pues son moléculas que no sólo tienen propiedades físicas y químicas, sino que además desarrollan un determinado comportamiento. En cambio los elementos que componen dichas moléculas, es decir los monomeros biológicos (aminoácidos, nucleótidos, etc.) sólo tienen propiedades físicas y químicas no realizando ningún comportamiento, siendo por tanto seres no vivos.
Desconocemos cuál fue el primer eslabón de la cadena de la vida en la Tierra primordial – creemos que pudo haber sido un ARN o un análogo de este, o quizás fuera una proteína o análoga de esta, no lo sabemos.
En la exposición que vamos a hacer a continuación, diremos que las observaciones que se realizan pueden aplicarse a ambos tipos de moléculas.
Estudiemos pues para empezar el caso de una proteína por ejemplo, y lo que digamos será de aplicación a otras biomoléculas.
Para tener una proteína funcional, es decir que pueda desarrollar activamente una determinada función biológica y que en definitiva podamos considerar que participa de la vida, tiene que darse, necesariamente, los siguientes pasos:
1. Existencia de los elementos básicos que forman la biomolécula; es decir de los aminoácidos biológicos.
2. Unión en una determinada secuencia de los elementos básicos anteriores, para formar en el caso de las proteínas la llamada estructura primaria.
3. Plegamiento de la anterior secuencia en una estructura tridimensional determinada, para formar las llamadas estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de la proteína.
Por último diremos que para que una proteína actúe, es preciso que se active, es decir se requiere una señal o un mensaje que ponga en funcionamiento a la proteína, en muchos casos esto consiste en el acoplamiento de otras moléculas llamadas ligando (hormonas, etc.) pero en muchos otros casos existen otros procesos de activación.
Veamos ahora con mayor profundidad cada uno de los pasos anteriores.
1) Existencia de los elementos básicos
Si empezamos por el nivel atómico, diremos que la vida, al menos tal como nosotros la conocemos en la Tierra, se basa en el carbono y en la química derivada de él, es decir la llamada química orgánica. Existen en principio, sólidas razones físicas y químicas que justifican el que la vida se base en el carbono aunque opino que si bien parece actualmente muy improbable, no creo que pueda rechazarse de plano la posibilidad que, en circunstancias determinadas, pudiera surgir la vida sobre la base de otro elemento, como por ejemplo el silicio.
Si pasamos ahora al nivel molecular y suponemos que la vida se inició con un ARN, una proteína, o un análogo de estas moléculas, observamos que los elementos básicos de dichas moléculas son unos pocos elementos, concretamente cuatro nucleótidos en el caso de ARN y veinte aminoácidos en el caso de las proteínas. Esto quiere decir que todo el enorme número de biomoléculas que existen, están siempre esencialmente formadas por variaciones con repetición de este reducidísimo número de elementos.
Indicaremos que en la exposición que sigue nos basamos esencialmente en el caso de la proteína, pero lo mismo podría decirse de un ARN.
La primera pregunta que nos hacemos, es por qué la vida partió del ARN o proteínas y no de otro tipo de moléculas. No lo sabemos.
La segunda pregunta que surge es, si por alguna razón la biomolécula primordial tenía que ser un ARN o una proteína, nos preguntamos ¿existieron en la Tierra primordial los elementos básicos necesarios para construir estas moléculas, es decir aminoácidos o nucleótidos y que estos elementos hubieran podido surgir por la actuación de las leyes de la física y la química? La respuesta parece ser que es que sí.
En efecto, el experimento de Miller, parece demostrar, en condiciones de laboratorio, que intentan replicar las hipotéticas condiciones de la Tierra primordial, es decir una determinada composición de la atmósfera y la producción de descargas eléctricas (rayos); se origina en un medio líquido la apariencia de componentes orgánicos precursores de los elementos básicos antes citados. También es posible que se formaran fuera de la Tierra, en el espacio exterior, pues se ha encontrado aminoácidos en meteoritos, como el de Mutchison (Australia) y recientemente se han detectado moléculas orgánicas (propanol, azúcares simples) en el espacio interestelar.
Ahora viene la gran pregunta en esta etapa ¿Por qué la Naturaleza escogió exclusivamente a esos 20 aminoácidos, entre los centenares que existen, y no a otros o a otra molécula, para establecer la vida? Realmente no parece haber ninguna razón física o química, al menos que yo sepa, que explique o justifique esta elección.
2) Formación del polipéptido, o estructura primaria en el caso de la proteína.
Expliquemos con un ejemplo de forma muy sencilla lo que es una proteína, diremos que es como un collar o hilera de perlas de distintos colores y tamaños (siendo las perlas los distintos aminoácidos), que se encuentran unidas entre si por el hilo del collar (enlaces peptídicos). Dicha hilera luego se pliega sobre sí misma formando como un puñado globular de perlas.
Partimos ahora de una de las hipótesis existentes sobre cómo se inicia la vida sobre la Tierra, la llamada hipótesis de la "sopa primordial", que quizás sea una de las más acertadas actualmente.
Esta hipótesis dice de forma muy resumida, que las descargas eléctricas que se producían en la atmósfera primordial, originaron la formación de moléculas orgánicas en la atmósfera y su caída, como una especie de lluvia, sobre los lagos, mares y océanos de aquellos tiempos, los cuales con el tiempo fueron formando una sopa de moléculas cada vez más densa, en la que por azar se formó la primera biomolécula.
Un primer problema que plantea esta hipótesis, es el enorme número de moléculas orgánicas e inorgánicas que hipotéticamente debieron de existir en aquellas aguas primordiales. Para llegar a un polipéptido cualquiera, es preciso que previamente se produjera una selección y concentración de los aminoácidos necesarios, a fin de que sea posible que puedan desarrollarse las reacciones químicas necesarias para formar el polipéptido en cuestión.
Aquí aparecen graves problemas al intentar explicar cómo se pudo producir la selección y concentración de los aminoácidos básicos, y posibilitar así las reacciones químicas necesarias.
Veamos primeramente si las leyes de la física y la química pueden producir una auto organización espontánea de los aminoácidos y luego examinaremos en la hipótesis de la llamada "sopa primordial", si sólo por azar puede surgir una determinada proteína. Los mismos razonamientos servirán para el caso del ARN, tal como hemos dicho antes. Respecto la primera cuestión diremos que los partidarios de la auto organización de los aminoácidos, utilizan frecuentemente, la analogía del argumento de la llamada "pompa de jabón", la cual es imposible que se forme sólo por azar, pero que sin embargo la experiencia nos demuestra que siempre que se dan las condiciones adecuadas se forma la pompa de jabón. Pero es que ello es debido a las interacciones físicas y químicas que se producen entre las moléculas de jabón y las del agua, en un cierto entorno.
Ahora bien resulta que las interacciones físicas y químicas que serían necesarias, para conducir de forma espontánea a los aminoácidos, por una ruta química determinada para llegar a una proteína, no se dan en la Naturaleza.
En efecto se observa, que en la Naturaleza, no se forman espontáneamente proteínas por la ruta química, es decir de abajo (aminoácidos) hacia arriba (proteína). Las proteínas que produce la Naturaleza siguen la llamada ruta biológica, es decir de arriba (células) hacia abajo (proteína) y cuando el hombre, no la Naturaleza, quiere producir las proteínas en el laboratorio siguiendo la ruta química, vemos que es preciso en primer lugar la intervención humana directa, que dirige e impulsa el proceso, siendo además este proceso químico muy difícil y complejo. Es decir las leyes de la física y la química no justifican la posibilidad de una autoorganización de la proteína.
Veamos ahora la segunda cuestión planteada, es decir si es posible que sólo por acción del azar pueda obtenerse la proteína.
Para demostrar la imposibilidad estadística de que solo por azar, pueda formarse una proteína a partir de los aminoácidos, efectuamos unos cálculos muy simples sobre la base de hipótesis absolutamente maximalistas, que naturalmente el lector puede cambiar o perfeccionar, pero no creo que ello modifique sensiblemente la conclusión a la que llegaremos a continuación.
Partamos de la hipótesis de la llamada "Sopa primordial" y veamos si es posible que en ella, sólo por intervención del azar pueda surgir una determinada proteína.
Hagamos la hipótesis maximalista de que primordialmente la Tierra se encontraba totalmente cubierta por un océano de "sopa primordial" de 10 kilómetros de profundidad media, lo que para una superficie de la tierra de 510×10 elevado a 6 kilómetros cuadrados, da un volumen de 510×10 elevado a 16 metros cúbicos; suponiendo un volumen medio de las moléculas de dicho océano de 7×10 elevado a menos 9 metros cúbicos, esto quiere decir que este océano de "sopa" estaba formado por aproximadamente 10 elevado a 27 moléculas.
Hagamos también la hipótesis maximalista de una gran densidad de los 20 aminoácidos básicos suponiendo que 1 de cada 100 moléculas es un aminoácido básico (piénsese que lógicamente la mayoría de las moléculas serán de agua y que existiría un gran número de moléculas inorgánicas y orgánicas en dicha "sopa")
En definitiva, hipotéticamente podrían existir como máximo 10 elevado a menos 2 x 10 elevado a 27, es decir 10 elevado a 25 aminoácidos básicos.
Supongamos que la proteína primordial estuviera formada por 150 aminoácidos (obtenemos esta cifra por analogía al priori más pequeño que conocemos, con capacidad replicante)
Pasamos ahora a considerar, que por alguna razón desconocida, los aminoácidos básicos de la "sopa" se seleccionan del resto de moléculas y se concentran en conjuntos de 150 aminoácidos básicos y por último supongamos que cada segundo se produce una reacción química en el enorme número de conjuntos antes indicado, con el fin de que pudiera producirse la proteína primordial. Es decir cada segundo se producen, aproximadamente 10 elevado a 23 variaciones distintas de los conjuntos de aminoácidos básicos.
Si estimamos la existencia sobre la tierra de la hipotética "sopa primordial", en unos 700 millones de años como máximo, diferencia entre la existencia de agua libre sobre la tierra (hace 4200 millones de años) y la aparición de fósiles unicelulares, los estromatolitos (hace más de 3500 millones de años)
El número de variaciones de conjuntos de 150 aminoácidos básicos, que se puedan haber formado durante este período de tiempo, sólo por acción del azar, sería de 10 elevado a 27 x 2,2.10 elevado a 16 segundos, es decir 10 elevado a 39, cifra enorme pero alejadísima de los 10 elevado a 195 variaciones con repetición posibles de 20 elementos (aminoácidos) tomados de 150 en 150 (proteína), que sería el número de ensayos necesarios para obtener por azar dicha proteína.
Lo que demuestra la práctica imposibilidad de que sólo por azar hubiera podido formarse la proteína inicial en la hipotética "sopa primordial".
En definitiva observamos que la estructura primaria de aminoácidos de la proteína primordial no parece que pueda formarse ni por autoorganización por las leyes de la física y de la química ni por acción de sólo el azar, se necesita algo más.
En esta etapa la gran pregunta sería ¿cómo puede realmente formarse la cadena de aminoácidos de la proteína primordial? Lo mismo podría decirse en el caso de ARN primordial.
3) Plegamiento de la proteína
Se observa que una proteína desarrolla una cierta función biológica, sólo cuando se encuentra plegada sobre sí misma en una determinada estructura tridimensional, la llamada estructura nativa.
Se observa también que si la proteína pierde esta estructura, es decir se desnaturaliza (por acción del calor, ph, componentes químicos, etc.) con lo que pasa a tener una estructura primaria lineal, sin pliegues, dicha proteína pierde su función biológica y si de nuevo se pliega, recupera dicha función, así pues la funcionalidad está ligada al plegamiento, en especial la llamada estructura terciaria.
Así pues parece ser esencial en una proteína su plegamiento.
Se plantean aquí dos preguntas respecto al plegamiento de las proteínas: ¿cómo se explica este plegamiento? y ¿Por qué el plegamiento es lo que da una determinada funcionalidad a las proteínas?
Veamos la primera pregunta. A ella hay que responder que realmente no lo sabemos. Sabemos algunas cosas, como que hay proteínas que se pliegan espontáneamente, de una forma muy rápida, del orden de milisegundos, algunas en mucho menos tiempo y en otras pueden tardar horas. Sabemos también que en el plegado intervienen fuerzas externas como las hidrófobas e hidrófilas, e internas como los puentes de hidrógeno, Van der Waals, etc.
Sabemos que la búsqueda por la proteína de una conformación nativa no puede hacerse por el método de prueba y error entre las casi infinitas conformaciones posibles, como muestra la paradoja de Levinthal.
Por último diremos que muchos autores creen que el mecanismo está basado en la estructura primaria de la proteína, cuya secuencia de aminoácidos contiene toda la información necesaria para el plegamiento y que este se realiza según las leyes de la termodinámica, buscando la estructura que da el mínimo de energía libre.
Esto puede ser una explicación posible para proteínas relativamente pequeñas que se pliegan en condiciones de laboratorio, pero desde luego no lo es para grandes proteínas en condiciones biológicas, es decir en el interior de una célula.
Se sabe que la proteína naciente que va emergiendo de un ribosoma, necesita la ayuda de otras moléculas (chaperonas, etc.) para poder plegarse correctamente, a parte de sufrir posteriormente transformaciones en distintos orgánulos de la célula hasta llegar a ser la proteína necesaria, situada en el lugar adecuado, para desarrollar unas ciertas funciones, es decir, que la proteína además de la información que le da el ribosoma al crear su estructura primaria, necesita ir incorporando otras informaciones, suministradas por el mecanismo celular hasta llegar a su situación final.
Para terminar este apartado hay que mencionar que si una proteína no se pliega de una forma determinada, la llamada nativa, ocurre que no es biológicamente funcional, en el mejor de los casos y en muchos otros casos (priones) es tóxica para el organismo.
Pasemos ahora a considerar la segunda pregunta que nos hacíamos anteriormente, referente a por qué es el plegamiento lo que da una determinada funcionalidad a la proteína.
A título de mera especulación diremos que quizás una posible explicación sea la siguiente:
Una proteína desnaturalizada, carece de plegamiento y está formada por una secuencia lineal de aminoácidos, y por lo tanto, quizás ocurra que el procesamiento interno de la información que llega a la proteína bajo la forma de señales o mensajes sea también lineal. En cambio, en una proteína plegada, se producen múltiples y complejos contactos entre los eslabones de la estructura primaria, produciéndose un enorme volumen de posibles rutas en el procesamiento de la información que deja de ser lineal, surgiendo los fenómenos de complejidad y emergencia de propiedades, que quizás sean la base de la posible explicación.
Como hemos visto resulta que una proteína plegada de una determinada manera es la única que puede desarrollar una cierta función biológica, pero inmediatamente surge la pregunta, de por qué ha de ser esta proteína precisamente la que desarrolle dicha función, cuando aparentemente, no hay ninguna razón física o química para ello, así en esta etapa la gran pregunta es ¿Por qué una determinada proteína plegada de una cierta forma desarrolla una función biológica específica?
Quizás una de las cuestiones más sorprendentes de todo este asunto, es que las relaciones de significación, de muchas causas y efectos que se producen en biología, son simbólicas (en sentido semiótico de la palabra), es decir, que son arbitrarias, no existiendo ninguna razón física o química que las justifiquen. Así por ejemplo, los codones del ADN que codifican un determinado aminoácido, no tienen nada que ver física o químicamente entre sí, siendo perfectamente posible que dicho codón pudiera codificar otro aminoácido y sin embargo la Naturaleza ha escogido el primero, sin que parezca existir razón alguna para ello.
Estamos pues ante un profundo misterio, pues decir como dicen algunos biólogos, que la evolución ha esculpido estos hechos, es no decir nada, pues se precisaría la intervención en algún momento de la evolución, de las leyes de la física o química, que como hemos visto no intervienen.
En resumen, diremos que es mucho lo que desconocemos en biología, pero que de lo anterior parece desprenderse la conclusión que muchos fenómenos biológicos importantes no pueden explicarse con las leyes de la física o química que conocemos. Tampoco puede explicarlos el considerar que se producen por azar, pues las leyes del azar nos demuestran que es estadísticamente prácticamente imposible que se produzcan sólo por azar. Todo ello nos lleva a la idea de que para que dichos fenómenos biológicos se produzcan se necesita la intervención de algo más. En el próximo apartado realizaremos una serie de reflexiones sobre lo que quizás pueda ser ese algo más.
La evolución en el Universo
Como todos sabemos la Teoría de la evolución expuesta por Darwin, en la segunda mitad del s. XIX dice, entre otras cosas, que todo ser vivo surge por evolución de otro ser vivo. En realidad, tal como intentaremos mostrar a continuación, la Evolución es un proceso absolutamente general en nuestro Universo, pues todos lo seres o cosas que existen en él, han surgido en un proceso evolutivo a partir de otros seres o cosas anteriores.
Como explicaba en el artículo "El enigma de la vida" todas las cosas de nuestro Universo son sistemas complejos organizados jerárquicamente por niveles de complejidad.
Trataremos de mostrar en este apartado que todos los seres desde un átomo a una galaxia han surgido de un proceso evolutivo.
Nuestro Universo se inicia, según creemos en la actualidad, en el llamado Big Bang que consistió según esa teoría, en que una singularidad (que no sabemos lo que es), por razones que desconocemos explotó dando origen a nuestro Universo, el cual está en expansión y evolución desde entonces.
Según creemos, la sustancia primordial, que no sabemos qué es, se dividió rápidamente en las llamadas fuerzas o interacciones fundamentales de la Naturaleza, que en el terreno físico son las siguientes interacciones: nuclear fuerte, la débil, electromagnética y la gravitatoria.
A partir de ese momento se formaron las entidades elementales (que según unas teorías son los quarks, según otras las cuerdas, las funciones de onda o lo que realmente sean y que no entramos a discutir), posteriormente se alcanzó el nivel de complejidad de los nucleones (formados por protones y neutrones) es decir, se formaron los núcleos del hidrógeno y helio, así como sus isótopos y trazas de otros elementos. Para la formación de estos nuevos sistemas complejos es fundamental la intervención de las interacciones nucleares fuerte y débil.
Así pues en aquel momento existían los nucleones y los electrones libres, pero en un momento posterior, se alcanzó un nuevo nivel de complejidad, el atómico, al intervenir fundamentalmente la interacción electromagnética que unió nucleones y electrones para formar átomos ligeros.
Cuando al proseguir el proceso de expansión de nuestro Universo, se produjo por ello una disminución de la temperatura y de la densidad energética, se llegó a un punto en que, también por acción fundamentalmente de la interacción electromagnética, pudo pasarse al siguiente nivel de complejidad, el de las moléculas, esencialmente moléculas de hidrógeno, helio y sus isótopos.
Así permaneció estabilizado el proceso evolutivo durante millones de años. Pero entonces empezó a intervenir decisivamente otra interacción, la gravitatoria, la cual a partir de las nubes de polvo cósmico (formado por los átomos y moléculas antes citados, así como de agrupaciones) se fueron formando, por concentración gravitatoria, primero las nebulosas, gaseosas, después las galaxias, dentro de ellas las nebulosas solares y finalmente las estrellas, que al encenderse por reacciones termonucleares, permitieron continuar el proceso evolutivo, surgiendo en su interior todos los átomos pesados. Los cuales al término de la vida de la estrella, que explotaba, pasan a formar parte del polvo cósmico, el cual al reiniciarse el proceso de concentración gravitatoria formó nuevas nebulosas solares, constituidas ahora, en parte, por átomos pesados. Así se formó la nebulosa de nuestro sistema solar, el cual por acción básicamente gravitatoria se organizó en un protosol central y en un conjunto de planetas y otros cuerpos. Un de estos planetas era la Tierra, en donde sus condiciones iniciales permitieron el que surgieran nuevos sistemas complejos tales como muchas moléculas inorgánicas y en un determinado momento las llamadas moléculas orgánicas.
A partir de ahí se pasó a un nuevo nivel de complejidad, un nivel muy especial, el de la vida. En efecto en un momento determinado cuando existía ya agua líquida, quizás incluso antes de que se encendiera el protosol, determinadas moléculas orgánicas, (posiblemente nucleótidas, aminoácidos o análogos de estos) pasaron a formar nuevos sistemas llamados biomoléculas (ARN, proteína o su análogo) iniciando con ello la vida.
Pero el problema del paso de unos monomeros (nucleótidos, aminoácidos, etc.) sin vida, con solo propiedades físicas o químicas, a unos polímeros, las biomoléculas, que además de tener propiedades físicas y químicas propias desarrollan comportamientos, es decir, participan de la vida, es un problema grave, pues como vimos en el apartado anterior, no pueden producirse espontáneamente por acción de las leyes de la física y la química que conocemos, ni tampoco es posible que se produzcan por sólo el azar, se nos planteaba entonces que era preciso la intervención de algo más, que debe intervenir para que ese salto se produzca.
En efecto, es preciso que intervenga algo que impulse y dirija a los monomeros biológicos, primero en su selección y concentración, para después dirigirles e impulsarles por una determinada ruta química, hasta llegar a la biomolécula. Posteriormente, creemos que la evolución biológica que se produce, también es dirigida e impulsada por ese algo.
Vemos pues que para que el proceso que lleva a que la vida se produzca deben darse dos condiciones, por un lado la existencia de un entorno o medio adecuado para que pueda emerger el nuevo sistema (así para obtener los átomos pesados es preciso que se den las condiciones del interior de una estrella; en el caso de la vida, tal como nosotros la conocemos, para que pueda surgir debe existir un planeta o cuerpo celeste, como la Tierra primordial, con agua líquida, temperatura adecuada, etc.). La otra condición es, a nuestro entender, la acción de una interacción o fuerza de la Naturaleza. Es decir, lo mismo que para que se formaran nucleones, tuvo que intervenir las interacciones nucleares, la interacción electromagnética para formar los átomos, la interacción gravitatoria para formar las galaxias, estrellas y planetas, así pues parece lógico, la existencia de una quinta interacción de la Naturaleza que podríamos llamar biológica.
Sería así pues necesaria la intervención de la interacción biológica para que pudiera emerger y evolucionar la vida. Tendría características radicalmente distintas de las cuatro interacciones físicas fundamentales, pues estaría relacionada con la información y la consciencia, tal como intentaremos explicar en otro artículo.
Esta hipotética interacción, sería ese algo más necesario para la vida que señalábamos en el apartado anterior.
Bibliografía
1. Albert Bruce y otros (2008) "Biología molecular de la célula" Omega.
2. Chancho Neve, José Luis (2008), Reflexiones sobre el Mundo y el ser humano. Huerga y Fierro editores.
3. Chancho Neve, José Luis (2012), "Crítica estadística de la hipótesis de mutaciones aleatorias y espontáneas como origen de la evolución", "El enigma de la vida", "La consciencia en los seres vivos"
Página web: Www.monografías.com
4. Curtis Helen y N. Sue Barnes (2001) "Biología" Ed. Panamericana.
5. Davies Paul y otros (2010) "Information and the nature of reality" Cambridge University Press.
6. García Sanz, Jesús Adolfo "Hormonas: mensajeros químicos y comunicación celular" Web.
7. Gómez Romero, Pedro (2001) "Metaevolución: la Tierra en un espejo" Celeste Ediciones.
8. Greene Bryan (2005) "El universo elegante" Editorial Crítica.
9. Hanking Stephen (2010) "El gran diseño" Editorial Crítica.
10. Polano, Juan. "La formación del sistema solar" Wwww.terra.es
Autor:
Jose Luis Chancho Neve
Spain.Madrid.Septiembre 2012