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¿Cómo surgió la vida sobre la Tierra? ¿Qué apareció primero en la historia de la vida: la replicación o el metabolismo? Freeman J. Dyson estudia estas cuestiones y discute las dos teorías principales que tratan de explicar cómo pueden organizarse entre sí los compuestos químicos presentes en la naturaleza para formar seres vivos. La opinión mayoritaria es que la vida comenzó con moléculas replicantes, las precursoras de los genes modernos. La creencia minoritaria se basa en que diversas poblaciones de moléculas desarrollaron actividades metabólicas antes de que existiese la replicación exacto, y que durante mucho tiempo la selección natural guió la evolución de las células hacia una complejidad cada vez mayor, sin la intervención de los genes. Dyson analiza ambas teorías haciendo referencia a recientes descubrimientos realizados por geólogos y biólogos, con el propósito de estimular nuevos experimentos que puedan ayudar a decidir cuál es la teoría correcta.

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D Y S O N

LOS ORÍGENES DE lA VIDA

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Los orígenes de la vida

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Traducción de Ana Grandal

CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS

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e o f t h e U n i v e r s it y o f C a m b r id g e

Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge, R eino Unido

Cambridge Un iversity Press The Edinburgh Building, Cambridge CB2 2RU, u k http://www.cup.cam.ac.uk 40 West 20th Street, New York, NY I00I1-42II, usa http://www.cup.org 10 Stamford Road, Oakleigh, Melbourne 3166, Australia Ruiz de Alarcón, 13, 28014 Madrid, España Título original: Origins o f Life ISBN 0 521 62668 4 publicado por Cambridge University Press 1999 © Cambridge University Press 1999

Edición española como Los orígenes de la vida Primera edición, 1999 © Cambridge University Press, Madrid, 1999 © Traducción española, Ana Grandal, 1999 ISBN 84 8323 097 6 rústica

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografia y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público.

Producción: Fotomecánica y fotocomposición ANORMI, S.L. Compuesto en Times 10,5 pt, en QuarkXPress^*^ Impreso en España por PEMASYELTE, S.L. Depósito Legal: M -46756-1999

índice

Prefacio.........................................................................................

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1. Predecesores ilustres .................................................. Schrödinger y Von Neum ann.................................................... EigenyOrgel .............................................................................

11 11

C a pít u l o

Margulis ...................................................................................... Kimura ........................................................................................

18 21 24

C a pít u l o 2. Experimentos y te orías............................................... Q uím ic a....................................................................................... Genética y paleontología .......................................................... La profunda biosfera ca lie nte.................................................... Teorías ......................................................................................... O parin.......................................................................................... E ig en.................................................... ........................................ Cairns-Smith...............................................................................

27 28 30 34 37 37 39 43

C a pít u l o 3. Un modelo ele m enta l................................................. El significado del metabolismo ................................................ Detalles del modelo ................................................................... Consecuencias del m odelo ........................................................

47 47 50 58

C a pít u l o 4. Preguntas sin respuestas............................................ ¿Por qué la vida es tan com pleja ? ............................................ Otras preguntas planteadas por el modelo elemental ............. Implicaciones más amplias .......................................................

66 66 72

Bibliografía...............................................................................

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índice .................................................................................................

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Pr

e f a c io

Ofrecí mis Conferencias Tamer en Cambridge coincidiendo con la celebración del bicentenario del primer vuelo en globo sobre el Canal de La Mancha realizado por Blanchard y Jeffries en enero de 1785. Al igual que los intrépidos aeronautas, un conferenciante debe llevar aire caliente y lastre para regular su vuelo: se inyecta aire caliente cuando el texto de la conferencia es demasiado corto y se suelta lastre cuando el texto es demasiado largo. Cuando preparaba mis conferencias para su publicación, pude recoger algo del lastre soltado y dejar escapar algo del aire inyectado. Agradezco a mis anfitriones del Trinity College su hospitalidad y a mi auditorio sus agudas preguntas y críticas. Al revisar el libro para esta segunda edición en 1998, saqué provecho de muchas de las críticas procedentes de los lectores de la primera edición. Estoy agra decido a todos los que corrigieron mis errores y me comunicaron los recientes avances en biología evolutiva. Y en especial al profesor Caim-Smith por leer y criticar esta nueva edición. La primera era una transcripción de las conferencias editada con prisa. La segunda edición es bastante más larga y ya no es una transcripción. Han ocurrido muchas cosas en los últimos trece años que han profundizado en nuestro conocimiento acerca de la primera etapa de la evolución. He incluido los nuevos descubrimientos. Pero el misterio básico del origen de la vida permanece sin resolver, y el tema central del libro continúa siendo el mismo. Las Conferencias Tamer se crearon con el requisito de que el conferenciante habla se «de la filosofía de las ciencias y las relaciones o la falta de relaciones entre las dis tintas especialidades del conocimiento». Cuando preparé mis conferencias, la intención era ignorar este requisito. Prefería tratar de problemas científicos concretos en lugar de generalidades filosóficas. Elegí el origen de la vida como tema porque consideré que había llegado el momento oportuno para tratar de resolver de nuevo el problema del ori gen de forma experimental. El objetivo principal de las conferencias era estimular la realización de experimentos. Sin embargo, resulta que el estudio del origen de la vida afecta a muchas disciplinas científicas y suscita muchas preguntas filosóficas. Por tanto, a pesar de mis pragmáticas y poco filosóficas intenciones, me encontré de forma for tuita siguiendo los deseos de Tamer. Es imposible hablar durante cuatro horas acerca del origen de la vida sin tropezar con algunas ideas que conectan ramas de la ciencia muy separadas y con otras ideas que superan la frontera entre la ciencia y la filosofía. Las conferencias estaban destinadas a un público universitario en general. Igualmente se espera que los lectores de este libro sean cultos, aunque no expertos. Lo mismo puede decirse del autor. No pretendo ser un experto en biología. No he leído en absoluto toda la bibliografía técnica que hay en el mercado. En mi estudio sobre expe rimentos e ideas no he realizado ningún intento por ser exhaustivo y ni siquiera justo. Pido mis disculpas por anticipado a todas las personas vivas o muertas a cuya contri

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bución al conocimiento he hecho caso omiso, en especial a J. B. S. Haldane, Desmond Barrai, Sidney Fox, Hyman Hartman, Pier Luisi, Julina Hiscox, Lee Smolin y Stuart Kauffman. También pido mis disculpas a Paul Davies, cuyo excelente libro (Davies, 1998) se publicó justo cuando el mío iba camino de la imprenta. Perdí la oportunidad de entablar un debate amistoso con Davies para hablar de nuestras coincidencias y dife rencias. Quiero agradecer a Martin Rees y Sydney Brenner su invitación para asistir a un encuentro titulado «De la materia a la vida», que tuvo lugar en el King’s College de Cambridge, en septiembre de 1981. Se reunieron biólogos, químicos, físicos y mate máticos para hablar acerca de los orígenes de la vida, y en tres días adquirí la mayor parte de mis conocimientos como biólogo evolutivo. Este encuentro me llevó a adoptar el punto de vista que expreso en este libro. También quiero dar las gracias al Rector y a los Miembros de la Junta de Gobierno del Trinity College por invitarme a Cambridge como Conferenciante Tamer en 1985. Los dos primeros capítulos del libro son históricos. El capítulo 1 presenta a los seis personajes que más contribuyeron a que reflexionase acerca de los orígenes de la vida. El capítulo 2 describe con mayor detalle las principales teorías y el fondo experimental a partir del cual surgieron. El capítulo 3 es el más técnico. Describe mi propia contri bución a la cuestión, un modelo matemático que pretende representar de forma abstracta la transición desde el caos a una actividad metabòlica organizada en una población de moléculas. El capítulo 4 analiza algunas de las preguntas que el modelo deja sin resol ver, y las implicaciones del modelo en las siguientes etapas de la evolución biológica. Al final del capítulo 4, en deferencia a Tamer, he incluido una incursión en la filosofía. Mi aproximación a la comprensión del origen de la vida subraya como características destacadas de la vida la diversidad y la tolerancia ante los errores. Esta aproximación me llevó a establecer analogías entre el fenómeno de la biología celular y el fenómeno de la ecología y la evolución cultural. Pero la validez de estas analogías especulativas no resulta en absoluto esencial para nuestra comprensión de la biología celular. Freeman Dyson Institute for Advanced Study, Princeton, Nueva Jersey, EE.UU. noviembre de 1998

Capítulo 1

Predecesores ilustres

Schrödinger y Von Neumann

En febrero de 1943, en un momento triste de la historia de la humanidad, el físico Erwin Schrödinger ofreció una serie de conferencias a una audiencia mixta en el Trinity College de Dublin. En aquel tiempo Irlanda, al igual que durante los días de San Columba hace mil cuatrocientos años, era un refugio para los eruditos y un núcleo de civilización lejos del alcance de los bárbaros invasores. Era uno de los pocos lugares de Europa en que aún era posible una pacífica reflexión científica. Schrödinger indica con orgullo en la versión publicada de las conferencias, que fueron ofrecidas «a una audien cia de aproximadamente cuatrocientas personas que no disminuyó en gran medida». Las conferencias fueron publicadas por Cambridge University Press en 1944 en un pe queño libro (Schrödinger, 1944) con el título What is Life? El libro de Schrödinger tiene menos de cien páginas. Fue muy leído e influyó en la orientación del pensamiento de los jóvenes que crearon la nueva ciencia de la biología molecular en la siguiente década. Está escrito de forma clara y sencilla, y solo incluye cinco referencias de bibliografía técnica y menos de diez ecuaciones desde el comien zo hasta el final. Es en verdad una obra magnífica de la prosa inglesa. Aunque Schrödinger fue exiliado de su Austria natal a Irlanda cuando tenía más de cincuenta años, escribía en inglés mucho mejor que la mayoría de sus contemporáneos británicos y estadounidenses. Solo se revela su historial cosmopolita en los epígrafes que introdu cen los capítulos: tres son de Goethe, en alemán; tres son de Descartes y Spinoza, en latín; y uno es de Unamuno, en castellano. Como ejemplo de su estilo cito aquí las pri meras frases del prefacio: Se supone que un científico debe poseer de primera mano un conocimiento completo y profundo acerca de algunos temas, y, por tanto, se espera que no escriba sobre cualquier asunto en que no sea un maestro. Esto se denomina «nobleza obliga». Para los presentes fines pido renunciar a la nobleza, si es que existe alguna, y ser liberado de la consiguiente obligación. Mi excusa es la siguiente. Hemos heredado de nuestros antepasados el deseo intenso por un conocimiento unificado y universal. El propio nombre entregado a las ins tituciones del saber más elevadas nos recuerda que desde la antigüedad, y a lo largo de muchos siglos, el aspecto universal ha sido el único al que se le ha otorgado crédito total. Pero la extensión, tanto en anchura como en profundidad, de las múltiples ramas del conocimiento durante estos últimos cien años nos ha enfrentado con un curioso dilema.

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Sentimos con claridad que solo ahora estamos empezando a adquirir un material fiable para fundir la totalidad de lo conocido en un todo; pero, por otra parte, es casi imposible que una sola mente domine por completo más que una pequeña porción especializada del total. No veo forma de escapar a este dilema (a menos que nuestro verdadero objetivo se pierda para siempre) más que aventuramos en la síntesis de hechos y teorías, a pesar del conocimiento incompleto y de segunda mano que poseemos de algunos de estos, y con el riesgo de hacer el ridículo. Con esto ofrezco mis disculpas. Esta disculpa de un físico que se aventura en la biología sirve igual para mí que para Schrödinger, aunque en mi caso el riesgo del físico por hacer el ridículo puede ser algo mayor. El libro de Schrödinger resultó esencial porque sabía cómo plantear las preguntas adecuadas. ¿Cuál es la estructura física de las moléculas que están duplicadas cuando los cromosomas se dividen? ¿Cómo debe entenderse el proceso de la duplicación? ¿Cómo retienen estas moléculas su individualidad de generación a generación? ¿Cómo consiguen controlar el metabolismo de las células? ¿Cómo crean la organización que resulta visible en la estructura y la función de los organismos superiores? No respondió a estas preguntas, pero, al plantearlas, puso a la biología en movimiento a través de una trayectoria que condujo a los descubrimientos que marcaron época en los cuarenta años siguientes: al descubrimiento de la doble hélice y el código de tripletes, al análisis pre ciso y la síntesis en masa de genes, y a la medida cuantitativa de la divergencia evolu tiva de las especies. Uno de los grandes pioneros de la biología molecular que estaba en activo en 1943, y sigue estándolo en la actualidad, Max Pemtz, disiente claramente de mi apreciación del libro de Schrödinger (Perutz, 1989). «Por desgracia», escribe Perutz, «un estudio en profundidad de su libro y de la bibliografía relacionada me ha demostrado que lo que hay de cierto en su libro no era original, y la mayor parte de lo que es original se sabía que era falso incluso cuando el libro fue escrito.» La afirmación de Perutz está bien fun dada. Schrödinger adopta de su amigo Max Delbrück el estado del conocimiento exis tente, y sus respuestas conjeturadas a las preguntas que planteó estaban en su mayor parte equivocadas. Schrödinger poseía un conocimiento deplorable de química, y debi do a su aislada situación en Irlanda apenas conocía nada acerca del nuevo mundo de la genética de bacteriófagos que Delbrück había estudiado después de emigrar a Estados Unidos en 1937. Pero Schrödinger nunca declaró que sus ideas fueran originales, y la importancia de su libro radica en las preguntas que formuló y no en las respuestas que conjeturó. A pesar del disentimiento de Perutz, el libro de Schrödinger sigue siendo un clásico porque plantea las preguntas adecuadas. Schrödinger demostró poseer sabiduría no solo por las preguntas que planteó, sino también por las preguntas que no formuló. No planteó ningún interrogante acerca del origen de la vida. Comprendió que 1943 era el momento adecuado para un conoci miento fundamental sobre la base física de la vida. También comprendió que este momento no era el apropiado para obtener algún conocimiento fundamental sobre el

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Predecesores ¿lustres

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origen de la vida. Hasta que no se aclarase la química básica de los procesos de la vida, no era posible plantear preguntas válidas acerca de la posibilidad de la generación espontánea de estos procesos en un entorno prebiótico. De forma sabia cedió la cues tión del origen a una generación posterior. Ahora, después de medio siglo, es el momento adecuado para formular las pregun tas que Schrödinger eludió. En la actualidad esperamos poder plantear las preguntas apropiadas sobre el origen porque nuestro pensamiento está orientado por los descubri mientos experimentales de Manfred Eigen, Leslie Orgel y Thomas Cech. En el presen te, las preguntas acerca del origen están siendo accesibles desde el punto de vista experimental, al igual que lo estaban siendo en los años cuarenta las preguntas acerca de la estructura. Schrödinger formuló las preguntas adecuadas sobre la estructura por que sus pensamientos estaban basados en los descubrimientos experimentales de Timoféeff-Rossovsky, que expuso a rayos X a las moscas de la fruta y midió la relación entre la dosis de la radiación y la proporción de aparición de mutaciones genéticas. Delbrück era amigo de Timoféeff-Rossovsky y publicó un artículo conjunto con él en el que describe e interpreta los experimentos (Timoféeff-Rossovsky et ai, 1935). Este artículo suministró la base experimental para las preguntas de Schrödinger. Después de 1937, cuando Delbrück se trasladó a Estados Unidos, continuó explorando los pro blemas de la estructura. Acertó al considerar el bacteriófago como herramienta experi mental ideal, un sistema biológico exento de complicaciones innecesarias y reducido a un aparato genético casi desnudo. El bacteriófago fue para la biología lo que el átomo de hidrógeno para la física. De forma similar, Eigen se convirtió en el principal inves tigador de los problemas del origen de la vida en los años setenta porque acertó al con siderar al ácido ribonucleico (ARN) como herramienta experimental ideal para los estudios de la evolución molecular en un tubo de ensayo. Los experimentos con ARN de Eigen han llevado un paso más allá los experimentos con el bacteriófago de Delbrück: Eigen desnudó por completo el aparato genético, permitiéndonos estudiar su replicación sin las trabas del bagaje de moléculas estructurales, que incluso una criatura tan rudi mentaria como el bacteriófago lleva consigo. Antes de analizar en detalle los experimentos de Eigen, Orgel y Cech, deseo termi nar mi argumento con Schrödinger. A riesgo de hacer el ridículo de nuevo, me aventu ro a decir que en su análisis de la naturaleza de la vida, Schrödinger pasó por alto un punto esencial. Y creo que Manfred Eigen también pasó por alto este mismo punto en su análisis del origen de la vida. Me apresuro a añadir que cuando discrepo de Schrödinger y Eigen no estoy cuestionando la grandeza de sus contribuciones a la bio logía. Solo digo que no plantearon todas la preguntas importantes. En el libro de Schrödinger encontramos cuatro capítulos que decriben con todo detalle el fenómeno de la replicación biológica, y un solo capítulo que describe de forma menos exhaustiva el fenómeno del metabolismo. Schrödinger encuentra una base conceptual en la física para la replicación exacta y para el metabolismo. La replicación es explicada por la estabilidad mecánica cuántica de las estructuras moleculares, mien tras que el metabolismo lo es por la capacidad que posee una célula viva para extraer

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entropía negativa de su entorno según las leyes de la termodinámica. Schrödinger esta ba evidentemente más interesado por la replicación que por el metabolismo. Existen dos razones obvias para esta preferencia. En primer lugar, después de todo, él fue uno de los inventores de la mecánica cuántica y es natural que se interesara ante todo por las impli caciones biológicas de su propio invento. En segundo lugar, su pensamiento estaba basado en los experimentos de Timoféeff-Rossovsky, que se inclinan en la misma direc ción. Los experimentos medían los efectos de los rayos X en la replicación, y no pre tendían observar los efectos sobre el metabolismo. Delbrück manifestó la misma preferencia cuando llegó a Estados Unidos. El nuevo sistema experimental de Delbrück, el bacteriófago, es una criatura puramente parásita en la cual se ha perdido la función metabòlica y solo sobrevive la función replicadora. Fue precisamente esta concentra ción de la atención en una forma de vida rudimentaria y muy especializada lo que per mitió a Delbrück realizar experimentos que exploraban la base física de la replicación biológica. Era necesario encontrar una criatura sin metabolismo para aislar el fenóme no de la replicación de forma experimental. Delbrück penetró con más profundidad que sus contemporáneos en la mecánica de la replicación porque no estaba distraído con los problemas del metabolismo. Schrödinger contemplaba el mundo de la biología a través de los ojos de Delbrück. No resulta sorprendente que la opinión de Schrödinger acerca de lo que constituye un organismo vivo se parezca más a lo que es un bacteriófago que a lo que es una bacteria o un ser humano. El único capítulo dedicado al aspecto metabòlico de la vida parece una ocurrencia tardía incluida para completar, pero que no influye en la línea principal de su argumento. La línea principal del argumento de Schrödinger, que partía de los detalles de la replicación biológica y llegaba hasta la estructura mecánica cuántica del gen, era sobre saliente en cuanto a claridad y utilidad; estableció el estilo para el desarrollo posterior de la biología molecular. Ni Schrödinger ni los biólogos que siguieron su ejemplo pare cían preocupados por el vacío lógico entre su argumento principal y su análisis del metabolismo. Volviendo a analizar sus conferencias de 1943 con la perspectiva propia del medio siglo transcurrido, podemos sorprendemos de que no plantease algunas de las preguntas fundamentales que este vacío podría haberle sugerido: ¿Es la vida una o dos cosas? ¿Existe una conexión lógica entre el metabolismo y la replicación? ¿Podemos imaginar una vida metabòlica sin replicación, o una vida replicadora sin metabolismo? Estas preguntas no se formularon porque Schrödinger y sus sucesores daban por senta do que el aspecto replicador de la vida es el principal y el aspecto metabòlico el secun dario. A medida que su compresión de la replicación se hacía más y más completa, su falta de comprensión del metabolismo se llevó a un segundo plano. En el relato popu lar acerca de la biología molecular que en la actualidad se ofrece a los escolares, la vida y la replicación se han convertido casi en sinónimos. En los análisis modernos acerca del origen de la vida, a menudo se da por sentado que el origen de la vida es lo mismo que el origen de la replicación. La opinión de Manfred Eigen es un ejemplo extremo de esta tendencia. Eigen eligió el ARN como material de trabajo para sus experimentos porque deseaba estudiar la replicación, pero no estaba interesado en el metabolismo.


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Las teorías de Eigen sobre el origen de la vida en realidad son teorías sobre el origen de la replicación. Llegado este punto, resulta necesario establecer una distinción clara entre replica ción y reproducción. Sugiero como hipótesis que las primeras criaturas vivas eran capaz de reproducirse, pero no de replicarse. ¿Qué significa esto? Para una célula, reprodu cirse significa sencillamente dividirse en dos células, heredando las células hijas a par tes casi iguales los constituyentes celulares. Para una molécula, replicarse significa construir una copia exacta de sí misma mediante un proceso químico específico. Las células pueden reproducirse, pero solo las moléculas pueden replicarse. En la actuali dad, la reproducción de las células siempre viene acompañada de la replicación de las moléculas, pero esto no siempre ha podido ser así en el pasado. También es importante indicar con claridad lo que queremos decir cuando hablamos de metabolismo. Uno de mis amigos estadounidenses, un biólogo molecular profesio nal, me dijo que jamás se le ocurriría plantearse la pregunta de si el metabolismo pudo aparecer antes que la replicación. Para él, la palabra metabolismo significa unos proce sos químicos dirigidos por el aparato genético de los ácidos nucleicos. Si la palabra posee este significado, entonces, por definición, el metabolismo no puede haber existido sin un aparato genético que lo dirija. Se sintió asombrado cuando uno de sus colegas alemanes le comentó que el metabolismo pudo aparecer primero. Preguntó al alemán cómo podía abrigar esa idea tan absurda. Para el alemán, no había nada de absurdo en considerar que el metabolismo apareciese antes que la replicación, porque la palabra alemana para metabolismo es Stojfwechsel, que se traduce en castellano como “cambios en sustancias”. Significa cualquier proceso químico que se produce en las células, tanto si está dirigido por un aparato genético como si no. Mi amigo me cuenta que los estu diantes que aprenden biología molecular en las universidades estadounidenses siempre utilizan la palabra metabolismo para designar los procesos dirigidos de forma genética. Esta es una de las razones por las que dan por sentado que la replicación debe aparecer antes. Por tanto, insisto en que en este libro estoy considerando el significado alemán y no el estadounidense. El significado que doy a la palabra metabolismo es el significado que los alemanes dan a Stoffwechsel, sin restringirse a los procesos dirigidos de forma genética. Solo cinco años después de que Schrödinger ofreciera sus conferencias en Dublin, el matemático John von Neumann aclaró las relaciones lógicas entre replicación y meta bolismo (von Neumann, 1948). Von Neumann describió una analogía entre el funcio namiento de los organismos vivos y el funcionamiento de autómatas mecánicos. Sus autómatas eran una extensión de sus consideraciones acerca de los ordenadores elec trónicos. Un autómata de von Neumann presenta dos componentes esenciales; con pos terioridad, cuando sus ideas fueron asumidas por la industria de los ordenadores, éstos fueron denominados «hardware» y «software». El hardware procesa la información; el software incorpora la información. Estos dos componentes poseen sus análogos exactos en las células vivas; el hardware son principalmente las proteínas, y el software son prin cipalmente los ácidos nucleicos. Las proteínas son el componente esencial del metabo

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Lx)s orígenes de la vida

lismo. Los ácidos nucleicos son el componente esencial de la replicación. Von Neumann describió con precisión, en términos abstractos, las conexiones lógicas entre los com ponentes. Para un autómata completo autorreproductor, ambos componentes resultan fundamentales. Pero existe un aspecto importante mediante el cual, desde un punto de vista lógico, el hardware aparece antes que el software. Un autómata compuesto de un hardware sin software puede existir y mantener su propio metabolismo. Puede vivir de manera independiente siempre que encuentre comida para consumir o números que devo rar. Un autómata compuesto de un software sin hardware debe ser un parásito obligado. Solo puede funcionar en un mundo que ya contiene otros autómatas cuyo hardware puede utilizar. Puede replicarse únicamente si logra encontrar un autómata cooperante en el que hospedarse, al igual que un bacteriófago solo puede replicarse si logra hallar una bac teria cooperante. En todas las formas modernas de vida, las funciones de hardware las llevan a cabo en su mayor parte las proteínas, y las funciones de software los ácidos nucleicos. Pero existen excepciones importantes a esta regla. Aunque las proteínas solo actúan como hardware, y un tipo de ácido nucleico, llamado desoxirribonucleico (ADN), actúa prin cipalmente como software, el otro tipo de ácido nucleico, denominado ARN, ocupa una posición intermedia. El ARN es tanto hardware como software. En los organismos modernos el ARN aparece en cuatro formas diferentes con funciones distintas. Existe el ARN genómico, que constituye la dotación genética completa de muchos virus; en con creto del virus del SIDA. El ARN genómico es sin ambigüedad software. También se encuentra el ARN ribosómico, un componente estructural esencial de los ribosomas que fabrican proteínas. Existe el ARN de transferencia, una parte fundamental de la maqui naria que lleva a los aminoácidos hasta los ribosomas para ser incorporados a proteínas. El ARN ribosómico y el ARN de transferencia son hardware. Por último se encuentra el ARN mensajero, la molécula que transporta las instrucciones genéticas desde el ADN hasta los ribosomas. Hasta hace poco se creía que el ARN mensajero era software, pero en 1982 Thomas Cech descubrió que el ARN mensajero también poseía funciones de hardware (Cech, 1993). Cech observó que había moléculas de ARN mensajero, que denominó ribozimas, que llevaban a cabo funciones de enzimas. Las ribozimas catali zan la rotura y escisión de otras moléculas de ARN. También catalizan su propia rotu ra y escisión, en cuyo caso están actuando como hardware y como software de forma simultánea. El ARN es una molécula flexible y versátil que posee muchas funciones de hardware importantes, además de su función principal de software. Sin embargo, sigue siendo cierto que la inmensa mayoría de las funciones metabólicas de los organismos modernos pertenecen a las proteínas, y que la inmensa mayoría de las funciones repli cadoras pertenecen a los ácidos nucleicos. Voy a resumir el desarrollo de mi argumento hasta este punto. Nuestro ilustre pre decesor Erwin Schrödinger tituló su libro What is Life? («¿Qué es la vida?»), pero omi tió preguntar si las dos funciones básicas de la vida, el metabolismo y la replicación, se podían separar o no. Nuestro ilustre predecesor John von Neumann, utilizando los orde nadores como metáfora, planteó la pregunta que Schrödinger no formuló y le dio una


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respuesta provisional. Von Neumann observó que el metabolismo y la replicación, a pesar de sus intrincadas conexiones en el mundo biológico tal como existe en la actualidad, pue den separarse de manera lógica. Es posible desde un punto de vista lógico encontrar orga nismos que estén compuestos solo de hardware, y que sean capaces de metabolizar pero incapaces de replicarse. También es posible hallar organismos que estén compuestos solo de software, y que sean capaces de replicarse pero incapaces de metabolizar. Y si las fun ciones de la vida se separan de esta manera, puede esperarse que el segundo tipo de orga nismo se convierta en un parásito obligado del primero. El análisis de las funciones de la vida ayuda a explicar y corregir la preferencia frente a la replicación que resulta evidente en el pensamiento de Schrödinger y en toda la historia de la biología molecular. Los orga nismos que se especializan en la replicación tienden a ser parásitos, y los biológos mole culares prefieren utilizar parásitos para los estudios experimentales porque los parásitos son más sencillos desde el punto de vista estructural que sus hospedantes, y son más ade cuados para la manipulación cuantitativa. En el equilibrio de la naturaleza debe producir se una tendencia opuesta. Los hospedantes tienen que existir antes de que aparezcan los parásitos. La superviviencia de los hospedantes es una condición previa para la supervi vencia de los parásitos. Alguien debe alimentarse y crecer para suministrar un hogar a aquellos que solo se reproducen. En el mundo de la microbiología, al igual que en la socie dad y economía humanas, no todos podemos ser parásitos. Cuando reflexionamos acerca del origen de la vida, de nuevo nos encontramos con la pregunta que Schrödinger no formuló. ¿Qué entendemos por vida? Y volvemos a encontramos con la respuesta de Von Neumann, que la vida no es una sola cosa sino dos, el metabolismo y la replicación, y que las dos cosas pueden separarse desde un punto de vista lógico. Por consiguiente, existen dos posibilidades para el origen de la vida: que la vida comenzase una sola vez, estando presentes ambas funciones, replica ción y metabolismo, de una forma rudimentaria y conectadas entre sí desde el princi pio, o que la vida comenzase dos veces, con dos tipos distintos de criaturas, siendo un tipo capaz de metabolizar sin llevar a cabo una replicación exacta y siendo el otro tipo capaz de replicarse sin presentar metabolismo. Si la vida comenzó dos veces, el primer comienzo debe haberse producido con moléculas parecidas a las proteínas, y el segun do con moléculas parecidas a los ácidos nucleicos. Las primeras criaturas de proteínas pueden haber existido de forma independiente durante largo tiempo, alimentándose, creciendo, y desarrollando de manera gradual un aparato metabòlico cada vez más efi caz. Las criaturas de ácidos nucleicos deben haber sido parásitos obligados desde el principio, que atacan a las criaturas de proteínas y utilizan los productos del metabolis mo de las proteínas para lograr su propia replicación. El tema principal de este libro es un examen crítico de la segunda posibilidad, la posibilidad de que la vida comenzase dos veces. A esta segunda posibilidad la denomi no hipótesis del origen doble. Es una hipótesis y no una teoría. Una teoría del origen de la vida debe describir con cierto detalle una secuencia postulada de acontecimientos. La hipótesis del origen dual es compatible con muchas teorías. Puede resultar útil exami nar las consecuencias de esta hipótesis sin comprometerse con ninguna teoría concreta.

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No afirmo que la hipótesis del origen doble sea cierta, ni que esté apoyada por prue bas experimentales. Mi propósito es el contrario. Me gustaría estimular a los químicos y biólogos experimentales y a los paleontólogos a que descubran las pruebas mediante las cuales pueda probarse la hipótesis. Si puede probarse y resulta equivocada, enton ces su propósito habrá servido. Con ello obtendremos unos cimientos más firmes sobre los que construir las teonas del origen único. Si la hipótesis del origen doble puede pro barse y resulta cierta, podremos avanzar con mayor confianza en la construcción de teo rías sobre el origen doble. La hipótesis resulta útil solo si puede sugerir nuevos experimentos. A falta de nuevos experimentos, no hay motivos que justifiquen la creencia en una u otra hipótesis. Tengo que confesar mi preferencia por el origen doble. Pero ésta se basa solo en ideas filosóficas generales preconcebidas, y me doy cuenta de que la his toria de la ciencia está sembrada de cadáveres de teorías muertas que en su tiempo fue ron apoyadas por las opiniones filosóficas imperantes. Mi tendencia filosófica es la siguiente: el hecho más sorprendente que hemos aprendido de la vida tal como existe en la actualidad es la ubicuidad de la estructura dual. La división de todos los organis mos en componentes de hardware y de software, en proteínas y ácidos nucleicos. Considero la estructura dual como una prueba razonable del origen dual, si admitimos que es muy poco probable que aparezca de forma espontánea una estructura de proteí nas y una estructura de ácidos nucleicos a partir del caos molecular. Resulta más fácil imaginar que dos acontecimientos poco probables se produzcan por separado a lo largo de un periodo de tiempo extenso, que imaginar dos acontecimientos poco posibles pro duciéndose de forma simultánea. Huelga decir que los argumentos de este tipo, que recurren a probabilidades imposibles de calcular de manera cuantitativa, no pueden ser concluyentes. La razón principal por la cual me siento optimista ante el avance en la comprensión del origen de la vida, es que el tema está alejándose del dominio de la es peculación filosófica y acercándose a la ciencia experimental. Eigen y Orgel Manfred Eigen y Leslie Orgel, el tercer y cuarto nombre en mi lista de predecesores ilustres, a diferencia de Schrödinger y von Neumann, son investigadores, exploradores de aproximaciones experimentales al problema del origen de la vida. Después de todo son químicos, y este es un trabajo para los químicos. Eigen y sus colegas en Alemania realizaron experimentos que nos mostraron la aparición espontánea y el desarrollo de una organización biológica en un tubo de ensayo (Fig. 1). Más en concreto, demostra ron que una solución de monómeros de nucleótidos, en condiciones estables, producen una molécula polimèrica de ácido nucleico que se replica y muta, y que compite con su progenie para sobrevivir. Desde cierto punto de vista, puede declararse que estos expe rimentos han logrado la generación espontánea de vida a partir de que no hubiese vida. Al menos nos han conducido al punto en el cual podemos plantear y responder pregun-


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I Tiempo (horas)

Figura 1. El experimento de Biebricher-Eigen-Luce que demuestra la evolución de moléculas de ARN en un tubo de ensayo que contiene una solución de monómeros de nucleótidos habiendo añadido la enzima replicasa. La cuatro curvas de la izquiera se obtuvieron con 10^, 10^ y 1 moléculas de molde de ARN añadidas a la mezcla. Las tres curvas de la derecha son tres ensayos distintos sin que añadiese el molde. (Datos procedentes de Eigen et al, 1981.)

tas acerca de la capacidad de los ácidos nucleicos para sintetizarse y organizarse (Eigen et ai, 1981). Por desgracia, las condiciones en los tubos de ensayo de Eigen no eran realmente prebióticas. Para que sus experimentos funcionasen, Eigen introdujo en los tubos de ensayo una enzima polimerasa, un catalizador proteico extraído de un bacte riófago vivo. La síntesis y replicación de los ácidos nucleicos dependían de la orienta ción estructural suministrada por la enzima. Estamos aún lejos de lograr una demostración experimental de la aparición de un orden biológico sin la ayuda de un pre cursor de origen biológico. A pesar de todo, Eigen suministró unas herramientas con las cuales los investigadores pueden empezar a tratar de resolver el problema del origen. Leslie Orgel, al igual que Manfred Eigen, es un químico experimental. Me enseñó la mayor parte de lo que conozco acerca de los antecedentes químicos de la vida. Realizó experimentos complementarios a los de Eigen. Este fue capaz de producir ARN a partir de monómeros de nucleótidos sin que existiera ningún molde de ARN para ser copiado por los monómeros, pero con una enzima polimerasa que le dice a los monó meros lo que deben hacer. Orgel realizó experimentos de igual importancia pero en la dirección contraria. Orgel demostró que, en determinadas condiciones, los monómeros de nucleótidos pueden polimerizarse para formar ARN si se les suministra un molde de ARN para copiar, sin que haya enzima polimerasa. Orgel descubrió que los iones de cinc presentes en la solución eran unos buenos catalizadores para la síntesis de ARN. Puede que no sea una coincidencia que muchas enzimas biológicas modernas presenten iones de cinc en sus sitios activos. En resumen, Eigen fabricó ARN utilizando una enzi

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ma pero sin molde, y Orgel fabricó ARN utilizando un molde pero sin enzima. En las células vivas, el ARN se fabrica utilizando moldes y enzimas. Si suponemos que el ARN fue la molécula original con la cual comenzó la vida, entonces para comprender el origen de la vida debemos fabricar ARN sin utilizar moldes ni enzimas. Ni Eigen ni Orgel lograron aproximarse a este objetivo. La opinión de que la vida comenzó con el ARN se encontraba ampliamente acep tada en el momento en que Eigen y Orgel realizaron sus experimentos, y recibió un fuer te estímulo por el descubrimiento de las ribozimas realizado por Cech. Si tal como demostró Cech, el ARN puede actuar como enzima, catalizando reacciones químicas en una célula primitiva, entonces las enzimas proteicas pueden resultar innecesarias. Las células primitivas pueden haber llevado a cabo todas las funciones del metabolismo y la replicación solo con ARN. Se introdujo la frase «el Mundo de ARN» (Gilbert, 1986; Joyce, 1989) para describir las circunstancias que se estaban produciendo en las épocas primitivas, cuando la vida de ARN estaba desarrollándose sin la ayuda de enzimas pro teicas. Se ampliaron los experimentos de Eigen (Wright y Joyce, 1997) para demostrar que una ribozima de ARN en un tubo de ensayo puede evolucionar aumentando su efica cia como catalizador en un factor de diez mil o más. En un experimento que duró solo cinco días, una ribozima muy débil evolucionó hacia una ribozima extremadamente eficaz. En otro experimento notable (Santoro y Joyce, 1997) se produjo ADN de forma artificial en unos tubos de ensayo para que llevase a cabo funciones de enzima, y la enzima de ADN resultante fue más eficaz incluso que la mejor ribozima de ARN. El ADN es una molécula mágica con propiedades extraordinarias, y pueder desempeñar muchas fun ciones en la célula además de portar información genética. Sin embargo, los experi mentos de Santoro, Wright y Joyce, al igual que el experimento de Eigen, aún requerían la presencia de enzimas proteicas en el tubo de ensayo. Sin las enzimas polimerasa y transcriptasa inversa, los experimentos no se producirían. Todavía no se ha observado el desarrollo de ribozimas en un tubo de ensayo que contenga solo ARN. No considero que la existencia de las ribozimas sea una razón decisiva para creer en la existencia de un mundo de ARN. Antes del descubrimiento de las ribozimas se sabía que el ARN llevaba a cabo funciones importantes de hardware, además de sus funciones de software. Las ribozimas solo son un elemento para añadir a la lista de las funciones de hardware del ARN. En todas sus funciones de hardware —ARN de trans ferencia, ARN ribosómico o ribozima— el ARN está trabajando como parte de una máquina construida en gran medida por proteínas. Cuando contemplo los experimentos de Eigen y Orgel, y de Wright y Joyce, no veo nada que se parezca a un mundo de ARN. Creo que estos experimentos se ajustan más al marco de la hipótesis del origen doble. Según la hipótesis del origen doble, el ARN no fue la molécula original de la vida. Las moléculas originales de la vida fueron proteínas, o polímeros similares a proteínas, encontrándose ya establecida una vida de este tipo cuando el ARN entró en escena. En este contexto, los experimentos de Eigen y Orgel, y de Wright y Joyce, exploran el desa rrollo del ARN bajo condiciones apropiadas para el segundo origen de la vida. Se acer caron a la descripción del desarrollo parasitario de la vida de ARN, dentro de un entorno


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creado por una vida de proteínas preexistente. No dicen nada acerca del primer origen de la vida, el origen de la vida de proteínas y del metabolismo de proteínas. El siguien te territorio virgen que aguarda la exploración de los químicos experimentales es el ori gen del metabolismo. Margulis

El quinto nombre de mi lista de predecesores ilustres es Lynn Margulis. Aunque aún vive y es bastante más joven que yo, fue ella quien estableció la línea en la cual refle xiono sobre la evolución temprana. Su línea está bien expuesta en su popular libro (Margulis y Sagan, 1995) que describe la prodigalidad de la vida y los misterios de su evolución en una simbiosis brillante de prosa e ilustraciones. Describe las ciencias de la fisiología y la genética como dos cimientos sólidos del conocimiento, con un ancho río de ignorancia fluyendo entre ambas. Puesto que existe tierra sólida en ambas orillas, podemos utilizar nuestra comprensión de la historia y la evolución de la vida para cons truir un puente sobre el río. En la ciencia, un puente es una teoría. Y cuando éste ha de construirse, los científicos teóricos pueden desempeñar un papel muy útil. Lynn Margulis es uno de las mayores constructores de puentes en la biología moderna. Erigió un puente entre las realidades de la anatomía celular y las realidades de la genética molecular. Su puente se basa en la idea de que el parasitismo y la sim biosis son las fuerzas impulsoras en la evolución de la complejidad celular. Ella no la inventó, pero fue su promotora y sistematizadora más activa. El autor original de la idea, el botánico ruso Konstantin Merezhkovsky, la denominó «simbiogénesis» (Merezhkovsky, 1909; Khakhina, 1992; Dyson, 1997). Esta era muy popular en Rusia, pero apenas tenía apoyo en el exterior hasta que Margulis la resucitó. Recogió pruebas para apoyar su opi nión de que las principales estructuras internas de las células eucariotas no se origina ron dentro de las células, sino que descienden de seres vivos independientes que invadieron las células desde el exterior, como portadores de una enfermedad infecciosa (Margulis, 1970, 1981). Entonces las criaturas invasoras y sus hospedantes evoluciona ron de forma gradual hacia una relación de mutua dependencia. El antiguo organismo productor de enfermedades se convirtió progresivamente en un parásito crónico, en un compañero simbionte y, por último, en una parte indispensable de la sustancia del hos pedante. En la actualidad esta descripción de Margulis de la evolución celular tempra na recibe un apoyo experimental incontrovertible. Se ha descubierto que las estructuras moleculares de los cloroplastos y las mitocondrias están más relacionadas con bacterias extrañas que con las células en las que están incorporados desde hace mil o dos mil millones de años. Además existen razones filosóficas generales para creer que la descripción de Margulis resulta válida, incluso en los casos en los que no puede ser demostrada de forma experimental. Una célula viva, para sobrevivir, tiene que ser tremendamente con servadora. Debe poseer una organización molecular afinada con precisión y unos meca

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nismos eficaces para destruir con rapidez cualquier molécula que se aparte del plan glo bal. Cualquier estructura nueva que surja dentro de este entorno constituirá un ataque a la integridad de la célula. Casi por definición, una nueva estructura será una enferme dad frente a la cual la célula intentará resistirse. Es posible imaginar nuevas estructuras que surjan dentro de la célula y que escapen a su control, como un cáncer creciendo en un organismo superior. Pero es mucho más fácil imaginar nuevas estructuras que entren desde el exterior, como bacterias infecciosas, que gracias a los rigores de la vida inde pendiente se encuentran preparadas para defenderse contra los esfuerzos de la célula por destruirlas. La principal razón por la cual considero la hipótesis de los dos orígenes compatible desde el punto de vista filosófico es que encaja bien en la descripción general de la evo lución relatada por Margulis. Según Margulis, la mayor parte de los grandes saltos en la evolución celular fueron provocados por parásitos. La hipótesis del origen doble implica que los ácidos nucleicos son los parásitos celulares más antiguos y de mayor éxito. La inclusión no solo de células eucariotas sino también de células procariotas amplía el ámbito de la descripción de la evolución de Margulis. Propone que los seres vivos originales fueron células con un aparato metabòlico dirigido por enzimas (molé culas similares a las proteínas), pero sin aparato genético. Estas células carecerían de la capacidad para la replicación exacta, pero podrían crecer, dividirse y reproducirse de una forma aproximadamente estadística. Podrían haber continuado existiendo durante millones de años, diversificando y refinando sus vías metabólicas de forma gradual. Entre otras cosas, descubrieron cómo sintetizar adenosina trifosfato (ATP), la molécula mágica que actúa como principal portador de energía en todas las células modernas. Las células que poseían ATP fueron capaces de actúar de forma más eficaz y prevalecieron en la lucha darwiniana por la existencia. Con el tiempo, las células estaban repletas de ATP y otras moléculas relacionadas, como el adenosina monofosfato (AMP). Examinemos ahora el hecho curioso de que las dos moléculas, ATP y AMP, que presentan estructuras químicas casi idénticas (Fig. 2), poseen en las células modernas unas funciones diferentes por completo pero igualmente esenciales. El ATP es el porta dor de energía universal. El AMP es uno de los nucleótidos que componen el ARN, y actúa como los bits de información en el aparato genético. Para obtener AMP a partir del ATP, solo hay que eliminar dos radicales fosfato. Propongo que las células primiti vas no poseían aparato genético, pero se encontraban saturadas con moléculas como el AMP, en forma de subproducto de la función portadora de energía del ATP. Esta es una situación que puede ser explosiva, y en una célula que portaba una inusual cantidad grande de nucleótidos, se produjo un accidente. Los nucleótidos comenzaron a efectuar el experimento de Eigen de la síntesis de ARN tres mil millones de años antes de que este lo realizase. Dentro de la células, con alguna ayuda por parte de enzimas preexis tentes, los nucleótidos formaron una molécula de ARN, que continuó replicándose. De esta manera, el ARN apareció en primer lugar como una enfermedad parasitaria dentro de la célula. Las primeras células en las cuales se desarrolló la enfermedad del ARN probablemente enfermaron y murieron. Pero entonces, según el esquema de Margulis,

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Predecesores ilustres NH, Adenosina trifosfato

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Figura 2. Las estructuras moleculares del adenosina trifosfato (ATP) y el adenosina 5’-monofosfato (AMP), también conocido como nucleótido de adenina.

algunas de las células infectadas aprendieron a sobrevivir a la infección. La vida basa da en proteínas aprendió a tolerar la vida basada en ARN. El parásito se convirtió en simbionte. Y después, con mucha lentitud a lo largo de millones de años, la vida basa da en proteínas aprendió a utilizar la capacidad para la replicación exacta que suminis traba la estructura química del ARN. La simbiosis original entre vida basada en proteínas y ARN parásito se convirtió de forma gradual en una unidad armoniosa, el moderno aparato genético. Esta opinión de que el ARN es la más antigua e incurable de nuestras enfermeda des parasitarias es solo una fantasía poética, no constituye todavía una teorí'a científica seria. Aun así me resulta atractiva por varias razones. En primer lugar, coincide con nuestra experiencia humana de que el hardware debe aparecer antes que el software. La célula moderna es como una industria química controlada por ordenador, en la cual las proteínas son el hardware, y los ácidos nucleicos el software, con las excepciones ya mencionadas. En la evolución de las máquinas y los ordenadores, siempre se desarrolló en primer lugar el hardware antes de empezar a considerar el software. Creo razonable pensar que la evolución natural haya seguido el mismo modelo. Un segundo argumen to a favor de la teoría parasitaria del ARN procede de la química de los aminoácidos y

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los nucleótidos. Resulta fácil sintetizar aminoácidos, las partes constituyentes de las proteínas, a partir de materiales prebióticos verosímiles. En un experimento clásico rea lizado por Miller en 1953, se demostró la síntesis de aminoácidos a partir de una atmós fera reductora hipotética. Aunque ahora se considera poco probable que la tierra tuviera en algún momento una atmósfera reductora, siempre han debido existir entornos loca les en los que se produjesen condiciones reductoras. En concreto, la existencia de ami noácidos en algunos meteoritos antiguos prueba que es posible la síntesis prebiótica de aminoácidos. Los nucleótidos que componen los ácidos nucleicos son mucho más difí ciles de sintetizar. Oró ha sintetizado bases de nucleótidos, como adenina y guanina, a partir de amoniaco y ácido cianhídrico. Pero obtener un nucleótido completo a partir de una base es un asunto más delicado. Además, una vez formados, los nucleótidos son menos estables que los aminoácidos. Gracias a la química, es más fácil imaginar que una gota de agua en la tierra prebiótica se convierta en una sopa rica en aminoácidos, que en una sopa rica en nucleótidos. Charles Darwin imaginó que la vida comenzó en una «pequeña charca templada» sobre la superficie de la tierra. En fechas recientes, Thomas Gold y otros (Gold, 1992, 1998; Chyba y McDonald, 1995) han insinuado que un entorno profundo y caliente es el lugar más probable para el nacimiento de la vida. En cualquiera de los casos, los nucleótidos habrían sido difíciles de fabricar y fáciles de destruir. Tendrían una mayor probabilidad para acumularse y polimerizar si se origina sen en procesos biológicos producidos en el interior del entorno protegido de las célu las ya existentes. La tercera razón por la que prefiero la teoría parasitaria del ARN es que podría pro barse de forma experimental. Si la teoría es cierta, las células vivas pueden haber exis tido durante mucho tiempo antes de ser infectadas por los ácidos nucleicos. Existen microfósiles, vestigios de células primitivas, en rocas con más de tres mil millones de años. Es posible que algunos de estos microfósiles provengan de células más antiguas que el origen del ARN, y que los microfósiles puedan portar aún pruebas de la natura leza química de la células antiguas. Por ejemplo, si se descubre que los microfósiles conservan en sus constituyentes minerales una cantidad importante de fósforo, esto constituiría una prueba sólida de que las células antiguas poseían algo parecido al apa rato genético moderno. Por lo que sabemos, estas pruebas no se han descubierto. Desconozco si es probable que los procesos de fosilización dejen vestigios químicos de los ácidos nucleicos intactos. Mientras exista esta probabilidad, tenemos la oportunidad de probar la hipótesis de un origen posterior del ARN mediante observación directa. Kimura

El último de los predecesores ilustres de mi lista es el genético Motoo Kimura, que murió en 1994 a los setenta años. Kimura desarrolló la base matemática para el trata miento estadístico de la evolución molecular (Kimura, 1970), y ha sido el principal defensor de la teoría neutra de la evolución (Kimura, 1983). La teoría neutra proclama


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que a través de la historia de la vida, desde el comienzo hasta el fin, las fluctuaciones estadísticas al azar han sido más importantes incluso que la selección darwiniana en la evolución de las especies. La evolución mediante fluctuaciones estadísticas al azar se denomina deriva genética. Kimura sostiene que la deriva genética impulsa a la evolu ción de forma más poderosa que la selección natural. Estoy en deuda con Kimura por dos razones diferentes. En primer lugar, porque utilizo la matemática de Kimura como herramienta para calcular el comportamiento de poblaciones moleculares. La matemá tica resulta adecuada y útil tanto si se cree en la teoría neutra de la evolución como si no. En segundo lugar, porque encuentro que la teoría neutra de la evolución es prove chosa aunque no la acepto como dogma. En mi opinión, Kimura ha exagerado su caso, pero a veces su descripción de la evolución puede ser correcta. La deriva genética y la selección natural son importantes, y existen momentos y lugares en los que una u otra pueden ser dominantes. En concreto, creo que es razonable suponer que la deriva gené tica era dominante en la fase más temprana de la evolución biológica, antes de que se establecieran los mecanismos de la herencia. Aunque en general la teoría neutra no sea cierta, puede constituir una aproximación útil para construir modelos de la evolución prebiótica. No sabemos si el origen de la vida fue gradual o súbito. Pudo haber sido un proce so de crecimiento lento que se extendió durante millones de años, o pudo ser un solo acontecimiento molecular que se produjo en una fracción de segundo. Por regla gene ral, la selección natural es más importante durante largos periodos y la deriva genética durante periodos cortos. Si creemos que el origen de la vida es lento, debemos pensar que es un proceso darwiniano conducido por la selección natural. Si creemos que es rápido, entonces resulta apropiada la descripción de la evolución de Kimura mediante fluctuación estadística sin selección. En realidad, el origen de la vida debe haber sido un proceso complejo con episodios de cambios rápidos separados por largos periodos de adaptación lenta. Una descripción completa debe considerar tanto la deriva como la selección. En mis cálculos, he aprovechado el privilegio del teórico para simplificar e idealizar un proceso natural. He considerado el origen de la vida un acontecimiento ais lado que se produjo en una escala de tiempo rápida. En este contexto hipotético, resul ta coherente estudiar las consecuencias de la deriva genética actuando sola. La selección darwiniana comenzaría a producirse después de que el proceso de deriva genética le haya ofrecido algo sobre lo que actuar. Si se desea estudiar en serio la hipótesis del origen doble, la hipótesis de que la vida comenzó y se desarrolló sin la utilización de la replicación exacta, entonces resulta apropiado considerar que durante las primeras etapas exploratorias de la evolución, la deriva genética se mantendría fuerte y la selección natural relativamente débil. Pero esto no quiere decir que la selección darwiniana tuvo que esperar a que la vida aprendiera a replicarse de forma exacta. En efecto, Darwin no sabía nada de la replicación exacta cuando expuso la idea de la selección natural. La selección darwiniana habría actuado para guiar la evolución de los seres vivos incluso en un momento en el que estos seres carecían de algo parecido a un aparato genético moderno. Todo lo que se necesita para

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que actúe la selección natural es que exista algún tipo de herencia de constituyentes quí micos de un organismo hacia su progenie. No es necesario que la herencia sea exacta. Resulta suficiente con que una célula que se divide en dos células hijas transmita con elevada probabilidad a cada una de estas una población de moléculas capaces de conti nuar su propio modelo de metabolismo. La selección darwiniana es inevitable en cuan to comienza la herencia, no importa lo poco riguroso que pueda ser el mecanismo de la herencia. Cuando aplico la matemática de la deriva genética de Kimura para describir la fase más temprana del primer origen de la vida, no significa que coincida con Kimura al creer que la deriva genética continuó siendo dominante más tarde. No considero pro bable que la deriva genética continuase dominando después de que la vida estuviera bien establecida, incluso aunque las primeras formas de vida fueran incapaces de llevar a cabo la replicación exacta. De entre los muchos predecesores ilustres que existen, he elegido a estos seis (Schrödinger, von Neumann, Eigen, Orgel, Margulis y Kimura) porque todos son, en algún sentido, filósofos además de científicos. Cada uno de ellos incorporó a la biolo gía no solo habilidades técnicas y conocimiento, sino también un punto de vista filosó fico personal que se extiende más allá de la biología hasta la totalidad de la ciencia. De todos ellos he tomado prestadas ideas que han ido encajando para formar mi propio punto de vista filosófico. El origen de la vida es uno de los pocos problemas científicos lo bastante amplio como para utilizar ideas procedentes de casi todas las disciplinas científicas. Schrödinger incorporó ideas de la física, von Neumann de la lógica mate mática, Eigen y Orgel de la química, Margulis de la ecología y Kimura de la biología de poblaciones. Lo que intento en este libro es analizar las conexiones, averiguar si la lógica matemática y la biología de poblaciones han podido plantear nuevas preguntas que la química pueda responder.

C a p í tu l o 2

Experimentos y teorías

tres etapas principales, que pueden El estudio de la evolución prebiótica geofísica trata de la historia denominarse como geofísica, química y de la corteza, los océanos y la primitiva de la tierra, y en especia e síntesis de los componentes químicos atmósfera primitivos. La etapa quimic actúan dentro de unos modelos básicos de la vida, mediante procesos Cuando hablamos de componentes plausibles de atmósfera y océanos P” monómeros de nucleótidos, de los básicos, tendemos a pensar en los xcidos nucleicos de las células modernas. En cuales están formados las proteínas y . , . pudieron ser muy diferentes, pero la el comienzo de la vida, los componen . , prebiótica han apuntado a la suma mayoría de los experimentos que es u la ^-ata de la aparición de una de aminoácidos y nucleótidos. a p población coordinada de moléculas organización biológica, con la mezcla al azar de componentes básicos, grandes con funciones catalíticas a pa nucleótidos, las moléculas grandes serán Si los componentes básicos · „i5n biológica pudo comenzar con una proteínas o ácidos nucleicos. Pero ^ . g ¡a que encontramos en las células Ablación de moléculas bastante más heterogenea que q modernas. o<»ofísica y química de la evolución preEn general, puede decirse que as Pencuentranenman biòtica se comprenden bastante len. añadir a sus indicaciones. Las teorías de competentes, y no tengo nada impo a j¡ante abundantes observaciones en el la etapa geofísica pueden compro ars química pueden comprobarse con los campo de la geología. Las teorías laboratorio. Quedan muchos detalles por experimentos realizados por químico misterio. Por tanto, he concentraaclarar, perq las dos etapas ya no es encuentra el problema del orido mi atención en la etapa biolópca. a biológica a partir del caos gen de la vida, de la ap^icion , candes misterios. El objetivo de mis molecular. En esta etapa es don e pe . g entendemos por la aparición de trabajos ha sido tratar de definir con p ^ biológica sea accesible al una organización biológica, y, por tanto, hacer que ’ __ estudio experimental. , ·^.·

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Química

La etapa química de la evolución prebiótica ha sido estudiada en el experimento clási co de Miller en 1953, y en muchos posteriores (Miller y Orgel, 1974). Miller partió de una atmósfera reductora compuesta de metano, amoniaco, hidrógeno molecular y agua, hizo pasar chispas eléctricas a través de esta, y recogió los productos de la reacción. Encontró una mezcla de compuestos orgánicos que contenía una fracción bastante ele vada de aminoácidos. En concreto, obtuvo un rendimiento de un 2% de alanina. La gli cina y la alanina son los más simples de entre los veinte aminoácidos componentes básicos a partir de los cuales todos los seres vivos forman las proteínas. Miller también descubrió que cuando añadía sulfuro de hidrógeno a esta atmósfera, obtenía un rendi miento considerable de metionina y cisteína, los aminoácidos esenciales que contienen azufre. El experimento, además, funcionaba casi tan bien en una atmósfera de hidróge no molecular, nitrógeno molecular y monóxido de carbono. No se producía en una atmósfera oxidante que contenía oxígeno libre o dióxido de azufre. Apenas se producía en una atmósfera neutra compuesta por nitrógeno molecular, dióxido de carbono y agua, produciendo un rendimiento muy pequeño de aminoácidos. Otros han repetido los experimentos de Miller con muchas variaciones, utilizando luz ultravioleta o radiación ionizante como fuente de energía en lugar de las chispas eléctricas. Los resultados siem pre han sido coherentes. La introducción de energía en una atmósfera reductora provoca la aparición de una cantidad importante de aminoácidos. Sin embargo, en una atmósfe ra neutra u oxidante no lo consigue. La síntesis prebiótica de nucleótidos es un problema más difícil. Los esfuerzos para sintetizar nucleótidos directamente a partir de sus componentes elementales en un expe rimento del tipo de Miller no han tenido éxito. Un nucleótido es una molécula inestable formada por tres partes: una base orgánica más un azúcar y un ion fosfato. La manera más verosímil para sintetizar una base orgánica la demostró Oró en un experimento rea lizado en 1960. Oró preparó una solución concentrada de cianuro de amonio en agua, y sencillamente la dejó en reposo. Descubrió que el cianuro de amonio se había conver tido en la base orgánica adenina, con un rendimiento de un 0,5%. La adenina es una de las cuatro bases (adenina, timina, guanina y citosina) que son los ingredientes activos del ADN. Oró también sintetizó guanina de una forma similar, pero es poco probable que el material de partida, el cianuro de amonio, fuera abundante en las aguas superfi ciales de la tierra, a menos que la atmósfera fuese reductora. El experimento de Oró, al igual que el de Miller, necesita una atmósfera reductora para que funcione. No resulta fácil imaginar que una solución de cianuro de amonio se concentre lo suficiente en con diciones naturales como para hacer que la síntesis de Oró se produzca con un rendi miento elevado. Leslie Orgel sugirió una manera posible. Si una charca que contiene una solución diluida de cianuro de amonio se congela, el hielo de la parte superior será agua casi pura, y la solución en el líquido sin congelar que se encuentra debajo estará cada vez más concentrada a medida que avanza la congelación. Si la temperatura des ciende con lentitud y la congelación se va produciendo de manera constante, el resulta


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do final será un pequeño volumen de solución eutèctica concentrada de cianuro de amo nio en el fondo de la charca. La temperatura a la cual acaba congelándose la solución eutèctica es de -22°C. Resulta concebible que la solución concentrada a una temperatu ra de alrededor de -20°C pueda mantenerse sin perturbaciones durante un tiempo lo sufi cientemente largo como para producir adenina mediante la reacción de Oró. Como ha indicado Leslie Orgel, lo que se necesita para obtener una síntesis natural de bases de nucleótidos no es una sopa caliente, sino una sopa muy fría. La síntesis de bases de nucleótidos de Oró requiere unas condiciones mucho más especiales que la síntesis de aminoácido de Miller. También resulta difícil producir el componente de azúcar de los nucleótidos. El azúcar puede sintetizarse con relativa efi cacia a partir de una solución concentrada de formaldehído. El formaldehído es una molécula que se produce de forma natural en nubes moleculares del cielo. Pero la sín tesis de azúcares, al igual que la síntesis de Oró, requiere una concentración elevada. Y el formaldehído, como el cianuro de amonio, prefiere una atmósfera reductora. Resulta poco probable que las bases y el azúcar surjan de forma espontánea en condiciones neu tras. El tercer componente de los nucleótidos es el ion fosfato. Es el único componente que se produce de forma natural como constituyente mineral de las rocas y el agua de mar y no es necesario sintetizar. Por tanto, se han encontrado formas posibles, aunque poco probables, para que cada una de las tres partes de un nucleótido aparezca en un entorno prebiótico. Pero surgen dificultades aún más graves cuando se trata de descubrir una manera para juntar las tres partes en la disposición geométrica adecuada. Si los enlaces se producen al azar, alre dedor de solo una de cada cien moléculas será correcta desde el punto de vista estereoquímico. Solo las moléculas enlazadas de forma apropiada pueden polimerizar para formar ácidos nucleicos. Resulta difícil imaginar un proceso prebiótico que pueda sepa rar un nucleótido formado correctamente de sus noventa y nueve hermanos incorrectos. Y para concluir, los nucleótidos formados de manera correcta son inestables en solución y tienden a hidrolizarse separándose de nuevo en sus componentes. No podemos supo ner que los nucleótidos continuasen acumulándose en las charcas primitivas durante miles de años. La velocidad de síntesis de los nucleótidos debe ser elevada para mante ner el mismo ritmo que la velocidad de hidrólisis. Los nucleótidos son estables en nues tros cuerpos solo porque están resguardados en dobles hélices que los protegen de la hidrólisis. Los nucleótidos sobre la tierra primitiva serían aves raras, difíciles de sinte tizar y fáciles de disociar. Nadie ha descubierto aún una manera lo bastante rápida para obtenerlos a partir de sus componentes, de manera que tuvieran una probabilidad razo nable de encontrarse y combinarse para producir hélices estables antes de hidrolizarse. Los resultados de treinta años de intensa experimentación química han demostrado que es fácil simular la síntesis prebiótica de aminoácidos en una atmósfera reductora, pero la síntesis prebiótica de nucleótidos resulta difícil en cualquier entorno. Pero no podemos afirmar que la síntesis prebiótica de nucleótidos es imposible. Solo sabemos que, si se produjo, lo hizo mediante algún proceso que ningún químico ha sido lo bas tante ingenioso para reproducir. Puede considerarse que esta conclusión favorece la

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hipótesis del origen doble, impugnando la hipótesis del origen único. Una hipótesis del origen único requiere que los aminoácidos y los nucleótidos hayan sido sintetizados mediante procesos naturales antes de que comience la vida. La hipótesis del origen doble requiere que solo los aminoácidos sean sintetizados de forma prebiótica, formán dose después los nucleótidos como subproductos del metabolismo de las proteínas. Las pruebas procedentes de las simulaciones químicas no refutan la hipótesis del origen único, pero exponen un sólido argumento de presunción en su contra. Genética y paleontología He resumido algunas pruebas sobre el origen de la vida suministradas por la química. Ahora analizaré las pruebas procedentes de la genética y la paleontología. La cuestión principal que hemos aprendido de la genética es que el aparato genético es universal. Cuando hablo de aparato genético, me refiero a la organización de ribosomas y de ARN de transferencia que permite a una célula traducir un gen del ácido nucleico a una pro teína, según el código de tripletes. En las células modernas el gen se transcribe a una molécula de ARN mensajero antes de ser traducido. Las formas de ARN mensajero son muy variables de una especie a otra. El código de tripletes está incluido en las molécu las de ARN de transferencia, y es el mismo en todas las células salvo pequeñas dife rencias. Esta universalidad del aparato genético es una prueba sólida de que todas las células descienden de un antepasado común. Debió existir un único antepasado común más reciente, una sola célula cuya progenie se diversificó en la miríada de ramas del árbol evolutivo. A partir de las pruebas genéticas sabemos que el antepasado común más reciente ya poseía un aparato genético, en líneas generales completo, con el mismo código de tripletes utilizado en las células modernas. George Fox y Carl Woese fueron los principales exploradores de las primeras rami ficaciones del árbol evolutivo. Definieron las primeras ramas midiendo de forma cuan titativa el grado de afinidad de las secuencias de nucleótidos de moléculas de ARN ribosómico en células muy diversas. Las moléculas de ARN ribosómico, puesto que son cruciales para el funcionamiento del aparato genético, son conservadoras en grado extremo y cambian su secuencia de forma lentísima. No obstante, cambian, y la diver gencia entre las secuencias de dos células mide de manera aproximada el tiempo que ha transcurrido desde que estas dos células compartían un antepasado común. Rastreando así las relaciones entre células, se descubre que el árbol evolutivo presenta tres ramas principales que representan una divergencia de tipos celulares mucho más antigua que la posterior división de los seres en animales y plantas. Por otra parte, el aparato gené tico que presentan algunos orgánulos dentro de la célula eucariota, como cloroplastos y mitocondrias, no pertenece a la misma rama del árbol que el aparato genético de los núcleos de las células eucariotas. Esta diferencia entre el aparato genético de los orgá nulos y el del núcleo es la prueba más sólida que confirma la teoría de Lynn Margulis de que los orgánulos de las células eucariotas modernas, en origen, fueron células de


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vida libre independiente, y que solo después se convirtieron en parásitos del hospedan te eucariota. Según esta teoría, el éxito evolutivo de la célula eucariota es debido a una política de inmigración libre. Al igual que Estados Unidos en el siglo xix, la célula eucariota albergó a los pobres y sin techo y explotó sus habilidades para sus propios fines. Huelga decir que tanto en Estados Unidos como en la célula eucariota, cuando los antiguos inmigrantes estuvieron asentados con comodidad y establecieron su lugar en la sociedad, hicieron lo posible por cerrar la puerta a todos los presuntos nuevos inmi grantes. Existen algunas diferencias entre las mitocondrias y las células de vida indepen diente, no solo en las secuencias de las moléculas de ARN ribosómico sino en el mismo código genético. Las mitocondrias de diversas especies presentan pequeñas variaciones en el código que no se encuentran en ningún otro sitio. Esta realidad constituye otra prueba del origen parasitario de las mitocondrias. No obstante, la existencia de diferen cias es menos importante que el hecho de que estas diferencias sean muy ligeras. Incluso en los casos más llamativos, el código mitocondrial es muy parecido al código convencional, y es imposible que los dos códigos no estén relacionados desde el punto de vista genético. Las excepciones a la universalidad del código no debilitan la creen cia de que la mitocondria y su hospedante, aunque estuviesen mucho tiempo separados, descienden de un antepasado común. Este argumento de la existencia de un antepasado común se aplica solo a las célu las y orgánulos que poseen un aparato de traducción genético. No se aplica a seres como los virus, que se reproducen solo en el interior de las células y toman prestado el apa rato genético de las células que invaden. La estructura genética de los virus no nos pro porciona pruebas directas de su antigüedad; pueden ser muy antiguos, o pueden haberse originado recientemente en forma de plásmidos, es decir, trozos de ácido nucleico sepa rados de los cromosomas de células normales y que llevan una existencia más o menos independiente dentro de las células. Un virus puede no ser más que un plásmido que ha aprendido a sobrevivir fuera de su célula hospedante, cubriéndose con una envoltura de proteínas. Como alternativa, un virus puede ser un descendiente muy degenerado de una célula normal, que ha adoptado un modo de vida parasitario y ha perdido todas sus fun ciones metabólicas. El origen de los virus es todavía una pregunta sin resolver. Lo único que podemos afirmar con certeza es que debieron de existir células antes de que sur gieran los virus, puesto que los virus actuales son totalmente parásitos. No podemos imaginar de ninguna manera que un virus apareciese en primer lugar y se transformara después en una célula. Sabemos menos todavía del posible origen de un misterioso grupo de organismos denominados «priones». Son los organismos responsables de algunas enfermedades degenerativas lentas del sistema nervioso: el «scrapie» en ovejas, el kuru y la enferme dad de Creutzfeldt-Jakob en humanos, y la más célebre encelopatía espongiforme bovi na en vacas. Cuando estas enfermedades se identificaron y se estudiaron por primera vez, se supuso que los agentes causantes eran virus. Carleton Gajdusek relató en su con ferencia por el Premio Nobel (Gajdusek, 1977) la trágica historia del kuru, la enferme

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dad que casi exterminó a la tribu Fore de Nueva Guinea. Los Fore tenían la costumbre de comerse el cerebro de los miembros de la tribu que fallecían. Gajdusek atajó la epi demia convenciéndoles de que los cerebros humanos afectaban su salud. Pero todos los intentos para encontrar el virus del kuru fracasaron. Stanley Prusiner (Prusiner, 1982, 1991) trabajó durante muchos años en el análisis químico del agente del scrapie y llegó a la conclusión de que no podía ser un virus. Identificó el agente de forma provisional como una forma modificada de una proteína conocida. Lo denominó «prión», que sig nifica partícula infecciosa proteica (en inglés, proteinaceous infective paríicle). Pero lo único que se sabe con certeza es que el agente se multiplica y provoca la enfermedad en el interior del cerebro de animales, y que resulta exclusivo entre los seres vivos por que no produce una respuesta positiva frente a ninguno de los ensayos químicos con vencionales para detectar la presencia de ácidos nucleicos. Se ha conjeturado, pero no probado, que el prión es proteína pura, sin ácido nucleico. La forma en que logra repro ducirse sin ácidos nucleicos sigue siendo un misterio. Se presume que ha encontrado una forma de invadir las células nerviosas e inducir a las proteínas de las células para que cambien a copias de sí mismo. Para que esto sea posible, debe estar formado del mismo tipo de proteína que la que se encuentra de forma natural en las células nervio sas. En la actualidad, en muchos lugares se están investigando de manera activa la estructura y el ciclo de vida de los priones, y con suerte en algunos años podremos com prender los priones tan bien como comprendemos los virus. La comprensión de su estructura puede conducir o no a la comprensión de su origen. En este libro expongo todas las pruebas que he podido encontrar para apoyar la hipótesis de que la vida ha tenido un origen doble. La hipótesis del origen doble impli ca que los primeros seres vivos eran capaces de metabolizar, pero no de replicarse, y que estaban compuestos de moléculas parecidas a las proteínas, en lugar de ácidos nucleicos. Podría esperarse que, llegado a este punto, afírmase que la existencia del prión es una prueba que confirma la hipótesis. Pero no afirmo tal cosa. El prión sería una prueba confirmante solo si puede probarse que es una reliquia primitiva que des ciende de manera directa de los primeros seres que vivieron antes del desarrollo del apa rato genético de los ácidos nucleicos. Existen razones sólidas que me convencen de que el prión no puede ser primitivo, por mucho que me gustase descubrir esta reliquia. El prión es equivalente a un virus en que ambos poseen un ciclo de vida totalmente para sitario y con una especialización muy restringida. Por la estructura química, debe estar vinculado de forma estrecha con las células que invade, y en mayor grado que el virus. Resulta difícil imaginar que una célula primitiva, después de esconderse en lugares extraños de la tierra durante millones de años, se encuentre preadaptada de manera milagrosa a la química de un órgano tan sofisticado como es el cerebro de una oveja. Es mucho más probable que el prión se originase en tiempos modernos como un fragmen to desplazado de una célula cerebral. Otro argumento en contra de la antigüedad de los priones es la improbabilidad de la supervivencia de seres sin aparato genético, cuando compiten con seres de diseño moderno. Si existieron células sin aparato genético, no habrían tenido una agilidad, movilidad y respuesta metabòlica en absoluto comparable


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con las células modernas. Según los criterios modernos, serían en gran medida inefica ces, lentas y ciegas. En cuanto se perfeccionó el aparato genético, las células que lo poseyeran tendrían una enorme ventaja sobre las formas de vida anteriores. Con inde pendencia del tiempo que pudo durar la evolución de las formas de vida no replicado ras y de la inmensa variedad que pudo existir de estas formas, no puede esperarse que haya sobrevivido alguna reliquia viva de aquella época. El prión es un descubrimiento emocionante e importante, pero no es probable que arroje luz directa sobre la cuestión del origen de la vida. Las pruebas de afinidad genética recogidas por Carl Woese y otros demuestran que todas las células existentes presentan un antepasado común, pero no suministran ningún dato sobre la época del antepasado común más reciente. Las pruebas genéticas nos pro porcionan una buena datación relativa de las diferentes ramas del árbol evolutivo, pero no una datación absoluta. Para obtener fechas concretas debemos considerar las pruebas de la paleontología. El pionero en el descubrimiento de pruebas fósiles para la datación absoluta de la vida temprana fue E. S. Barghoom. La roca en la cual se conservan mejor los microfósiles es el «chert», el nombre que los geólogos dan a una roca silícea de grano fino que la gente corriente llama pedernal. El chert se forma por la precipitación lenta de la sílice disuelta del agua, un proceso que ejerce una fuerza mínima sobre cualquier cria tura pequeña que haya podido quedar inmersa en su interior. Cuando se ha formado, el chert resulta duro e inerte desde el punto de vista químico, de manera que los fósiles están bien protegidos en su interior. Los microfósiles que han recogido Barghoom y otros son pequeñas gotas negras en las cuales apenas se puede distinguir una estmctura inter na, y no se sabe con seguridad si todas tienen un origen orgánico. No pretendo decidir si una gota microscópica es una célula fósil o un vulgar grano de polvo. Acepto el vere dicto de los expertos, que indican que la mayoría de las gotas son fósiles. Los resultados de un gran número de observaciones de microfósiles pueden resu mirse como sigue. La palabra eón significa mil millones de años. En rocas que datan de forma fiable de una edad aproximada de 3 eones, en su mayoría de Sudáfrica, encon tramos microfósiles que parecen bacterias modemas en forma y tamaño. En rocas con una edad aproximada de 2 eones, en su mayoría de Canadá, encontramos fósiles que parecen algas procariotas modemas, incluyendo cadenas de células y otras estructuras multicelulares. En rocas con una edad aproximada de 1eón, en su mayoría de Australia, encontramos fósiles que parecen células eucariotas modemas con rastros de una estruc tura intema. Los fósiles son demasiado pequeños para ser analizados con precisión de forma química, pero en el grupo de 3 eones se han descubierto rastros de hidrocarburos de cadena larga, mientras que el grupo de 1 eón contiene restos de porfirina que proba blemente se derivan de la clorofila. La datación geológica de los diversos grupos de fósiles es de una precisión y fiabi lidad extraordinaria. Por desgracia, no conocemos con igual precisión qué se está datan do; no sabemos cómo identificar los diversos fósiles con ramas concretas del árbol evolutivo. Excepto por la similitud general de tamaño y forma, no existe evidencia de que las células del grupo de 3 eones sean primas de las bacterias modemas. No hay pme-

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bas de que posean un aparato genético moderno, con ribosomas y ARN de transferencia, ni tampoco de la presencia de ácidos nucleicos en ninguno de los microfósiles antiguos. Por lo que se refiere a las pruebas, las células del grupo de 3 eones pudieron ser células de tipo moderno con un aparato genético completo, o células de tipo rudimentario que carecían de ácidos nucleicos, o algo intermedio. Solo las células del grupo de 1 eón son claramente modernas, con características eucariotas. En cuanto a las pruebas, el antepa sado común más reciente de todas las células vivas pudo vivir antes que los fósiles del grupo de 3 eones, entre el grupo de 3 eones y el grupo de 2 eones, o quizás incluso más tarde que el grupo de 2 eones. Para datar al antepasado común más reciente es impres cindible una conexión fiable de los puntos de ramificación del árbol evolutivo con los diversos grupos de fósiles. El problema más urgente de los genéticos evolutivos y los paleontólogos es establecer la calibración de las edades relativas determinadas por afini dades genéticas, en función de las edades absolutas determinadas mediante la geología. Hasta que se resuelva este problema, ni las pruebas genéticas ni las paleontológicas resultan suficientes para determinar la edad de nuestro antepasado común más reciente. El intervalo de tiempo entre el comienzo de la vida y el antepasado común más reciente pudo ser muy largo. Algunas de las nuevas pruebas geológicas han destruido nociones preconcebidas y planteado nuevas preguntas acerca de la fecha del origen de la vida. Estas nuevas pruebas provienen de las rocas terrestres conocidas más antiguas, en Groenlandia. Las rocas de Groenlandia están datadas con fiabilidad y tienen una edad aproximada de 3,8 eones. Contienen diminutas inclusiones carbonáceas que deben ser al menos tan antiguas como las rocas. Un cuidadoso análisis realizado con microsondas para determinar la abundancia de isótopos del carbono en las inclusiones demuestra que el isótopo carbono trece se ha reducido hasta un nivel característico del carbono proce sado de forma biológica (Mojzsis et al, 1996). Esto sugiere que la vida ya existía sobre la tierra muy poco después del intenso bombardeo que formó los muchos cráteres de las tierras altas de la luna. Se ha determinado con fiabilidad la edad de las rocas que los astronautas del Apolo trajeron de la luna y que demuestran que se produjeron una gran cantidad de impactos en la luna hasta hace 3,8 eones. Lo mismo debía de estar ocurrien do en la tierra. Nadie piensa que la vida en la tierra se hubiera establecido tan pronto, pero las pruebas de las rocas de Groenlandia han de tomarse en serio. La opinión orto doxa hasta fechas recientes es partidaria de que la vida se originó sobre la tierra en algún momento entre hace 3,5 y 3,8 eones. Las nuevas pruebas procedentes de Groenlandia insinúan que la vida puede ser más antigua de lo que se suponía. Parece haberse exten dido por toda la tierra antes incluso de que finalizara la época del intenso bombardeo. La profunda biosfera caliente

Cuando Miller realizó sus experimentos, y durante muchos años después, la opinión predominante entre los expertos fue que la atmósfera de la tierra primitiva era reducto ra. Esta creencia estaba basada en pruebas astronómicas. Los radioastrónomos que utilizan


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telescopios de ondas milimétricas han observado que nuestra galaxia está densamente poblada de nubes moleculares que contienen grandes cantidades de hidrógeno molecular, agua, amoniaco, monóxido de carbono, alcohol metílico, ácido cianhídrico y otras molé culas, todas reductoras y no oxidantes. Las observaciones también han demostrado que estas nubes moleculares son los lugares en los cuales se están formando estrellas en la actualidad mediante condensación gravitatoria del gas que transporta las moléculas. Cabe presumir que la tierra y el sol se formaron mediante condensación de una nube molecular similar hace 4,5 eones. También parece razonable suponer que la tierra primitiva contenía enormes cantidades de las mismas moléculas reductoras que observamos hoy en las nubes moleculares. La atmósfera original de la tierra pudo haber sido arrancada muchas veces por la radiación intensa o por la caída violenta de planetesimales a medida que se acumula ba la tierra. No obstante, se cree que la atmósfera que permaneció tras la violencia inicial, cuando el sistema solar ya no era activo, estaba compuesta en esencia por las moléculas que existen con tanta abundancia en el cielo. Los expertos piensan que en la época del ori gen de la vida, la atmósfera de la tierra era reductora y contenía amoniaco, metano e hidró geno molecular, especies ricas en hidrógeno, que Miller utilizó en su experimento. Se suponía que el experimento de Miller era una auténtica simulación de la química prebióti ca sobre la tierra primitiva. Pero ahora ya nadie cree esto. Hay dos evidencias que prueban con claridad que la atmósfera reductora, si alguna vez existió, había desaparecido cuando cesó el intenso bombardeo de meteoritos sobre la tierra alrededor de hace 3,8 eones. En primer lugar, encontramos una evidencia directa proveniente de la geología. Las rocas sedimentarias que se depositaron sobre la tierra anti gua, incluyendo carbonatos y diversas formas oxidadas del hierro, se han datado de forma fiable con una edad de hasta 3,8 eones. Estas rocas no se pudieron formar en condiciones reductoras. Su composición demuestra que la atmósfera era neutra desde hace 3,8 hasta alrededor de 2 eones, cuando el oxígeno molecular apareció por primera vez. La atmós fera se hizo oxidante después que de la vida estuviera bien establecida y los organismos fotosintéticos comenzasen a producir oxígeno libre en grandes cantidades. La segunda línea de evidencias de una atmósfera neutra temprana proviene de la excepcionalidad de los gases inertes que permanecen en la atmósfera de la tierra en la actualidad. El neón es el séptimo elemento más abundante del universo y existe en gran des cantidades en las nubes moleculares a partir de las cuales se condensó la tierra. Si una atmósfera reductora sobrevivió después de que cesara el intenso bombardeo, debía contener una elevada fracción de neón. El neón tuvo que ser aproximadamente tan abundante como el nitrógeno. Cuando la hipotética atmósfera reductora después se hizo neutra u oxidante, el neón debió permanecer. Pero en el presente, la proporción entre el neón y el nitrógeno en la atmósfera es de uno a sesenta mil. La atmósfera rica en nitró geno y pobre en neón se produjo probablemente por volcanes que emitían gases proce dentes del interior de la tierra, mucho después de que fuera barrida toda atmósfera reductora; pudo ser barrida incluso antes de que naciese la tierra. Cuando la tierra comenzó a condensarse a partir de una nube molecular, ésta ya se encontraba diferen ciada en gas y polvo. El polvo, que contenía las moléculas no volátiles, en esencia sili

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catos y metales, con alguna fracción de grafito y hielo, se condensó para formar la tie rra. El gas, que contenía el neón, hidrógeno molecular, metano y amoniaco, todas las moléculas reductoras que Miller necesitaba para que funcionase su experimento, no se condensaron en las proximidades de la tierra, sino que se alejaron del sol para formar Júpiter y los planetas más externos. La excepcionalidad del neón prueba que la atmós fera de la tierra desde que se creó la vida no tiene nada que ver con los gases que encon tramos en las nubes moleculares del cielo. Cuando la vida comenzó, la atmósfera era neutra. El experimento de Miller solo demuestra lo que podía haber pasado si las cir cunstancias hubieran sido diferentes. Desde que se desacreditó la imagen seductora de una charca llena de aminoácidos disueltos en una atmósfera reductora de Miller, ha sido sustituida por una nueva imagen seductora. Esta imagen presenta a la vida originándose en un pequeño y oscuro aguje ro, caliente y profundo, en el suelo del océano. Se produjeron cuatro descubrimientos experimentales en una rápida sucesión, que hicieron verosímil esta nueva imagen. El primer descubrimiento es la presencia en la actualidad de vida abundante alrededor de las chimeneas en las dorsales medio-oceánicas que se encuentran varios kilómetros por debajo de la superficie, en donde el agua caliente emergente de las profundidades es emitida al océano. El agua que entra en el océano está saturada con sulfuro de hidrógeno y sulfuros metálicos, y suministra un entorno reductor independiente de la atmósfera superior. El segundo descubrimiento es que en la actualidad existe vida bacteriana en estratos de rocas muy profundos, en lugares en los que el contacto con la vida de la superficie no es probable. El tercer descubrimiento es el sorprendente fenómeno pare cido a la vida observado en el laboratorio, cuando se emite agua caliente saturada con sulfuros de hierro solubles hacia un entorno de agua fría (Russell et ai, 1994). Los sul furos precipitan en forma de membranas y forman burbujas gelatinosas. Las burbujas parecen posibles precursores de células vivas. Las superficies de las membranas adsor ben moléculas orgánicas de la solución, y los complejos de sulfuros metálicos catalizan una diversidad de reacciones químicas sobre la superficie. La cuarta evidencia es el des cubrimiento de que la mayona de los linajes más antiguos de bacterias son termófilos, es decir, están especializados para vivir y crecer en entornos calientes (Nisbet, 1995). Estos linajes antiguos se identificaron reuniendo secuencias de bases del ARN ribosó mico de muchas especies, y utilizando las similitudes y diferencias observadas de las secuencias para construir un árbol filogenètico. El árbol filogenètico tiene una raíz que representa la secuencia hipotética de ARN ribosómico del antepasado común más reciente de todas las formas de vida. Los linajes más antiguos son los que se ramifican del sitio más cercano a la raíz del árbol. En la actualidad se encuentran sobre todo en manantiales calientes, a menudo en lugares en los que la temperatura del agua está cer cana a la ebullición. Estas cuatro líneas de evidencia, procedentes de las dorsales oceánicas, de perfora ciones profundas de pozos de petróleo, de experimentos en laboratorio y del análisis genético, se combinan para formar la imagen de vida originándose en un entorno calien te y profundo. Puesto que apenas conocemos nada acerca del origen de la vida, no tene-

F Experimentos y teorías

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mos base para declarar que la vida sea o no probable en cualquier hábitat posible hasta que no lo hayamos explorado. La imagen de la vida comenzando en una grieta profun da y caliente de la tierra es puramente especulativa, y en absoluto probada. Presenta un importante corolario. Si resulta cierta, implica que el origen de la vida fue en gran parte independiente de las condiciones sobre la superficie de la tierra. Y esto a su vez impli ca que la vida pudo originarse con igual facilidad en Marte como en la Tierra (Gold, 1992, 1998). Thomas Gold postula que en la corteza de la tierra aún existe una biosfera profunda y caliente. Presenta pruebas de que la biosfera profunda puede contener tanta biomasa como la biosfera de la superficie, con la que estamos familiarizados. En muchas ocasiones en que se han examinado rocas procedentes de perforaciones profundas, en tie rra fírme y bajo los océanos, se han descubierto bacterias vivas en la roca. En muchos casos las bacterias no pertenecen a ninguna especie conocida. No es probable que su pre sencia en la roca sea el resultado de una contaminación durante el proceso de perfora ción. Gold comenta: «Si es cierto que esta vida se originó en las profundidades de la tierra, existen al menos diez cuerpos planetarios distintos en nuestro sistema solar que pudieron tener una posibilidad parecida para originar vida microbiana.» Desconozco los diez objetos de los que habla. Desde luego Marte, Europa, Titán y Tritón estarían en la lista. Marte y Europa son los objetivos principales de las misiones espaciales que bus can indicios de vida extraterrestre. Teorías

Poseemos evidencias experimentales acerca de hechos que sucedieron antes y después del origen de la vida. Antes del origen de la vida se produjeron procesos geofísicos y químicos que dejaron rastros en las rocas terrestres y en el cielo. Después del origen de la vida existieron procesos evolutivos, que pueden observarse en fósiles y en la taxo nomía de las moléculas de ácidos nucleicos en las especies vivas. Con relación al pro pio origen de la vida, la división entre química y biología, la transición entre actividad química inerte y metabolismo biológico organizado, no existe evidencia directa en absoluto. La transición crucial entre desorden y orden no ha dejado rastros observables. Cuando intentamos comprender la naturaleza de esta transición, estamos obligados a ir más allá de las pruebas experimentales y refugiamos en la teoría. Ahora voy a resumir los esfuerzos realizados por diversas personas durante los últimos ochenta años para comprender la transición desde un punto de vista teórico. Oparin

Existen tres grupos principales de teorías acerca del origen de la vida. Las denomino por el nombre de sus partidarios más famosos: Oparin, Eigen y Caims-Smith. No he lle vado a cabo las investigaciones históricas necesarias para determinar quiénes las for-

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mularon por primera vez. La teoría de Oparin fue descrita en su libro The Orígin ofLife en 1924, mucho antes de que se supiese algo acerca de la estructura y la naturaleza quí mica de los genes (Oparin, 1957). Más adelante, Oparin se convirtió en una figura pode rosa en la Academia de Ciencias Soviética durante los años en que Lysenko estaba reprimiendo la investigación genética en la Unión Soviética. Lysenko era un criador de plantas que consideraba la genética como un obstáculo para el cumplimiento de los pla nes agrícolas soviéticos. Stalin le otorgó un poder dictatorial, que utilizó para silenciar a sus oponentes y encerrar a muchos en prisión. Oparin era amigo de Lysenko y no hizo nada por ayudar a los genéticos que estaban siendo perseguidos (Jukes, 1997). Pero su culpabilidad moral no tiene por qué implicar que su teoría esté equivocada. Oparin supu so que el orden de los acontecimientos en el origen de la vida fue en primer lugar las células, en segundo las enzimas y en tercero los genes. Observó que cuando un deter minado líquido oleoso se mezclaba con agua, a menudo los dos líquidos formaban una mezcla estable denominada coacervado, estando el líquido oleoso disperso en forma de pequeñas gotitas que permanecen suspendidas en el agua. Las gotitas de coacervado se forman con facilidad mediante procesos no biológicos, y presentan cierto parecido superficial con las células vivas. Oparin propuso que la vida comenzó mediante la acu mulación sucesiva de poblaciones moleculares cada vez más complejas en el interior de las gotitas del coacervado. El marco físico de la célula apareció en primer lugar, sumi nistrado por la gotita que se produce de forma natural. Las enzimas surgieron en segun do lugar, organizando la población de moléculas dispuestas al azar en el interior de la gotita en ciclos metabólicos autónomos. Los genes aparecieron en tercer lugar, porque Oparin solo poseía una vaga idea de su función, y le parecía que pertenecían a un nivel más alto de organización biológica que las enzimas. Uno de los defensores de la teoría de Oparin en la actualidad es Doron Lancet, que dirige simulaciones por ordenador del origen de la vida en el Instituto Weizmann de Israel (Segré y Lancet, 1999). Explora un mundo que me gusta denominar «mundo de bolsas de basura». Es la antítesis del mundo de ARN en el que creen la mayoría de los biólogos moleculares. El mundo de ARN es un escenario ordenado y atractivo, con pequeñas ribozimas trabajadoras que cooperan para organizar el comienzo de la vida. El «mundo de bolsas de basura» no es tan elegante ni está tan extensamente aceptado; es una versión generalizada del mundo imaginado por Oparin. La vida comenzó con bolsitas, las precursoras de las células, que encerraban pequeños volúmenes de agua sucia que contenía diversa basura. Una acumulación al azar de moléculas en una bolsa puede contener a veces catalizadores que provocan la síntesis de otras moléculas que actúan a su vez como catalizadores para sintetizar otras moléculas, y así sucesivamen te. Con muy poca frecuencia puede surgir una acumulación de moléculas que contiene los suficientes catalizadores como para reproducir a la población completa a medida que pasa el tiempo. No es necesario que la reproducción sea precisa. Resulta suficien te que los catalizadores se mantengan, a grandes rasgos, de manera estadística. La pobla ción de moléculas en la bolsa se está reproduciendo sin que haya replicación exacta. Mientras esto se produce, la bolsa puede estar creciendo por captación de nueva basu


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ra del exterior, o a veces puede romperse en dos bolsas cuando es zarandeada por movi mientos turbulentos. La pregunta crucial entonces es: ¿cuál es la probabilidad de que una bolsa hija, producida a partir de la división de una bolsa con una población de molé culas autorreproductoras, contenga en sí misma una población autorreproductora? Cuando esta probabilidad es mayor del cincuenta por ciento, un progenitor produce un promedio de más de una hija funcional y puede producirse una reacción en cadena divergente. Las bolsas que contienen poblaciones autorreproductoras se multiplicarán, y comienza un tipo de vida. La vida que empieza así es el «mundo de bolsas de basura». Es un mundo de peque ñas protocélulas que solo metabolizan y se reproducen de forma estadística. Las molé culas que contienen no se replican de manera exacta. La reproducción estadística es una base lo bastante buena como para que ocurra la selección natural. En cuanto el mundo de bolsas de basura comienza con protocélulas de reproducción tosca, la selección natu ral se pone en marcha para mejorar la calidad de los catalizadores y la precisión de la reproducción. No resultaría sorprendente que un millón de años de selección produjera protocélulas con muchos de los refinamientos químicos que encontramos en las células modemas. Eigen

Los biólogos en general aceptaron la descripción de Oparin durante medio siglo. Se hizo popular no porque hubiese pruebas que la apoyaran, sino porque parecía la única alternativa al creacionismo bíblico. Después, durante los últimos cuarenta años, Manfred Eigen propuso una alternativa dándole la vuelta a la teona de Oparin (Eigen et al., 1981). La teoría de Eigen invierte el orden de los acontecimientos, presenta a los genes en pri mer lugar, a las enzimas en segundo y a los genes en tercero. Al principio, según el evan gelio de Eigen, existía el mundo de ARN. Esta es la teoría más de moda y en general aceptada en la actualidad. Se ha hecho popular por tres razones. En primer lugar, los experimentos de Eigen y Orgel utilizan el ARN como material de trabajo, y otorgaron verosimilitud a que la replicación del ARN fuese el proceso fundamental alrededor del cual se desarrolló el resto de la biología. En segundo lugar, los experimentos de Cech demuestran que el ARN puede actuar como catalizador eficaz en ausencia de enzimas proteicas. En tercer lugar, el descubrimiento de la doble hélice demuestra que los genes son más sencillos que las enzimas desde el punto de vista estructural. Cuando se com prendió el misterio del código genético, resultó natural pensar que los ácidos nucleicos era estructuras primarias y las proteínas secundarias. La teoría de Eigen propone un ARN autorreplicador en el comienzo, apareciendo las enzimas poco después para construir, junto con el ARN, una forma primitiva del aparato de transcripción genético moderno, y surgiendo más tarde las células para dotar al aparato de cohesión física. La teoría de Eigen está basada en dos conceptos que denomina cuasi-especies e hiperciclos. La cuasi-especie aparece primero y solo se ocupa de la replicación. El hiperciclo

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surge poco después, e introduce un sistema metabòlico acoplado al sistema replicador. Eigen supone que la vida comenzó con un amplio suministro de monómeros de nucleó tidos capaces de polimerizar para producir ARN, al igual que sucedió en sus experi mentos de laboratorio. Una cuasi-especie es una población de moléculas de ARN relacionadas desde el punto de vista genético, pero no idénticas. Las moléculas en una cuasi-especie producen moldes para la formación de nuevas moléculas de ARN, que también pertenecen a la cuasi-especie. Como el proceso de replicación no es perfecto, las moléculas mutarán y se diversificarán de una generación a otra. No obstante, Eigen supone que las variaciones en la estructura molecular dentro de una cuasi-especie resul tan limitadas y se estabilizan hasta alcanzar un estado constante. La población de molé culas en una cuasi-especie comparte una morfología común, al igual que la población de organismos individuales en una especie biológica. Para que se mantenga esta mor fología común en un estado constante, Eigen supone que existe un proceso de selección darwiniano que favorece la replicación de las moléculas que se acercan a la norma de cuasi-especie. Eigen describe esta situación de manera cuantitativa con una sencilla serie de ecuaciones que representan el equilibrio entre la selección darwiniana y los errores al azar de la replicación. El hiperciclo es un nivel de organización superior, que aparece cuando se han esta blecido varias cuasi-especies de ARN y han comenzado a formar asociaciones quími cas con poblaciones amistosas de enzimas proteicas. Se cree que las enzimas asociadas con una cuasi-especie ayudan a la replicación de una segunda cuasi-especie y vicever sa. Entonces las poblaciones conectadas se consolidan en un equilibrio estable. En la teona de Eigen hay una dificultad grave, incluso al nivel de cuasi-especie. El problema central de cualquier teoría del origen de la replicación es que un aparato repli cador debe funcionar de forma casi perfecta si quiere ser viable. Si no funciona a la per fección, producirá errores en la replicación de sí mismo, y los errores se acumularán de una generación a otra. La acumulación de errores dará como resultado un deterioro pro gresivo del sistema, hasta que se desorganice por completo. Este deterioro del aparato de replicación se denomina «catástrofe del error». Eigen nos ha ofrecido la siguiente sencilla exposición matemática de la catástrofe del error. Supongamos que un sistema autorreplicador está indicado por N bits de infor mación, y cada vez que un bit es copiado desde el progenitor a la hija, la probabilidad de error es e. Supongamos que la selección natural actúa penalizando los errores mediante un factor de selección S. Es decir, un sistema sin errores presenta una ventaja selectiva S frente a un sistema con un error, y así sucesivamente. Eigen descubre que el criterio de selección es: Ne
(2.1)

Si se cumple la condición (2.1 ), la ventaja selectiva del sistema sin errores es lo bas tante grande para mantener una población con pocos errores. Si no se cumple la condi ción (2.1), se produce la catástrofe del error y la replicación no puede mantenerse. El


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significado de esta condición (2.1) resulta fácil de interpretar en función de la teoría de la información. La parte izquieda {Nt) de la desigualdad es el número de bits de infor mación perdido por copiar errores en cada generación. La parte derecha (log S) es el número de bits de información suministrado por la acción selectiva del entorno. Si la información suministrada es menor que la información perdida en cada generación, resulta inevitable una degeneración progresiva. La condición (2.1) es muy estricta. Debido a que la ventaja selectiva de un sistema sin errores no puede tener un valor astronómico, el logaritmo no puede ser mucho mayor que la unidad. Para cumplir la condición (2.1), la tasa de error debe ser de como mucho. Los organismos superiores modernos, que presentan un de 10^ y una e de 10·^, apenas cumplen la condición. Para lograr una tasa de error tan baja como 10'^, los organismos modernos han desarrollado un sistema muy elaborado de comprobación doble y de corrección de errores dentro del sistema de replicación. Antes de que exis tiese este delicado aparato, las tasas de error debieron ser mucho más elevadas. Por tanto, la condición (2.1) impone unas condiciones estrictas a cualquier teoría sobre el origen de la vida, así como la teoría de Eigen propone que la replicación del ARN es un elemento central de la vida desde el comienzo. Todos los experimentos que se han realizado con la replicación del ARN en condi ciones abióticas arrojan unas tasas de error del 10·^ en el mejor de los casos. Si se inten ta cumplir la condición (2.1) sin la ayuda de organismos preexistentes, se está limitado a un sistema de replicación que se describe con menos de cien bits de información, que son demasiado pocos para describir cualquier química catalítica interesante. Esto no significa que la teoría de Eigen sea insostenible, sino que requiere un sistema de proce samiento de la información que al mismo tiempo sea de una sencillez excepcional y que esté exento de errores. No sabemos cómo lograr estas tasas de error tan bajas en las fases iniciales de la evolución de la vida. Si alguna vez existió un mundo de ARN, siem pre debió vivir al borde de una catástrofe del error. Ursula Niesert y sus colegas de Friburgo en Alemania llevaron a cabo un profundo estudio de la teoría de Eigen (Niesert et al, 1981). El título de su artículo es «El origen de la vida entre Escila y Caribdis». Realizaron un gran número de simulaciones por ordenador de cuasi-especies e hiperciclos que se comportaban según las reglas de Eigen. Niesert descubrió que la catástrofe del error no es la única por la que pueden sucumbir las poblaciones moleculares de Eigen. Halló otras tres catástrofes, que se pro ducían con una elevada frecuencia cada una en sus ensayos por ordenador y que po seían una interpretación biológica evidente. Estas tres catástrofes se denominaron del ARN egoísta, del cortocircuito y del colapso poblacional. La catástrofe del ARN egoís ta se produce cuando una sola molécula de ARN, como resultado de una secuencia de mutaciones, aprende a replicarse más rápido que sus competidores, pero olvida su fun ción como catalizador. El ARN egoísta se convierte entonces en un parásito, y ahoga con rapidez al resto de la población. La catástrofe del cortocircuito tiene lugar cuando una molécula de ARN, que es un supuesto eslabón en la cadena de las reacciones de los hiperciclos, cambia su secuencia de tal forma que cataliza una reacción posterior en la

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cadena. La cadena entonces se cortocircuita, y el hiperciclo se contrae a un hiperciclo más sencillo o a un solo ciclo. La catástrofe del colapso poblacional aparece cuando la población de moléculas en uno de los componentes esenciales de un hiperciclo dismi nuye hasta cero como resultado de una fluctuación estadística. Entonces el hiperciclo completo se colapsa con rapidez. Niesert descubrió con sus simulaciones por ordenador que la probabilidad de una catástrofe del ARN egoísta, o de una catástrofe del cortocircuito, aumenta con el tama ño de la población molecular. Puesto que una sola molécula aberrante provoca la catás trofe, es de esperar un aumento de la probabilidad con el tamaño de la población. Para poder escapar de las catástrofes del ARN egoísta y del cortocircuito durante un tiempo razonable, la población de un modelo de hiperciclo debe mantenerse pequeña. Por otra parte, la probabilidad de una catástrofe del colapso poblacional es elevada en pequeñas poblaciones, y disminuye según crece el tamaño poblacional. Por consiguiente, el modelo de hiperciclo debe navegar con cuidado entre la Escila del ARN egoísta y del cortocircuito, y la Caribdis del colapso poblacional. Solo hay un estrecho intervalo de tamaño poblacional para el cual las tres calamidades son improbables, pero incluso en el tamaño poblacional óptimo, la vida del hiperciclo es finita. Los resultados de Niesert son importantes porque revelan peligros que es probable que ocurran en cualquier modelo de las primeras etapas del desarrollo de la vida. La vida temprana, tanto si está descrita de forma correcta por el modelo de hiperciclo de Eigen como si no, tuvo que navegar entre los peligros de Escila y Caribdis. El análisis de Niesert no es solo una crítica de la teoría de Eigen. Es una crítica de cualquier teo ría acerca del origen de la vida que imagine una organización cooperativa de una gran población de moléculas, sin suministrar una protección explícita frente al cortocircuito de las vías metabólicas. La teoría de Oparin aún no ha sido ensayada mediante simula ciones por ordenador como las de Niesert. Hasta que no se haga, no tenemos derecho a suponer que la de Niesert afronta mejor las tres catástrofes que la teoría de Eigen. Escogí estudiar la teoría de Oparin porque ofrece una posible vía de escape de la catástrofe del error. En la teoría de Oparin, las primeras células vivas no poseían un sis tema de replicación precisa y por tanto podrían tolerar unas tasas de error elevadas. La ventaja principal de la teoría de Oparin es que permite el desarrollo de una evolución temprana a pesar de unas tasas de error elevadas. Presenta a los primeros seres vivos como poblaciones de moléculas con una organización libre y sin una sintonización genética ajustada. Existe una gran tolerancia a los errores porque el metabolismo de la población depende solo de la actividad catalítica de la mayoría de las moléculas. El sistema puede aún funcionar con una minoría importante de moléculas ineficaces o individualistas. No hay requisitos de unanimidad. Debido a que las fluctuaciones esta dísticas serán grandes en las poblaciones moleculares, se presenta la máxima oportuni dad para que actúe la deriva genética como fuerza impulsora de la evolución.


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Caírns-Smith

La tercera teoría del origen de la vida, la teoría de Caims-Smith, está basada en la idea de que los cristales microscópicos de los minerales, que se producen de forma natural, contenidos en la arcilla común pudieron actuar como el material genético original antes de que se inventasen los ácidos nucleicos (Caims-Smith, 1982). Los microcristales de la arcilla consisten en un entramado regular de silicatos con una distribución regular de localizaciones iónicas, pero con una distribución irregular de metales, como el magne sio y el aluminio, que ocupan las localizaciones iónicas. Los iones metálicos pueden considerarse portadores de información, al igual que las bases de nucleótidos en una molécula de ARN. Un microcristal de arcilla con frecuencia es una placa lisa con dos superficies planas expuestas al entorno circundante. Supongamos que un microcristal se encuentra en el interior de una gotita de agua, estando disueltos en ella una diversidad de moléculas orgánicas. Los iones metálicos inmersos en las superficies planas forman dibujos irregulares de potencial electrostático, que pueden adsorber determinadas molé culas a las superficies, y catalizar reacciones químicas sobre la superficie de una forma dependiente de la disposición concreta de los iones. De esta manera, la información contenida en los dibujos de iones puede ser trasladada a las especies químicas disueltas en el agua. Por tanto, el cristal puede llevar a cabo la misma función que el ARN guian do el metabolismo de aminoácidos y proteínas. Además, es posible que los microcris tales de arcilla también puedan replicar la información contenida en sus iones. Cuando el cristal crece por incorporación de silicatos e iones metálicos desde el agua circun dante, la capa recien incorporada tenderá a mostrar el mismo dibujo de cargas iónicas que la capa que tiene debajo. Si el cristal se corta después a lo largo del plano que sepa ra el material antiguo del nuevo, obtendremos una nueva superficie expuesta que repli ca el dibujo original. Por tanto, el cristal de la arcilla en principio es capaz de llevar a cabo ambas funciones esenciales del material genético: replicar la información que lleva y transferir la información a otras moléculas. En principio, lo puede hacer. Es decir, lo puede hacer con una eficacia indeterminada, que puede ser muy baja. No exis ten pruebas experimentales que apoyen la afirmación de que la arcilla puede actuar como catalizador o como replicador, con la suficiente especificidad para servir de base a la vida. Caims-Smith afirma que la especificidad química de la arcilla resulta ade cuada para estos objetivos. No se han realizado los experimentos para darle o no la razón. En la teoría de Caims-Smith sobre el origen de la vida, la arcilla aparece en primer lugar, las enzimas en segundo, las células en tercero y los genes en cuarto. El comien zo de la vida fue un cristal de arcilla natural, que dirigía la síntesis de moléculas de enzi mas adsorbidas sobre su superficie. Con posterioridad, la arcilla y las enzimas aprendieron a fabricar membranas celulares y se encapsularon en células. Las células contenían cristales de arcilla que llevaban a cabo las funciones de los ácidos nucleicos en las células modemas, de una forma rudimentaria. Esta primitiva vida basada en la arcilla pudo existir y evolucionar durante millones de años. Entonces, una célula des

^

Los orígenes de lo vida

cubrió que el ARN es un material genético mejor que la arcilla. En cuanto se inventó el ARN, las células que lo utilizaban obtuvieron una ventaja enorme en precisión me tabòlica, frente a las células que utilizaban arcilla. La vida basada en la arcilla fue devorada o excluida de la exisisncia, y solo sobrevivió la vida basada en el ARN. Caims-Smith ha publicado un relato encantador de sus ideas (Caims-Smith, 1985) con un lenguaje coloquial. Utiliza la frase «relevo genético» para describir la victoria del ARN sobre la aicilla. Escribe: «Al final, la supremacía de los biomateriales orgánicos está asociada con el problema de la escala. La maquinaria orgánica puede hacerse mucho menor. Estos hábiles elementos se hicieron posible en forma de cavidades que podían reconocer, retener y manipular otras moléculas. En cualquier competición sobre el control molecular, ganará el sistema con los dedos más pequeños.» En la actualidad, no existen razones convincentes para aceptar o rechazar ninguna de las tres teorías. Cualquiera de ellas, o ninguna, podría ser correcta. No sabemos aún diseñar experimentos que puedan decidir entre ellas. Prefiero la teoría de Oparin, no porque piense que tenga que ser cierta, sino porque está pasada de moda. En estos últi mos años, la atención de los expertos se ha centrado en la teoría de Eigen y se ha aban donado la de Oparin. La teoría de Oparin merece un análisis más cuidadoso a la luz de los conocimientos modernos. En el capítulo 3 describo mi intento de colocar la teoría de Oparin en un marco moderno, utilizando los métodos matemáticos de Kimura. Existen muchas más teorías que no puedo tratar con detalle. Mi colega Philip Anderson, físico en Princeton, ha expuesto una teoría que utiliza el concepto de un cris tal de espín en estado físico sólido como modelo de la transición a un orden biológico (Anderson, 1983). Agrupo el modelo de Anderson con el de Eigen, porque ambos tra tan principalmente de la replicación de los ácidos nucleicos. Wáchtersháuser ha pro puesto una teoría que cuenta con más pruebas experimentales que la apoyan. Este está de acuerdo con Caims-Smith en conjeturar una fase de evolución mineral como pre cursora de la evolución de la vida orgánica (Wáchtersháuser, 1992,1997). Mientras que Caims-Smith presenta la arcilla como precursora, Wáchtersháuser presenta los sulfuros metálicos. Los sulfuros metálicos en general, y los sulfuros de hierro en particular, son buenos candidatos para la química prebiótica, y se sabe que resultan abundantes en las chimeneas hidrotermales (Russell, 1994; Huber y Wáchtersháuser, 1998). La teoría de Wáchtersháuser encaja bien con la idea de que la vida se originó en un entomo profun do y caliente. Aquí limito mi análisis a las teorías de Oparin, Eigen y Caims-Smith. La mayor parte de lo que expongo sobre Eigen se aplica también a Anderson, y lo dicho de Caims-Smith a Wáchtersháuser. Creo que resulta revelador contemplar estas teorías a la luz de la pregunta que plan teé en el capítulo 1, si el origen de la vida es un proceso único o doble, es decir, si el metabolismo y la replicación se originaron a la vez o por separado. La teori’a de CaimsSmith es de forma explícita una teoría del origen doble. Para mí es su principal virtud. Presenta el primer origen de la vida relacionado principalmente con la construcción de un aparato metabòlico de proteínas, al que se añaden las partículas de arcilla, un ele mento replicador que puede ser esencial o no. El segundo origen de la vida, lo que


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Caims-Smith denomina «relevo genético», es la sustitución del componente de arcilla por un aparato replicador eficaz, constituido por ácidos nucleicos. Cairns-Smith imagi na que los dos orígenes de la vida están separados por un largo periodo de evolución bioquímica, de forma que la invasión de los ácidos nucleicos se produce en células que ya están muy organizadas, con enzimas proteicas y membranas de lípidos. Las teorías de Oparin y de Eigen se presentaron como teorías del origen único. Ambas suponen que el origen de la vida fue un único proceso. Oparin subraya con más fuerza el metabolis mo y apenas analiza la replicación. Eigen da mayor relevancia a la replicación e imagi na que el metabolismo ocupa su lugar con rapidez en cuanto la replicación se encuentra bien establecida. Sugiero que las teorías de Oparin y Eigen tienen más sentido si se jun tan y se interpretan como las dos mitades de una teoría del origen doble. En este caso, tanto Oparin como Eigen pueden tener razón. Oparin describe el primer origen de la vida y Eigen el segundo. Con esta interpretación se combinan las ventajas de las dos teorías y se eliminan sus debilidades más graves. Además, la combinación de Oparin y Eigen en una teona del origen doble no se diferencia mucho de la teoría de CaimsSmith. En términos generales, Caims-Smith es igual a Oparin más Eigen más un poco de arcilla. Puede que las tres teorías contengan elementos esenciales de la verdad. Hay una posible analogía entre el origen de la vida y el origen de los complicados diseños corporales en los organismos superiores. Hace medio eón, después de que exis tiera vida durante alrededor de 3 eones, se produjo una súbita eflorescencia de diseños corporales complejos. La eflorescencia se conoce como la «explosión cámbrica», y en un corto espacio de tiempo geológico produjo todos los principales diseños corporales a partir de los cuales evolucionaron los organismos superiores modemos. Algo debió de pasar poco tiempo antes de la época cámbrica para que fuera posible la programación genética de diseños corporales complejos. Lo que pudo pasar fue la invención del «desarrollo indirecto», el sistema mediante el cual un embrión separa un conjunto de células que están destinadas a producir un adulto, sin que el diseño corporal del adulto tenga conexión con el diseño corporal del embrión. La ventaja de este sistema es que el embrión suministra apoyo vital al adulto durante las etapas vulnerables de su creci miento temprano, mientras que el adulto puede desarrollar con libertad unas estructuras complejas y ajustadas con precisión, sin estar limitado por las estructuras existentes en el embrión. Tres paleontólogos califomianos (Davidson et al, 1995) han recogido prue bas de que la gran mayoría de los diseños corporales actuales surgieron a partir del desa rrollo indirecto. Este hecho no fue tenido en cuenta hasta hace poco, porque los dos diseños corporales más conocidos, el de cordados y el de artrópodos, son unas excep ciones a la regla. Los cordados y los artrópodos, los dos filos con más éxito de los ani males, probablemente comenzaron como los otros, con desarrollo indirecto, pero después desarrollaron un sistema de cortocircuito de desarrollo directo, creciendo el diseño corporal del adulto directamente a partir del embrión. Casi todos los filos mari nos confían aún en alguna medida en el desarrollo indirecto. El erizo de mar es un ejem plo muy conocido. El erizo de mar adulto crece a partir de una bolsa de células que no poseen función alguna en la vida del embrión. Después de que la forma adulta haya

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completado su crecimiento y puede arreglárselas por sí mismo, todas las estructuras embrionarias son eliminadas. Si el sistema del desarrollo indirecto apareció primero, significa que los organismos multicelulares evolucionarion mediante un proceso de dos etapas. La primera etapa fue la evolución de las formas embrionarias de complejidad limitada que carecían de la maquinaria genética para programar estructuras especializadas. La segunda etapa fue la evolución de la formas adultas con el equipo moderno de controles genéticos, y con el apoyo vital suministrado por el embrión. Propongo que la evolución temprana de la vida siguió el mismo modelo de dos etapas que la evolución de los organismos superiores. Primero apareció la etapa embrionaria de la vida, células con un metabolismo funcio nal pero sin aparato genético, incapaces de evolucionar más allá de un nivel primitivo. Después apareció la etapa adulta, células con una maquinaria genética que permite la evolución de vías metabólicas ajustadas con mucha más precisión, y de nuevo con un soporte vital suministrado por la primera etapa, mientras que la segunda evolucionaba. Para mí, una de las características más atrayentes de la teoría de dos etapas del ori gen de la vida es que muestra la vida siguiendo el mismo modelo en tres periodos cru ciales de su historia: en primer lugar, el periodo del origen, siendo las dos etapas el metabolismo y la replicación; en segundo lugar, la evolución de las células eucariotas según Margulis, siendo las dos etapas la invasión parasitaria y la simbiosis; y, en tercer lugar, la evolución de los organismos superiores, siendo las dos etapas el embrión y el conjunto de células que producen un adulto. En estas tres revoluciones la primera etapa se basa en modalidades de herencia sencillas y toscas, y la segunda salta a nuevos nive les de complejidad en la traducción de estructuras anatómicas al lenguaje genético.

Capítulo 3

Un modelo elemental

El signifícado del metabolismo

Este capítulo describe mi propio intento por comprender la teoría del origen de la vida de Oparin. La característica fundamental de la teoría de Oparin es que propone que la vida comienza con el metabolismo, en lugar de con la replicación exacta. Utilizo la expresión «teoría de Oparin» para incluir la teoría de Oparin original y las versiones posteriores planteadas por Wáchtersháuser y otros. La teoría de Oparin, tal como fue propuesta por él, no intentaba ser cuantitativa. Voy a tratar de colocar la teoría en un marco de matemáticas precisas, de forma que puedan calcularse sus consecuencias. La dificultad fundamental surge debido a que el metabolismo es un concepto vago y mal definido, mientras que la replicación no. La replicación significa exactamente esto; replicar una molécula implica copiar, con exactitud o con un margen de error estableci do. A partir de este concepto bien definido, Manfred Eigen fue capaz de formular su teoría acerca del origen de la vida, que en realidad es una teoría acerca del origen de la replicación, como tin sistema de ecuaciones que pueden resolverse con un ordenador. Las ecuaciones de Eigen describen la evolución en el tiempo de poblaciones de molé culas sometidas a las leyes no lineales de la replicación. Cuando intentamos formular la teoría de Oparin, que es una teoría acerca del origen del metabolismo, el primer pro blema que nos encontramos es el de la definición de metabolismo. Doron Lancet ha abordado esta cuestión estudiando modelos por ordenador de la evolución de poblaciones moleculares, que denomina conjuntos tempranos homeostátiassemblies, RHEA). En estos cos replicadores (en inglés, replicative-homeostatic early assemblies, modelos, el metabolismo se define de forma general como la evolución de una pobla ción en la cual algunas de las moléculas catalizan la síntesis de otras. Lancet descubre condiciones bajo las cuales las poblaciones pueden evolucionar hacia un elevado nivel de organización catalítica. Se han publicado muchos otros estudios por ordenador de la evolución del metabolismo, cuyos resultados se resumen en un reciente artículo publi cado en una revista (Segré y Lancet, 1999). Mi propio modelo de la evolución molecu lar es un caso muy especial de un modelo RHEA; tiene un toque anticuado, porque su comportamiento es lo bastante sencillo como para ser calculado con lápiz y papel, en lugar de utilizar simulaciones por ordenador. Voy a reducir la teoría de Oparin a una forma matemática precisa en dos fases. La primera fase es una descripción formal de las poblaciones moleculares, tratándolas

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Los orígenes oríg enes de la vida

como un sistema dinámico clásico y dando precisión a las ecuaciones dinámicas, pero dejando las leyes de la interacción completamente generales. La teoría general de siste mas moleculares obtenida de esta forma permite definir lo que entendemos por origen del metabolismo, pero no puede predecir las condiciones bajo las cuales se produce. La segunda fase consiste en la reducción de la teoría general a un modelo elemental, mediante la asunción de un sencillo principio arbitrario para la probabilidad de interac ciones moleculares. En el modelo, toda la intrincada red de procesos bioquímicos se sustituye por un par de sencillas ecuaciones. Los físicos teóricos con facilidad se hacen adictos al hábito de construir modelos elementales como este. Cuando el mundo real resulta reacio, construimos modelos elementales en los que las ecuaciones son lo bas tante sencillas para ser resueltas. A veces, el comportamiento del modelo elemental suministra una nueva percepción reveladora acerca del comportamiento del mundo real, pero, con frecuencia, se convierte en un juguete para los físicos inclinados hacia las matemáticas. En este caso, el modelo elemental puede presentar conexión con la reali dad o no. Aunque sus premisas pueden ser razonables o no, al menos sus conclusiones son definitivas. Dadas las premisas a partir de las cuales comienza el modelo, este se comporta como se desearía que lo hiciese una población molecular primitiva, saltando entre dos estados con una probabilidad calculable, que se diferencian por la presencia o la ausencia de una organización metabòlica. Pero antes de definir en detalle el mode lo elemental, volveré a la primera fase y definiré la teoría general de la evolución mo lecular, de la cual el modelo elemental es un caso especial. La teoría general comienza con un espacio abstracto multidimensional de pobla ciones moleculares. Cada punto del espacio se corresponde con una lista concreta de moléculas que se supone que están presentes en un momento concreto en una población determinada. La población está confinada en una gotita, tal como lo imaginó Oparin. No tienen en cuenta las pequeñas moléculas que son libres para difundirse desde el entorno circundante hacia el interior de la gotita y de nuevo hacia fuera. La población de moléculas en el interior de la gotita puede cambiar de un momento a otro, por reac ciones químicas dentro de las poblaciones, por reacciones que incorporan pequeñas moléculas desde el entorno, o por reacciones que expulsan pequeñas moléculas hacia el entorno. La teoría representa las tres reacciones químicas mediante una sola matriz M de probabilidades. Dada una población en el estado A, tras la siguiente reacción quími ca pasa al estado B con determinada probabilidad, que es el elemento de la matriz M entre los estados A y B. Por tanto, la población evoluciona a través del espacio de los estados posibles de una forma discontinua y estocástica. La evolución discontinua puede describirse mediante una sencilla ecuación lineal: P (¿+ (¿ + 1) = M P(¿), P(¿ ),

(3.1 (3.1))

en la cual P{k) es la distribución de la probabilidad de la población después de k etapas, etapas, y P(k + + 1) es la distribución de la probabilidad después de (fc + 1) etapas. Esta ecuación presenta la solución formal:

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Un modelo elemental

P{k) = M^P{Q\

(3.2)

en la cual P(0) es la distribución de la probabilidad de las poblaciones en un estado ini cial arbitrario. Nos interesan las distribuciones de la probabilidad que persisten en la evolución durante largos periodos. Estas distribuciones se denominan cuasi-estacionarias. Una distribución cuasi-estacionaria Q cumple la ecuación: M Q - Q = F,

(3.3)

en la cual F es es el vector de flujo que describe la pérdida de población de la distribución Q,y F presenta presenta un valor bajo, del orden de m' \ para para una distribución que persiste a tra vés de m reacciones químicas. En general, existirá existi rá un número finito de distribuciones cuasi-estacionarias con diver sos grados de longevidad. Cada distribución cuasi-estacionaria presenta un sumidero de atracción, una región de espacio de configuración que la rodea. Todas las poblaciones en cualquier sumidero son atraídas hacia la misma distribución cuasi-estacionaria, si se les permite evolucionar durante mucho tiempo. Los diversos sumideros de atracción cubren el espacio sin solaparse. Cada distribución cuasi-estacionaria Q presenta presen ta un flujo de pérdidas F, que define la pequeña probabilidad que tiene una población en el sumi dero de atracción de Q para escapar saltando el borde hacia otro sumidero vecino. El metabolismo, a diferencia de la replicación, no es un proceso químico definido de forma concreta. El metabolismo es una cuestión de grados. Algunas distribuciones cuasi-estacionarias de moléculas pueden metabolizar más que otras; incluso una pobla ción de moléculas totalmente aleatoria y desorganizada podrá metabolizar hasta cierto punto cuando se introduce en un entomo que suministre componentes moleculares fres cos. La característica fundamental que buscamos en un modelo del origen del metabo lismo es un sistema molecular con dos o más sumideros de atracción separados por elevadas barreras. Cada sumidero tendrá entonces en su interior una distribución cuasiestacionaria distinta. Si escogemos un conjunto aleatorio de moléculas y le permitimos evolucionar de forma estocástica según la ecuación (3.1), en general terminará en una distribución cuasi-estacionaria concreta que podemos denominar estado muerto o des organizado. Es probable que otros estados cuasi-estacionarios separados del estado desorganizado por barreras elevadas estén más estmcturados, tal vez con ciclos bioquí micos activos y tasas de metabolismo mayores. Los acontecimientos decisivos en una teona del origen del metabolismo son los escasos saltos estadísticos, cuando una población molecular en un estado cuasi-estacionario experimenta una sucesión de reacciones químicas que la empuja por encima de una barrera, en contra del gradiente de probabilidad, y hacia otro estado cuasi-estacionario. Si el estado inicial es desordenado y el final ordenado, el salto puede conside rarse un modelo para el origen del metabolismo. En una teoría completa del origen de la vida, es probable que se produjeran varios saltos como este, llevando cada uno a una población de moléculas hasta un nuevo estado cuasi-estacionario que presenta una

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estructura más compleja que el anterior. En mi modelo elemental solo voy a considerar el primer salto. Para describirlo, es suficiente un modelo con dos estados cuasi-estacionarios, uno desordenado y el otro hasta cierto punto ordenado o activo desde el punto de vista bioquímico. La barrera entre los dos estados debe ser lo bastante alta como para que el estado ordenado presente una longevidad razonable, pero no tan elevada como para que el salto del desorden hasta el orden sea casi imposible. Es necesario que la pro babilidad de que una gotita individual salte sea mínima, pero lo bastante grande para que a veces se produzcan los saltos en un conjunto de muchas gotitas que han existido durante largo tiempo. Este es el final de la primera fase en el análisis del origen del metabolismo, la fase de la descripción matemática abstracta sin un modelo específico. El principal obstácu lo con el que nos enfrentamos en la construcción de una teoría realista es la ausencia de información experimental sobre posibles ciclos metabólicos que sean bastante más sim ples que los complicadísimos ciclos que observamos en los organismos modemos. Los ciclos metabólicos primitivos debieron de ser más sencillos que los modemos, pero no los conocemos, ni siquiera poseemos candidatos verosímiles para las enzimas rudimen tarias que debieron ser los últimos antepasados de las enzimas modemas. Aunque ima ginemos que los cristales de la arcilla o las membranas de sulfuro de hierro ayudaron a poner en marcha el ciclo metabòlico, todavía tenemos un amplio surtido de candidatos para los componentes orgánicos del ciclo. Pero mi intención es construir un modelo que sea lo bastante específico como para describir el salto con detalle y calcular las proba bilidades. Por tanto, dejo la definición de los ciclos metabólicos primitivos como una tarea que deben realizar los químicos en lugar de los físicos en un futuro. Continúo ahora con la segunda fase de mi teoría. Voy a describir un modelo del ori gen del metabolismo sin definir el metabolismo de forma explícita, ya que la definición está implícita en la descripción del modelo. Dejo a los lectores que juzguen si los supuestos del modelo son verosímiles. La principal virtud del modelo es que sus con secuencias son calculables. Realiza afirmaciones cuantitativas y no del todo triviales acerca de las moléculas que pudieron ser capaces de saltar desde el desorden hasta la actividad metabòlica. Detalles del modelo

El modelo se denomina «Modelo elemental de la teoría de Oparin» (Dyson, 1982). No pretende ser realista, excluye todos los detalles complejos de la química orgánica real. Su objetivo es suministrar una descripción idealizada de la evolución molecular, que desde el punto de vista cualitativo se parece a la descripción del origen de la vida de Oparin. Después de describir el modelo elemental y deducir sus consecuencias, volve ré a la pregunta de si el comportamiento del modelo tiene alguna relevancia para la evo lución de la vida en el mundo real. El modelo es un marco matemático vacío en el que luego pueden intentar ajustarse unas descripciones más realistas de la evolución pre-

Un modelo elemental

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biotica. Mi análisis del modelo es un ejercicio elemental en biología de poblaciones, uti lizando ecuaciones prestadas de Fisher y Kimura. Las ecuaciones son las mismas, tanto si hablamos de una población de moléculas en una gotita como de una población de aves sobre una isla (Kimura, 1970). Para definir el modelo, voy a confeccionar una lista de diez supuestos. La lista comienza con afirmaciones generales, pero al final el modelo se define de forma carac terística, lo que permite generalizar el modelo con facilidad, modificando solo los su puestos más específicos. Supuesto 1 (teoría de Oparin). Las células aparecieron en primer lugar, las enzimas en segundo y los genes mucho después. Supuesto 2. Una célula es un volumen confinado de fluido que contiene pequeñas moléculas orgánicas (monómeros) en solución. Los monómeros pueden difundirse hacia el exterior o el interior de la célula. Dentro de la célula existe una superficie acti va desde el punto de vista químico, con un número fijo N de localizaciones expuestas al fluido. La superficie puede ser la membrana que rodea la célula, o una estructura separada en el interior de la célula. Cada localización puede adsorber un monómero sobre su superficie, y por tanto los monómeros están intercambiándose entre la superfi cie y el fluido de manera constante. Los monómeros adsorbidos sobre localizaciones vecinas se unirán entre sí para formar polímeros. Para concretar, imaginemos que la superficie sea un cristal de arcilla, según Caims-Smith (1982), o una membrana de sul furo de hierro, según Wáchtersháuser (1992) y Russell (1994). Podemos pensar que los monómeros son versiones primitivas de los aminoácidos que polimerizan para formar las enzimas modemas. Supuesto 3, Las células no interaccionan entre sí. No existe selección darwiniana; la evolución de la población de moléculas dentro de una célula se desarrolla mediante deriva aleatoria. Como veremos, la selección darwinina comienza cuando finaliza el modelo. Supuesto 4, Los cambios en la población se producen mediante etapas discretas, consistiendo cada una en la adsorción o en la desorción de un único monómero en una sola localización de la superficie. Este supuesto resulta restrictivo sin necesidad, y se impone solo por motivos de simplificación. Debido a algunas complicaciones en las matemáticas, podemos incluir una variedad más realista de los procesos químicos; por ejemplo, la unión de monómeros para formar cadenas poliméricas, o la adsorción y desorción de cadenas poliméricas en la superficie. Supuesto 5. Cada una de las N localizaciones sobre la superficie adsorbe y desorbe monómeros con igual probabilidad. Este supuesto tampoco es realista y se formula para que los cálculos sean sencillos.

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Supuesto 6. Los monómeros unidos a la superficie pueden dividirse en dos clases, activos e inactivos. Este supuesto parece incontrovertible, pero en realidad contiene la simplificación esencial que permite solucionar el modelo de forma matemática. Significa que se sustituye el enorme espacio multidimensional de configuraciones moleculares por una única variable, tomando solo dos valores, 1 para «activo» y Opara «inactivo». Supuesto 7. Los monómeros activos son los de la especie adecuada que se encuentran en la localización apropiada, en la cual ellos y sus vecinos fabrican un polímero que puede actuar como enzima. Esto quiere decir que cataliza la adsorción de otros monómeros de manera selectiva, de modo que se eligen con preferencia los monómeros de la especie correcta para que se adsorban en otras localizaciones en las que pueden ser activos. Es en el supuesto 7 donde se introduce con sigilo la noción de metabolismo en el modelo, sin que haya sido definida. La definición de la palabra «activo» en este supues to es circular. Un monómero activo es aquel que ayuda a otros monómeros a ser acti vos. El metabolismo, según lo define el modelo, significa la transferencia cíclica de unidades de monómeros, y la población en conjunto es activa desde el punto de vista metabòlico si la transferencia cíclica mantiene los monómeros activos a un elevado nivel elevado de autosostenimiento. Supuesto 8. Los monómeros pertenecen a la especie química (n + 1), y están pre sentes con igual abundancia en el fluido. En cada localización, solo una especie es acti va, y el resto de las n especies son inactivas. Cada localización vacía adsorberá cada especie de monómero inactivo con igual probabilidad p por unidad de tiempo. La pro porción total np de adsorción de monómeros inactivos es la misma en todos las locali zaciones. El monómero que está en cualquier localización ocupada se desorbe con una probabilidad qp por unidad de tiempo, con independencia de la temperatura y de la fuer za de atracción entre la superficie y los monómeros. Cada localización vacía adsorbe su especie de monómero activo con una probabilidad \¡Kx)p por unidad de tiempo, siendo x la fracción de todos las localizaciones en la célula que ya están ocupadas por monómeros activos. La función \¡Kx) representa la eficacia de la población existente de monómeros ac tivos para acelerar la adsorción de un nuevo monómero activo. Cada acontecimiento de adsorción o desorción puede contemplarse como un acto de reproducción, transfor mándose una población progenitora en una población hija. El supuesto de que \¡Kx) depende de x significa que la actividad de los monómeros en la población progenitora es heredada hasta cierto punto por un monómero recien adsorbido en la población hija. La forma de \¡Kx) expresa la ley de la herencia desde el progenitor a la hija. El valor numérico de \¡^x) se determinará por los detalles de la química de los catalizadores. El supuesto 8 es un planteamiento drástico. Sustituye la media de la eficacia de una población de catalizadores por la eficacia de un catalizador medio. Lo denomino «plan teamiento de campo medio», porque es análogo al planteamiento realizado en el mode lo de campo medio de Curie-Weiss de un material ferromagnètico. Kimura ha utilizado

53

Un modelo elemental

planteamientos similares en biología de poblaciones. El efecto del planteamiento de campo medio es reducir la trayectoria aleatoria multidimensional de poblaciones mole culares a una trayectoria aleatoria unidimensional del parámetro único x. Tanto en físi ca como en biología de poblaciones, la aproximación de campo medio puede describirse como pesimista; subestima la eficacia de los agrupamientos locales de moléculas para formar un estado ordenado. El planteamiento de campo medio en general predice un grado menor de orden que el encontrado en una teoría exacta. Si imaginamos una célula con su población de monómeros sobre la superficie en un estado estable, el supuesto 8 tendrá las siguientes consecuencias: las fracciones (x, w, z) de localizaciones activas, inactivas y vacías, en estado estable, serán proporcionales a (y
a(xiKx)ryK

(3.4)

siendo a = n-l· q.

(3.5)

En un estado que no es estable, la fórmula (0 (x)/x) es aproximadamente la propor ción entre la velocidad de aumento de los sitios activos por adsorción y la velocidad de disminución de los sitios activos por desorción. En un estado estable, esta proporción debe ser la unidad. Supuesto 9 (figura 3). La curva j = 0 (;c) tiene forma de 5, y corta la línea y = x&n tres puntos, x= a, p, y, entre el cero y el uno. Este supuesto de nuevo se toma prestado del modelo de Curie-Weiss de un material ferromagnètico. Significa que la población de moléculas presenta tres estados de equilibrio posibles. Se produce un estado de equi librio cuando 0 (jc) = x, es decir, cuando la población hija hereda la misma actividad media x que la población progenitora. El equilibrio es estable si la pendiente de la curva y=i(l>(x) es menor que la unidad, y es inestable si la pendiente es mayor que la unidad. Consideremos, por ejemplo, el estado de equilibrio inferior x= a. Lo denomino estado desordenado porque presenta la menor actividad media. Debido a que la pendiente en a es menor que la unidad, el equilibrio es estable. Si la población progenitora tiene un x un poco mayor que a, la población hija tenderá a deslizarse de forma ascendente hacia a. Lo mismo ocurre en el estado de equilibro superior jc = 7. Este estado también es esta ble porque la pendiente en yes menor que la unidad. Lo denomino estado ordenado porque presenta la mayor actividad catalítica. Una población con una actividad x cer cana a yirá acercándose a ysegún vaya evolucionando. Pero el punto de equilibrio medio X= /3 es inestable, porque la pendiente en j3 es mayor que la unidad. Si la población posee un Xun poco mayor que jS, se desarrollará alejándose de hacia el estado ordenado x=% y si es un poco menor que j8, se deslizará alejándose de descendiendo hasta el estado desordenado x = a. EÌ equilibrio en jc = jS es un punto de silla inestable.

54


Figura 3. La curva y={x) en forma de 5. La curva corta la línea y = xen tres puntos, que repre sentan posibles poblaciones en equilibrio. Los equilibrios superior e inferior son estables, y el equilibrio intermedio es inestable.

Volviendo al lenguaje matemático abstracto de la primera fase de la teoría, pode mos decir que los estados de equilibrio superior e inferior del modelo son dos estados cuasi-estacionarios que ocupan dos sumideros de atracción distintos. La barrera que separa los dos sumideros es un paso de montaña, con un estado de equilibrio de punto de silla inestable en la cima. Aquí nos encontramos con una situación análoga a la distinción entre la vida y la muerte en los sistemas biológicos. Al estado ordenado de una célula lo denomino «vivo», porque la mayoría de las moléculas están trabajando en colaboración para sos tener los ciclos catalíticos que las mantienen activas. Al estado desordenado lo deno mino «muerto» porque las moléculas no están coordinadas y en su mayor parte son inactivas. Una población, en estado vivo o muerto, en general se mantendrá así duran te largo tiempo, produciéndose solo pequeñas fluctuaciones aleatorias alrededor del equilibrio estable. Sin embargo, una población de moléculas en una célula es finita, y siempre existe la probabilidad de una gran fluctuación estadística que traslade a toda la población por encima del punto de silla desde un estado de equilibrio a otro. Cuando una célula «viva» realiza un gran salto estadístico por encima del punto de silla hasta el estado inferior, llamamos al salto «muerte». Cuando una célula «muerta» salta por enci ma del punto de silla hasta el estado superior, llamamos al salto «origen de la vida». Cuando se obtienen la función (¡>(x) y el tamaño N de la población en la célula, pueden calcularse con facilidad las probabilidades de «muerte» y de «origen de la vida». Solo

55

Un modelo elemental

debemos resolver una ecuación diferencial lineal con las condiciones limitantes apro piadas para representar un conjunto de poblaciones de moléculas que se difunden por encima de un punto de silla desde un lado al otro. La probabilidad de una transición por encima del punto de silla se expone con pre cisión por el término de flujo F en la ecuación (3.3) de la descripción matemática gene ral. Quizá sea erróneo utilizar el término «salto» para definir la transición. La palabra «difusión» la describe mejor. La población de moléculas escala la barrera mediante una sucesión de pequeños pasos, en lugar de un gran paso. La población tal vez retrocede nueve pasos por cada diez pasos adelante, mientras sube poco a poco la pendiente. Por fortuna, el flujo neto F se puede calcular con facilidad sin detenerse en los detalles de las trayectorias aleatorias mediante las cuales se logra el flujo. Supuesto 10. En este punto realizamos una selección definitiva de la función \¡/{x), basando la selección en un sencillo argumento termodinàmico. Por fortuna, la función 0 {x) derivada de la termodinámica tendrá la forma S deseada para producir los tres esta dos de equilibrio que requiere el supuesto 9. Imaginemos que cada catalizador actúa en la célula produciendo una diferencia entre las energías de activación que se requieren para situar un monómero activo o inac tivo en una localización vacía. Si la molécula de catalizador es perfecta, con todas sus unidades de monómeros activos, entonces la diferencia en las energías de activación será una cierta cantidad U, que suponemos será la misma para todos los catalizadores perfectos. Si un catalizador es imperfecto, en una célula con una fracción x activa del total de localizaciones, suponemos que produce una diferencia xU en las energías de activación para las adsorciones correctas e incorrectas. De nuevo utilizamos un plantea miento de campo medio, e imaginamos que el efecto medio de un conjunto de cataliza dores con diversos grados de imperfección es igual al efecto de un solo catalizador, reduciéndose su discriminación en proporción a la actividad media x de la población total. Con un cálculo más exacto este planteamiento sería innecesario. El planteamiento de campo medio implica que la probabilidad de una adsorción correcta es mayor que la probabilidad de una adsorción incorrecta mediante el factor:

V
¿ = exp( t/ / kT),

(3.6)

de forma que b es el factor de discriminación de un catalizador perfecto a la tempera tura absoluta T,y kcs la constante de Boltzmann. Esta selección de y/^x) produce la fun ción 0 (x) según la ecuación (3.4):
(3.7)

que es la misma función en forma de S que aparece en el modelo de campo medio de un material ferromagnètico sencillo. La fórmula (3.7) para 0 (a:) completa la definición del modelo. El modelo se define

56


de forma característica cuando se eligen los tres parámetros N, a y b. Éstos resumen de manera sencilla el material químico bruto con el que trabaja el modelo. N define el tamaño de la población molecular, a la diversidad química de las unidades de monó meros, y ¿ es el factor de calidad que determina el grado de discriminación de los cata lizadores. En sentido estricto, a es la suma de n y q, siendo (« + 1) el número de especies de monómeros, y 9 es proporcional a la fracción de localizaciones vacías sobre la super ficie. Por lo que se refiere al modelo, los sitios vacíos se comportan como espacios adi cionales de monómeros inactivos. Los espacios vacíos presentan un peso estadístico q comparado con la unidad para las otras especies inactivas. Suponemos que los monó meros en la célula son lo bastante abundantes y la superficie lo suficientemente atra yente como para que la fracción de localizaciones vacías sea pequeña y q menor que la unidad; entonces la diferencia entre n y a es insignificante. Ahora poseemos un modelo definitivo de tres parámetros sobre el que trabajar. Todavía hay que calcular sus consecuencias y estudiar si desarrolla un comportamiento interesante para cualquier valor deN, ay b, que sea coherente con las realidades de la química orgánica. Un «comportamiento interesante» significa que se produce un salto desde el estado desordenado hasta el estado ordenado con una probabilidad razonable. Descubriremos que este comportamiento interesante aparece con valores de a y ¿>en un estrecho intervalo que se determina solo mediante las propiedades matemáticas de la función exponencial y es independiente de los pormenores de la química. El modelo, por tanto, establece una afirmación concreta acerca del material del que estaban forma das las primeras células vivas. Si el modelo tiene algo que ver con la realidad, entonces las células primitivas estaban compuestas por moléculas con unos valores a y b que se encuentran dentro del intervalo calculado. Los intervalos preferidos de valores de los tres parámetros son los siguientes: a, de 9 a 10;

(3.8)

b, de 60 a 100;

(3.9)

yV, de 2.000 a 20.000.

(3.10)

Estos intervalos también son razonables desde el punto de vista químico. El inter valo preferido de valores para a (3.8) indica que el número de especies de monómeros debe estar entre ocho y once. En las proteínas modemas, tenemos veinte especies de aminoácidos. Es razonable imaginar que alrededor de diez podrían suministrar la sufi ciente diversidad de función catalítica para que se originase la vida. Por otra parte, el modelo fracasa por completo con un a entre 3 y 4, que sería el intervalo requerido para a si la vida comenzase con las cuatro especies de nucleótidos que polimerizan para for mar el ARN. En este modelo, los nucleótidos por sí solos no proporcionan la suficien te diversidad química para permitir una transición desde el desorden hasta el orden. Por tanto, las predicciones cuantitativas del modelo son coherentes con la teoría de Oparin,

Un modelo elemental

57

de la cual partimos. El modelo prefiere los péptidos en vez de los ácidos nucleicos como material a partir del cual surgió la vida. A este respecto, este modelo se diferencia del modelo del origen de la vida de hiperciclos de Eigen, en el que los monómeros solo son necesarios para portar la información con el fin de lograr una replicación precisa. Son suficientes cuatro especies de monómeros, o incluso dos especies, para la replicación. Solo cuando los monómeros son necesarios para actuar como sistema metabòlico, se necesita la mayor diversidad que impone nuestro modelo. El intervalo (3.9) de sesenta a cien también es razonable para el factor de discrimi nación de las enzimas primitivas. Una enzima polimerasa moderna presenta de forma típica un factor de discriminación de 5.000 ó 10.000. La enzima moderna es una estruc tura muy especializada que ha sido perfeccionada por tres mil millones de años de ajus te preciso. No se debe pensar que las enzimas originales se aproximaban a las pautas de rendimiento modemas. Por otra parte, los catalizadores orgánicos sencillos a menudo alcanzan unos factores de discriminación de cincuenta. Resulta verosímil que un ca talizador peptídico sencillo, con una localización activa que contenga cuatro o cinco aminoácidos, presente un factor de discriminación que se encuentra en el intervalo pre ferido por el modelo, de sesenta a cien. El tamaño (3.10) de la población en la célula primitiva también es verosímil. Una población de varios miles de monómeros unidos en unos pocos cientos de polímeros ofrecería una variedad de estmcturas suficiente para permitir que existan unos ciclos catalíticos interesantes. Un valor de N del orden de 10.000 es lo suficiente para mani festar la complejidad química característica de la vida, y aun es lo bastante bajo para permitir que en raras ocasiones se produzca el salto estadístico desde el desorden hasta el orden, con unas probabilidades que no son tan pequeñas como para ser imposibles. La razón básica del éxito del modelo es su capacidad para tolerar grandes tasas de error. El modelo supera la catástrofe del error renunciando a la replicación exacta. No necesita ni logra un control preciso de sus estructuras moleculares. Esta falta de preci sión permite que una población de 10.000 monómeros salte hasta un estado ordenado sin que sea un milagro. En un modelo del origen de la vida que imagine una replicación exacta desde el principio, con una baja tolerancia a los errores, el salto de una pobla ción de N monómeros desde el desorden hasta el orden se produciría con una probabi lidad de (1 + n)-^. Si excluimos los milagros, un sistema replicador puede surgir de forma espontánea solo con un N del orden de cien o menor. Por contraste, nuestro mode lo no replicador puede realizar la transición al orden con una población que es cien veces mayor. La tasa de error en el estado ordenado de nuestro modelo se encuentra entre el 20 y el 30% cuando los parámetros a y b están en los intervalos (3.8) y (3.9), respectivamente. Una tasa de error del 25% significa que tres de cada cuatro monóme ros en cada polímero están colocados de manera correcta. Un catalizador con cinco monómeros en su localización activa tiene una posibilidad entre cuatro de ser total mente funcional. Este nivel de rendimiento resulta tolerable para un sistema no replica dor, pero sería por completo inaceptable en un sistema replicador. La capacidad para operar con una tasa de error del 25% es el factor decisivo que hace que el estado orde-

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nado de nuestro modelo se pueda abordar de manera estadística, con poblaciones lo bas tante grandes para ser interesantes desde el punto de vista biológico. Consecuencias del modelo

Las ecuaciones que describen un estado estacionario del modelo son muy sencillas. En el estado de cuasi-equilibrio existirá una cierta probabilidad Pj de encontrar j monó meros activos en la población. La tasa de flujo F en un estado estable es independiente de j. La ecuación (3.3) que define un estado de cuasi-equilibrio se transforma entonces en: {g/a)yKj/N)(N-j)Pj - q ( j + \ )P,.„ =F.

(3.11)

No es difícil resolver con exactitud la ecuación (3.11) y deducir el flujo F que deter mina la tasa de transiciones desde un estado cuasi-estacionario hasta otro. Pero pode mos estimar la tasa de transiciones con más facilidad, con la suficiente precisión para nuestros objetivos, resolviendo la ecuación (3.11), siendo F = 0. Cuando F = O, la solu ción Pj de la ecuación (3.11) describe el estado final característico del modelo, si se le deja actuar durante un tiempo infinito. En el estado final, todos los estados de cuasiequilibrio están poblados, de forma que el flujo neto entre ellos es cero. Por tanto, la solución de la ecuación (3.11), dada y/(x) por la ecuación (3.5) y después de realizar algunas aproximaciones sin importancia, es: Pj = Kexp{-NV(j/N)),

(3.12)

con un coeficiente constante ATy un potencial V(x) dado por: V(jc) = log X+ (1 - x)log(l - x ) + x \ o g a - {\H)x^ log b. (3.13) Los estados de cuasi-equilibrio del modelo se corresponden con exactitud con los máximos y los mínimos del potencial V. Los estados de cuasi-equilibrio estables {x=a,fí son mínimos de V; el estado inestable (x = p) es un máximo. De esta forma descubrimos una fórmula apropiada para F, que es equivalente a la sencilla fórmula: r=Texp(AAO

(3.14)

para el tiempo medio T requerido para que una célula realice la transición desde el desorden hasta el orden. Aquí, T es el intervalo de tiempo medio entre las desorciones de un monómero en cada localización, N es el número total de localizaciones, y A viene dado por:

59

Un modelo elemental

A = V(j8) - V(a).

(3.15)

Este A es la altura de la barrera potencial que la población tiene que escalar para escapar del estado desordenado {x = a), por encima del punto de silla {x = p), hasta el estado ordenado. La velocidad de transición desde el desorden hasta el orden no depen de de V(}^. Cuando la población cruza el punto de silla, el tiempo que requiere para des lizarse hasta el orden carece de importancia. Si A fuera la unidad, entonces el exponencial de la ecuación (3.14) tendría un valor enorme e imposible para un N mayor que cien. Nos encontraríamos por tanto en una situa ción característica de los sistemas intolerantes a los errores, en los cuales la transición al orden posee una improbabilidad astronómica para N elevados. Sin embargo, cuando los parámetros a y b están en los intervalos (3.8) y (3.9), respectivamente, que se correspon den con modelos con alta tolerancia a los errores, A no es la unidad, sino que está en el intervalo de 0,001 a 0,015. Para unos valores de a y bt n estos intervalos, el potencial V{x) es casi plano, y los valores en los tres puntos estacionarios son casi iguales. Estas son las características del modelo que posibilitan una transición al orden con poblaciones tan gran des como 20.000. Aunque la ecuación (3.14) sigue siendo una función de incremento expo nencial de N, aumenta con mucha más lentitud de lo que con ingenuidad se esperaría. Según la ecuación (3.14), existe un tamaño poblacional crítico de forma que las poblaciones N del orden de o menores realizarán la transición desde el desorden hasta el orden con una probabilidad razonable, mientras que las poblaciones mucho mayores que no lo harán. He elegido definir N como: yV, = 30/A,

(3.16)

de forma que el factor exponencial en la ecuación (3.14) es: ^30« 1013 para

=

(3.17)

El coeficiente treinta en la ecuación (3.16) se ha elegido de manera arbitraria. No sabemos cuántas gotitas pudieron existir en entornos adecuados para el origen de la vida, ni cuánto duraron estos entornos, ni con cuánta frecuencia reaccionaron sus cons tituyentes moleculares. La elección en la ecuación (3.16) significa que se espera que ocurra una transición al estado ordenado en mil tiempos de reacción, entre un conjunto de 10^^ gotitas, conteniendo cada una monómeros. No resulta absurdo imaginar que pudieron existir 10*®gotitas durante un largo tiempo, en un entomo apropiado. Por otra parte, si consideramos unas gotitas con unas poblaciones moleculares tres veces mayo res, es decir, con N = entonces el factor exponencial en la ecuación (3.14) sería 10^^, y es inconcebible que existieran las suficientes gotitas para producir una probabi lidad razonable de una transición. La población crítica N^, por tanto, define el límite superior de N, para el cual puede realizarse una transición con un margen de incerti dumbre que sea menor que un factor de tres. Los tamaños de población crítica dados

60


por la ecuación (3.16) varían de 2.000 a 20.000 cuando los parámetros a y b s t encuen tran en los intervalos 8-10 y 60-100, respectivamente. Las propiedades de nuestro modelo pueden representarse en un diagrama bidimensional (figura 4), estando el parámetro a en la horizontal y ¿ en la vertical. Cada punto del diagrama se corresponde con una selección concreta dt a y b. Los modelos que cumplen la condición de triple corte (supuesto 9) y poseen estados desordenados y orde nados, ocupan la región central del diagrama, y se extienden hacia arriba y hacia la dere cha de la cúspide. La cúspide en: a = ^2 = 7 4^

b = e^ = 54,6,

(3.18)

marca el límite inferior de los valores d c a y b para los cuales puede producirse una tran sición desorden-orden. El tamaño poblacional crítico se eleva cerca de la cúspide y desciende con rapidez a medida que aumentan a y b. Los modelos más interesantes desde el punto de vista biológico se encuentran en la región central, cerca de la cúspide. Estos modelos presentan unas tasas de error elevadas y pueden realizar la transición desorden-orden con grandes poblaciones.

Figura 4. Diagrama de fase en que cada punto representa una posible composición química de una población molecular. En el eje de abscisas está a, que es aproximadamente igual al número de especies de monómeros. En el eje de ordenadas está b, el factor de calidad de catalizadores poliméricos. La región de transición representa las poblaciones que poseen estados de equilibrio ordenados y desordenados. La región «muerta» no presenta estados ordenados, y la región «inmortal» estados desordenados. La curva punteada representa las poblaciones con b = a^, en las cuales existe una simetría entre los estados ordenados y desordenados.

r

61

Un modelo elemental

Para ilustrar el comportamiento del modelo en la región interesante que se encuen tra cerca de la cúspide, voy a escoger un caso concreto que ofrece la ventaja de que se puede calcular con exactitud y facilidad. Es el caso: a = 8,

¿ = 64.

(3.19)

Presenta tres estados de equilibrio: a =(1/3), i3=(l/2),

r=(2/3).

(3.20)

La tasa de error en el estado ordenado es exactamente de un tercio. El valor de A para este modelo viene dado por las ecuaciones (3.13) y (3.15): A = log 3 - (19/12) log 2 = 0,001129,

(3.21)

que arroja un tamaño poblacional elevado de modo satisfactorio: = 26.566.

(3.22)

Christopher Longuet-Higgins, que además de químico es músico, indicó que la can tidad A que aparece en la ecuación (3.21) es muy conocida por éstos, y es la diferencia fraccional en tono entre una quinta perfecta y una quinta equitemplada. En una escala logarítmica de tono, una quinta perfecta es (log 3 - log 2), y una quinta equitemplada es siete semitonos o (7/12) log 2. La insignificancia de la diferencia es la razón por la cual la escala equitemplada funciona tan bien, al igual que la insignificancia de A es la razón de que este modelo del origen de la vida funcione con acierto. El viejo Pitágoras esta ría complacido si pudiera ver este ejemplo, que justifica su doctrina de una armonía uni versal que abarca los números, la música y la ciencia. Después de esta digresión sobre el misticismo pitagorino, vuelvo a analizar las propiedades generales del modelo de la figura 4. La región por debajo y a la derecha de la banda central representa los modelos que solo presentan un estado desordenado y ninguno ordenado. Estos modelos tienen un a demasiado elevado (demasiada diversidad química) y un b demasiado pequeño (una actividad catalítica demasiado débil) para producir un estado ordenado. Las gotitas de esta región están muertas y no pueden nacer a la vida. Denomino a esta región «sopa sul furosa caliente» porque esta frase se ha utilizado para describir la composición de las chi meneas hidrotermales profundas en donde pudo originarse la vida, según Wáchtersháuser (1992) y Russell (1994). La frase «sopa de pollo fría», que se utilizó anteriormente para describir el entorno prebiótico en el cual surgió la vida, ya no resulta apropiada, puesto que se ha descubierto que la mayoría de los organismos más arcaicos son termófilos. La región por encima y a la izquierda de la banda central representa los modelos que solo poseen un estado ordenado y ningún estado desordenado. Estos modelos tienen un a

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demasiado pequeño (demasiada poca diversidad química) y un è demasiado elevado (una actividad catalítica demasiado intensa) para producir un estado desordenado. Las gotitas en esta región están congeladas en el estado ordenado y no pueden morir. Denomino esta región el «jardín del Edén» porque esta frase se ha utilizado para describir una teoría alternativa del origen de la vida. Es posible imaginar células desarrollándose mediante la unión aleatoria de componentes moleculares, de forma que se desvían hacia la región de transición central desde la sopa sulfurosa caliente, o desde el jardín del Edén. Cuando alcanzan la región central, son capaces de vivir y morir, y puede comenzar la evolución de la complejidad biológica. ¿Por qué necesitamos estados desordenados, puesto que la vida es un estado orde nado? ¿Por qué la vida no permaneció para siempre en la región del «jardín del Edén», donde solo existen estados ordenados? El modelo no suministra respuestas a estas pre guntas, ya que solo describe la deriva aleatoria de las poblaciones sin la selección dar winiana. Por lo que se refiere al modelo, la vida pudo comenzar y permanecer siempre congelada en el estado ordenado. Pero en realidad, la selección darwiniana resulta esen cial si la vida quiere evolucionar más allá del estado primitivo descrito por el modelo. Cuando finaliza el modelo, en cuanto las gotitas descritas por este empiezan a agotar los recursos disponibles y a competir entre sí para sobrevivir, comienza la selección darwi niana. Esta última necesita la muerte, y la muerte es la transición del orden al desorden. La vida tuvo que inventar la muerte para evolucionar. Las gotitas congeladas en el estado ordenado no podían experimentar y diversificarse; las que permanecieron en la región de transición, muriendo y renaciendo de modo constante con nuevas combinaciones de compuestos químicos en nuevos ciclos catalíticos, tenían mejores oportunidades para adaptarse con rapidez a unos entornos cambiantes. A medida que las poblaciones moleculares evolucionaron a lo largo de amplios periodos, es probable que a y b aumentasen. Se produce un aumento en a por la incor poración de nuevas variedades de monómeros en el ciclo metabòlico; aparece un aumento en b por la construcción de moléculas poliméricas más complejas capaces de catalizar reacciones con mayor especificidad. Las poblaciones moleculares con mayo res a y è podrán metabolizar con más eficacia, y es probable que se impongan en la lucha darwiniana por la existencia. Después de finalizar nuestro modelo, la evolución puede avanzar de manera gradual hacia arriba y a la derecha, pero permaneciendo den tro de la banda crítica de la figura 4. Solo es necesario que a y b sigan aproximadamente el mismo paso, de forma que b esté alrededor del cuadrado de a. La curva 6 = se man tiene dentro de la banda crítica desde la cúspide hasta el infinito. Por supuesto, a medi da que la evolución avanza cada vez más, subiendo por la banda, los sencillos supuestos del modelo representarán el comportamiento de organismos reales de modo cada vez más inadecuado. El modelo nos permite dar una definición precisa de la cantidad de información contenida en una población en estado ordenado. La información no está incluida en genes que pueden replicarse, sino en los ciclos metabólicos que se reproducen de forma estadística a medida que la población se mantiene. Según la definición abstracta de

Un modelo elemental

63

información, la probabilidad de que surja un mensaje por pura casualidad viene dada por: P = 2-^,

(3.23)

siendo / el número de bits de información en el mensaje. Para aplicar esta definición al modelo, debemos imaginarnos los estados ordenados y desordenado que coexisten en las proporciones dictadas por la pura casualidad. La probabilidad del estado ordenado, según la ecuación (3.12), es por tanto: P = exp[yV(V(a) - {V{y))l

(3.24)

y la información contenida en él, según la ecuación (3.23), es: l = N {V (y)-Via))/(\og2 ).

(3.25)

Esto ofrece una estimación mínima del contenido en información para el estado ordenado. La célula también puede contener más información que no contribuye a que sea improbable desde el punto de vista estadístico. En el momento del primer salto desde el desorden hasta el orden, en el primer ori gen del metabolismo, el contenido en información del estado ordenado de nuestro modelo es bastante pequeño, del orden de AN, que supusimos era alrededor de 30, y, por tanto, el salto hasta el estado ordenado puede producirse con una probabilidad razona ble en un tiempo finito. En términos generales, la ecuación (3.25) nos proporciona 30/log 2 = 43 bits de información, que es una cantidad muy pequeña. Pero la cantidad de información que transporta el estado ordenado aumenta con rapidez a medida que la célula evoluciona a lo largo de la ruta del aumento de N y del aumento de a y es decir, del incremento de la población y de la variedad y precisión de las enzimas. Cuando a y b son elevados, la información dada por las ecuaciones (3.13) y (3.25) es: / = {\l2)N{\og{bla'^)l\og 2).

(3.26)

En la versión simétrica del modelo con b = los estados de equilibrio ordenados y desordenados presentan la misma probabilidad. La fórmula (3.26) es igual a cero por que el estado ordenado se produce con una probabilidad de un medio si se espera lo suficiente. En una célula moderna, bien organizada, los valores típicos de los paráme tros son a = 20 y ¿ = 10^, y en la ecuación (3.26) se obtiene aproximadamente: / = 27V,

(3.27)

alrededor de dos bits de información por localización en las moléculas catalíticas acti vas. Esta cantidad de información es igual a la información contenida en un gen con N

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nucleótidos. Por tanto, el aparato metabòlico en nuestro modelo lleva casi tanta infor mación como un aparato replicador con el mismo número de monómeros activos. Una característica sorprendente del modelo, que está ausente en los organismos modernos, es la simetría entre la vida y la muerte. En el modelo, la curva: y = 0 (x) = (1 + ab'^y^

(3.28)

resulta invariable con la transformación: X

l - X,

y —>Ì - y,

a —>(b/a).

(3.29)

En concreto, el modelo con b = a^ presenta una simetría completa alrededor del punto de silla inestable en x = y= 1/2. El estado ordenado y el estado desordenado son imágenes diáfanas. La probabilidad de una transición desde el desorden hasta el orden es exactamente igual que la probabilidad de una transición desde el orden hasta el desor den. En el modelo simétrico con b = a^, la muerte y la resurrección se producen con igual frecuencia. El origen de la vida es un acontecimiento tan común como la muerte. ¿Cómo es posible que a medida que la vida evolucionaba, la muerte continuara siendo común mientras que la resurrección se hizo rara? Lo que sucedió fue que los pro cesos catalíticos en la célula se ajustaron cada vez con mayor precisión y se hicieron cada vez más intolerantes a los errores. La curva y = {x) permaneció con forma de S, pero a medida que transcurría el tiempo se hizo más y más asimétrica. La forma de la curva en una célula moderna aparece en la figura 5.Nuestra célula primitiva hipotética debe contrastarse con la curva simétrica mostrada en la figura 3. En la célula primitiva, los tres estados de equilibrio pudieron ser: a = 0,2 /3 = 0,5 7=0,8

(3.30)

con una tasa de error del 20% en el estado ordenado. En la célula moderna, la curva empuja hacia la derecha, y para los estados de equilibrio, los valores típicos son: a = 0,05 p = 0,999 y =0,9999.

(3.31)

El valor del estado ordenado y significa que la tasa de error en el aparato metabo lico de una célula moderna es alrededor de 10-^. La posición del punto de silla P signi fica que un ataque del entomo, como una dosis de rayos X que aumenta la tasa de error hasta 10-^, trastoma el aparato ajustado con precisión y provoca la muerte de la célula. La muerte es fácil y la resurrección difícil porque el punto de silla se ha movido muy cerca del estado ordenado y muy lejos del estado desordenado. Para que la vida se ori gine de manera espontánea, resulta esencial un estado ordenado con una elevada tasa de error. Pero cuando la vida se estabilizó, el curso completo de la evolución se dirigió hacia estructuras más especializadas con menor tolerancia a los errores.

Un modelo elemental

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Figura 5. La curva en forma de S de la figura 3, tal como aparece en una célula moderna, con los estados de equilibrio superior e inferior empujados hacia la derecha, de forma que la curva ya no es simétrica.

He dicho lo suficiente, quizá demasiado, acerca de las propiedades y consecuencias del modelo. Explicando el modelo he caído en una trampa. Comencé tratándolo como si fuera una verdad histórica, y, por supuesto, no lo es. No es una descripción de los acontecimientos tal como sucedieron en realidad. Solo es un modelo elemental, una sencilla descripción abstracta, que será sustituido por modelos*mejores que incorporen algunos de los detalles químicos a los que he hecho caso omiso.

C a p í tu l o 4

Preguntas sin respuesta

¿Por qué la vida es tan compleja?

Ahora es el momento de resumir lo que hemos podido aprender de los tres primeros capí tulos. El capítulo 1describe el desarrollo histórico de las ideas que conducen a la pregunta que considero fundamental para todas las investigaciones del origen de la vida: ¿Es lo mismo el origen de la vida que el origen de la replicación? He presentado algunas razo nes que me inclinan a responder de forma negativa, y dar preferencia provisional a la hipótesis de que el metabolismo y la replicación tuvieron ongenes separados. El capítu lo 2 presenta una relación esquemática de algunos de los experimentos y las teorías clásicos acerca del origen de la vida. He comentado que los experimentos desde los tiempos de Max Delbrück han tenido un éxito espectacular para aclarar la estructura y función del aparato de replicación, pero ni mucho menos como para proporcionamos un conocimien to profundo del metabolismo. Aunque los experimentos de Cech y otros (Cech, 1993; Wright y Joyce, 1997) sobre ribozimas han demostrado que el ARN puede actuar como enzima, solo lo hace dentro de un ámbito limitado. Un artículo de revista de primera época (Cech y Bass, 1986) indica: «Parece que la limitada versatilidad de los catalizadores de ARN es la responsable de la existencia relativamente restringida del ARN como cataliza dor biológico, en lugar de algún déficit en la eficacia o precisión catalíticas.» En la actua lidad, aún es cierto que los experimentos que investigan la acción de las ribozimas se interesan por la precisión de ajuste del aparato genético, no por el metabolismo de la célu la. El éxito unilateral de los experimentos ha conducido a una preferencia por las teorías. Las teorías más populares sobre el origen de la vida son las de Manfred Eigen, que se con centran casi con exclusividad en la replicación como fenómeno que hay que explicar. El capítulo 3 describe mi propio intento por constmir un modelo del origen de la vida, con una preferencia opuesta a la de Eigen, suponiendo como hipótesis de trabajo que la vida primitiva consistía en una maquinaria puramente metabòlica, sin replicación. Este último capítulo trata de las preguntas sin respuesta que surgen del modelo, y de preguntas más generales sobre posibles planteamientos experimentales acerca del origen del metabolismo. Pero estas preguntas son subsidiarias de otra pregunta: ¿por qué la vida es tan compleja? Quizá no sea una pregunta científica bien planteada, puede interpretarse simplemente como el lamento de un anciano científico recordando la sen cillez perdida de la juventud; o también como una protesta inútil contra la insolubilidad de la condición humana en el mundo modemo. Pero pretendo que la pregunta se refie


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ra de forma específica a la estructura celular. La característica fundamental de las célu las vivas es su homeostasis, la capacidad para mantener un equilibro químico estable y más o menos constante en un medio cambiante. La homeostasis es la maquinaria de controles químicos y ciclos de retroalimentación que aseguran que cada especie mole cular en una célula se produzca en la proporción adecuada, ni en exceso ni en defecto. Sin homeostasis no puede existir un metabolismo ordenado ni un equilibrio cuasi-esta cionario que merezca el nombre de vida. La pregunta de por qué la vida es tan comple ja significa en este contexto que, dado que una población de moléculas es capaz de mantenerse en equilibrio homeostático a un nivel estable de metabolismo, ¿cuántas especies moleculares diferentes debe contener la población? Las pruebas biológicas establecen límites bastante firmes al número de tipos de moléculas necesario para establecer un sistema homeostático, al menos siempre que hablemos de sistemas homeostáticos de tipo moderno. Existe un gran número de va riedades distintas de bacterias, y la mayoría de ellas contienen unos pocos miles de especies moleculares, si se considera el número por los escasos millones de pares de bases en su ADN. Parece que en condiciones modemas, los sistemas homeostáticos funcionan de modo eficaz con unos pocos miles de componentes, y no tan eficaz con menos. Si una bacteria puede prescindir de la mitad de sus componentes moleculares y aun metabolizar con eficacia, presentaría una gran ventaja selectiva. Podemos deducir del hecho de que las bacterias, en general, se han negado a disminuir por debajo de un cierto nivel de complejidad, que este nivel es de algún modo un mínimo irreductible. Si las células modemas requieren unos pocos tipos de moléculas para una homeos tasis estable, ¿qué nos indica esto acerca de las células primitivas? Hablando en senti do estricto, no nos dice nada. Sin los modemos aparatos de genes y represores, los antiguos mecanismos de homeostasis debieron de ser muy diferentes, más simples o más complejos. Aun así, una hipótesis razonable sigue siendo que los mecanismos anti guos eran más sencillos. Pero permanece la pregunta de lo simples que pudieron ser. Debe responderse antes de poder construir teorías creíbles acerca del origen de la vida, pero solo puede contestarse mediante experimentos. En el modelo elemental que analicé en el capítulo 3, deduje a partir de la aritméti ca del modelo que la población en una célula que lleva a cabo la transición desde el desorden hasta el orden debió de ser de entre 2.000 y 20.000 monómeros combinados en unos pocos cientos de especies de polímeros. Afirmo que este número, unos pocos cien tos, resulta verosímil para el número de especies de moléculas poliméricas necesarias para lograr un sistema homeostático primitivo. Por supuesto, esta afirmación está basa da solo en conjeturas. Sabemos que unos pocos miles de especies de moléculas son sufi cientes para una célula modema. No parece probable que pueda mantenerse algo parecido a una homeostasis bioquímica con unas pocas decenas de especies; de mane ra que suponemos de forma bastante arbitraria, guiados solo por nuestra familiaridad con el sistema decimal de cálculo, que el número correcto para el origen de la homeos tasis sería de unos pocos cientos de moléculas. Desconocemos si estos pocos cientos de especies moleculares son en realidad necesarios o suficientes para la homeostasis.

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A este respecto resulta interesante observar cómo un planteamiento experimental se aplicó con éxito a la resolución de la pregunta correspondiente acerca del origen de la replicación. ¿Cuál es la menor población molecular capaz de constituir un sistema autoreplicador? La respuesta apareció en dos experimentos clásicos, uno realizado por Sol Spiegelman (Spiegelman, 1967) y el otro por Manfred Eigen y sus colegas (Eigen et al, 1981). He descrito el experimento de Eigen en el capítulo 1. El experimento de Spiegelman comenzó con un virus vivo una criatura capaz de sobrevivir y asegurar su propia replicación en la naturaleza mediante la información codificada en una sola molécula de ARN compuesta por 4.500 nucleótidos. El virus se replicaba de forma habitual en el interior de una célula hospedante, utilizando una enzima replicasa que el ARN vírico obliga a producir a los ribosomas del hospedante. El ARN vírico también causa que el hospedante fabrique una proteína de la envuelta, y otros componentes necesarios para el ciclo de vida vírico completo. Después Spiegelman seducía al virus, eliminando su envuelta proteica y suministrándole la enzima replicasa en un tubo de ensayo, de forma que podía replicarse sin tomarse la molestia de invadir una célula y completar su ciclo de vida parasitario normal. El tubo de ensayo también contenía un amplio suministro de monómeros de nucleótidos libres en una disposición de flujo continuo, para evitar que el virus agotara el suministro. Los resultados fueron espectaculares. El ARN vírico con tinuó siendo replicado con precisión durante algún tiempo con la ayuda de la enzima replicasa. Pero pronto apareció un ARN mutante que había perdido algunos de los genes que ya no eran necesarios para su supervivencia. El mutante, que tenía menos de 4.500 nucleótidos, se replicaba con mayor rapidez que el virus original, y pronto lo desplazó en la lucha darwiniana por la existencia. Entonces apareció un mutante aún más corto que desplazó al primero, y así sucesivamente. El virus ya no necesitaba tener los genes para la replicasa ni la cubierta proteica para sobrevivir. Por el contrario, solo podría sub sistir si eliminaba todo el equipaje superfluo. El requerimiento para la supervivencia era ser lo más sencillo y pequeño posible. Al final, el virus degeneró en un pequeño trozo de ARN, con solo 220 nucleótidos, que contenía el sitio de reconocimiento para la enzi ma replicasa y poco más. El estado final del virus fue denominado por los géneticos el «monstruo de Spiegelman». Proporciona una buena lección práctica que demuestra lo que sucede cuando la vida se hace demasiado fácil. Los pequeños monstruos podnan estar replicándose para siempre con una velocidad elevada en el entorno artificial del tubo de ensayo de Spiegelman, pero no podrían esperar sobrevivir en ningún otro lugar. El experimento de Manfred Eigen es opuesto al de Spiegelman. Ambos utilizan un tubo de ensayo que contiene la enzima replicasa y nucleótidos libres. Spiegelman intro dujo en su sopa un virus vivo; Eigen no introdujo nada. Spiegelman estudiaba la evo lución de la replicación desde arriba hacia abajo, Eigen desde abajo hacia arriba. El experimento de Eigen produjo una población autogenerada de moléculas de ARN, repli-cándose con la ayuda de la enzima replicasa, al igual que los monstruos de Spiegelman. El replicador de Eigen y el monstruo de Spiegelman no eran idénticos, pero sí primos her manos. Los replicadores de Eigen, después de evolucionar hasta alcanzar un estado estable, contienen alrededor de 120 nucleótidos cada uno, comparados con los 220 del


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monstruo de Spiegelman. La diferencia entre 120 y 220 es una pequeña separación entre una molécula que creció de la nada y una molécula que una vez estuvo viva. Los experimentos de Spiegelman y Eigen juntos proporcionan una respuesta clara a la pregunta de cuál es el tamaño poblacional mínimo necesario para un sistema repli cador. La respuesta es una sola molécula de ARN con cien o doscientos nucleótidos. Esta contestación demuestra en resumidas cuentas, lo sencillo que es el fenómeno de la replicación, comparado con el fenómeno de la homeostasis. Propongo como conjetura que el tamaño poblacional mínimo requerido para la homeostasis sería alrededor de cien veces mayor, es decir, unos pocos cientos de moléculas que contengan diez o veinte mil unidades de monómeros; y más importante, sugiero que la trayectoria más prometedo ra para la comprensión del origen de la vida sería realizar experimentos como los de Spiegelman y Eigen, pero que traten de la homeostasis en lugar de la replicación. ¿Cómo podrían realizarse estos experimentos? Me doy cuenta de que es mucho más fácil sugerir experimentos que llevarlos a cabo. Lo primero que se necesita es encontrar materiales de trabajo que posibiliten los experimentos, el equivalente al virus de Spiegelman y a la sopa de nucleótidos de Eigen para un sistema homeostático. El obje tivo, de nuevo, es trabajar desde ambos extremos, desde arriba hacia abajo y viceversa, y descubrir el lugar medio en que se encuentran ambos extremos. Desde arriba, necesi tamos encontrar una criatura adecuada, una célula sin núcleo que haya perdido su apa rato replicador pero que aún mantenga las funciones del metabolismo y la homeostasis, y necesitamos mantenerla con vida de forma artificial mientras que vaya eliminando de manera gradual los componentes moleculares innecesarios. De esta forma, con muchos ensayos y errores, podemos esperar descubrir aproximadamente el grado mínimo irre ductible de complicación para un aparato homeostático. Desde abajo, se necesita expe rimentar con poblaciones de moléculas sintéticas, confinadas en gotitas del estilo de Oparin, añadiendo diversas combinaciones de catalizadores y metabolitos hasta lograr un equilibrio homeostático duradero. Si tenemos suerte, podremos descubrir que los experimentos desde arriba y desde abajo muestran algún grado de convergencia. En tanto que convergen, indicarán una vía posible que pudo seguir la vida en su desarrollo original desde el caos hasta la homeostasis. Estas sugerencias para futuros experimentos pueden sonar ingenuas y pueriles a los experimentadores, cuya vida diaria transcurre en constante batalla contra la obstinación de las células y la química reales. No sé cuándo serán factibles los experimentos en la línea que he propuesto. Lo hago con timidez, puesto que soy incapaz de realizar un experimento incluso en mi propio campo de la física. No obstante, ofrezco estas suge rencias con un propósito serio. Si no creyera que estos experimentos son en potencia importantes, no me hubiera aventurado en primer lugar a tratar el origen de la vida. Si un físico teórico tiene algo valioso que aportar sobre los problemas fundamentales de la biología, sólo lo hará a través de sugerencias sobre nuevos tipos de experimentos. Hace medio siglo, Erwin propuso a los biológos que investigaran de forma experimental la estructura molecular del gen; esta sugerencia resultó ser oportuna. Ahora propongo que los biólogos estudien de modo experimental la estructura de la población de siste

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mas homeostáticos de moléculas. Si tengo suerte, esta sugerencia también resultará per tinente. Antes de abandonar el tema de los futuros experimentos, querría añadir algunos comentarios sobre las simulaciones por ordenador. En biología de poblaciones aplicada a animales y plantas, el ordenador es una fuente de datos experimental, al menos tan importante como las observaciones de campo. Las simulaciones por ordenador de la dinámica de poblaciones resultan indispensables para la planificación de las observa ciones de campo y para la interpretación de los resultados. Las simulaciones por orde nador no sólo son más rápidas que las observaciones de campo, sino también más baratas. Todo programa serio de investigación sobre dinámica de poblaciones incluye simulaciones por ordenador por rutina. Debido a que el origen de la vida es un proble ma en la biología de poblaciones de moléculas, en este caso las simulaciones por orde nador también son esenciales. Las simulaciones de la teoría Oparin resumidas por Lancet (Segré y Lancet, 1999) son un buen comienzo, pero aún deben llegar más allá. Ninguno de los modelos incorpora los suficientes detalles de la química como para suministrar un ensayo realista de la teoría. Las simulaciones por ordenador sobre el modelo del origen de la vida del hiperci clo de Eigen, realizadas por Ursula Niesert (Niesert et ai, 1981), revelaron varios pun tos débiles de este modelo. Tal como observó Niesert como resultado de sus simulaciones, los fallos del modelo del hiperciclo son debidos en su mayoría al hecho de que supone que una sola molécula de ARN está llevando a cabo tres funciones dis tintas de forma simultánea. Las tres funciones son: replicarse a sí misma con ayuda de una molécula replicadora a la cual está adaptada de modo específico; transportar un mensaje para promover la síntesis de otra molécula; y actuar como agente para la trans ferencia específica de aminoácidos. Los modelos por ordenador demuestran que las moléculas de ARN tienen una tendencia natural a especializarse. Prefieren realizar una función bien, que tres funciones mal. Esta conclusión no resulta sorprendente. En la ecología natural de las especies, una regla general es que la mayoría de las especies sobreviven haciéndose especialistas. La simulación de Niesert demuestra que la misma regla se aplica a la ecología de las moléculas en el modelo del hiperciclo. Su crítica del modelo nos permite comprenderlo mejor, y quizá mejorarlo. De la misma forma, las simulaciones por ordenador de modelos acerca del origen de la homeostasis deberían mostramos sus errores y ayudamos a sustituirlos por otros mejores. Al igual que el modelo del hiperciclo, es probable que los modelos de homeostasis sean vulnerables a los tres peligros que Niesert describió en su artículo. En cuanto puedan realizarse modelos realistas de poblaciones homeostáticas, las simulaciones por ordenador tal vez revelen una diversidad de otras catástrofes que éstos tengan tendencia a sufrir. Solo cuando hayamos explorado todos los modos posibles de colapso de la homeostasis, tendremos derecho a decir que entendemos el significado de la homeostasis. Las simulaciones por ordenador serán fundamentales para el desarrollo de esta comprensión. En nuestra bús queda de la respuesta a la pregunta de por qué la vida es tan compleja, los experimentos biológicos y químicos y las simulaciones por ordenador deben ir siempre de la mano.


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Las simulaciones por ordenador de la evolución biológica fueron comenzadas hace mucho tiempo por Nils Barricelli, utilizando el ordenador original de von Neumann en Princeton (Barricelli, 1957; Dyson, 1997). Barricelli empezó en 1953, trabajando den tro de las restricciones impuestas por una máquina con una memoria limitadísima y programando directamente en el lenguaje de la máquina porque aún no se había inven tado el lenguaje de la programación. Simuló con éxito la evolución de una ecología de organismos numéricos y observó el origen espontáneo del fenómeno del parasitismo y la simbiosis. Demostró la forma en que la selección darwiniana podía conducir a la evolución de la complejidad a partir de unos comienzos simples. Por desgracia, Von Neumann, que le había invitado a trabajar con su ordenador, abandonó Princeton en 1954 y murió en 1957. Al parecer, von Neumann no se enteró nunca de los resulta dos de Barricelli, que fue ignorado y olvidado tanto por los biológos como por los infor máticos. Su nombre debió de estar en la lista de los predecesores ilustres, pero nunca lo fue. Treinta años después, una nueva generación de informáticos con muchos más recur sos comenzó de nuevo desde donde Barricelli se detuvo, llevando a cabo una diversi dad de simulaciones evolutivas que denominaron «vida artificial». La más parecida a la vida de estas nuevas simulaciones es un programa llamado Tierra, diseñado por Thomas Ray, un biólogo que estudió la ecología de las plantas en una selva real en Costa Rica antes de desviar su atención hacia las ecologías simuladas (Ray, 1994). El programa Tierra demuestra de forma espectacular el fenómeno del «equilibrio intermitente» en la evolución de una ecología artificial. A medida que la evolución se desarrolla con libertad en el ordenador, sucede a menudo que la estructura de la población permanece en un estado de equilibrio aproximadamente constante durante cientos o miles de generaciones, y entonces una mutación provoca la multiplicación rápida de nuevas especies y un súbi to desplazamiento de la ecología hasta un equilibrio. Cada vez que se produce un des plazamiento hasta un nuevo equilibrio, cambian no sólo la morfología de los individuos, sino también los patrones de su comportamiento y de sus relaciones mutuas. Los experimentos de evolución simulada de Barricelli y Ray no se aplican de forma directa al problema del origen de la vida. Comienzan a partir de una criatura diseñada por seres humanos y estudian la manera en que evoluciona su progenie. El objetivo de Ray no es imitar a la vida orgánica, sino desarrollar un nuevo tipo de vida. Utiliza los experimentos con ordenador como herramienta para comprender la naturaleza de la vida en general, no la naturaleza de la vida orgánica sobre la tierra en particular. Dice: «No existen modelos de la vida, sino casos independientes de vida.» El programa Tierra está muy lejos de ser una simulación realista de nada que haya vivido sobre la tierra. Sin embargo, es más realista que los programas de hiperciclos de Eigen y Niesert; al menos incluye algunas de las complejidades de una ecología real. En el futuro, progra mas similares al Tierra avanzarán mucho más lejos en la dirección del realismo, y al final se enfrentarán al formidable problema de simular el origen del metabolismo.

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Los orígenes oríge nes de la vida

Otras preguntas planteadas por el modelo elemental

Voy a volver al modelo elemental del capítulo 3 y a estudiar algunas otras preguntas que formula, pero que no son específicas de este modelo concreto. Se plantearán en cual quier modelo del origen de la vida que incluya poblaciones moleculares que logren un metabolismo y una homeostasis antes de obtener la replicación. Las preguntas tratan no solo del propio modelo, sino de sus implicaciones en el desarrollo posterior de la evo lución biológica. Comentaré de forma breve cada pregunta. Después de veinte años años más de progreso en la investigación biológica, quizás sabremos si son correctas mis res puestas provisionales. ¿Estaban los primeros seres vivos compuestos de moléculas parecidas a proteínas, de moléculas parecidas a ácidos nucleicos, o de una mezcla de ambas?

Ya he comentado mis razones para preferir las proteínas; en parte, porque mi modelo funciona bien con diez especies de monómeros y mal con cuatro especies; en parte, porque los aminoácidos cumplen mejor los requisitos de la química prebiótica que los nucleótidos, y en parte porque me atrae la visión de Margulis del parasitismo como fuerza conductora de la evolución temprana, y me gusta dar el papel de parásitos primitivos a los ácidos nucleicos. Ninguna de estas razones es convincente desde el punto de vista científico. ¿En qué etapa dio paso la deriva genética aleatoria a la selección natural?

El modelo presenta la vida originándose mediante evolución neutra, según las ideas de Kimura (Kimura, 1970,1983). Una población confinada en una célula cruza cruz a el el punto de silla hasta el estado ordenado mediante deriva genética aleatoria. El modelo no per mite actuar a la selección natural, porque no permite que la población en las células aumente o disminuya. Mientras no exista multiplicación y eliminación de células, no puede haber selección natural. Sin embargo, cuando una célula ha alcanzado el estado ordenado, según es definido por el modelo, puede ir más allá de este y pasar pasa r a una nueva fase de evolución, desarrollando nuevas localizaciones para la adsorción y la asimila ción de monómeros desde su entorno. Una célula que aumente su número N de de locali zaciones de adsorción se estabilizará con rapidez frente a la reversión hacia el estado desordenado, porque el tiempo de vida del estado ordenado aumenta de forma expo nencial con N, Puede entonces continuar creciendo, hasta que alguna perturbación físi ca provoque su división. Si se divide en dos células, hay una gran probabilidad de que las poblaciones hijas contengan una variedad suficiente de catalizadores para que ambas permanezcan en el estado ordenado. Los procesos de crecimiento y división pueden continuar hasta que las células comiencen a agotar el suministro de monómeros nutrien tes. Cuando el suministro de monómeros es bajo, algunas células perderán su sustento y morirán. Desde este punto, la evolución será dirigida por la selección natural. En cuanto la selección natural comienza a actuar, cualquier célula que adquiera la destreza de dividirse de modo espontáneo adquirirá una enorme ventaja, en lugar de

Preguntas Pregu ntas sin respuesta

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esperar a que algún proceso externo la rompa en dos, como un oleaje o un flujo turbu lento. En un primer momento, la división espontánea puede ser una consecuencia for tuita de la tendencia a debilitarse de la superficie celular a medida que la célula expande su volumen. En una siguiente etapa, la debilidad de la superficie y la posterior división espontánea se organizarán e integrarán en el ciclo metabòlico de la célula. Las células entonces estarán compitiendo entre sí de una forma darwiniana clara, llevándose el pre mio de la supervivencia las que han aprendido a crecer y dividirse de modo más rápido y fiable. De esta manera, los procesos de la selección natural estarían bien establecidos mucho antes de que las células adquiriesen algo parecido a la maquinaria modema de la división celular. ¿Contradice el modelo el dogma central de la biología molecular?

El dogma central indica que la información genética solo es transportada por los ácidos nucleicos, y no por las proteínas. El dogma resulta cierto para todos los organis mos contemporáneos, con la posible excepción de los agentes priónicos responsables del scrapie y el kuru. Tanto si el prión acaba siendo una verdadera excepción al dogma como si no, mi modelo implica que el dogma es falso para las formas de vida más tem pranas. Según el modelo, las primeras células pasaban información genética a su des cendencia, en forma de catalizadores que quizá eran moléculas parecidas a proteínas. El requisito principal del modelo es que los catalizadores eran similares a las proteínas en complejidad y variedad. No existe una razón lógica por la cual una población de molé culas, que mutuamente catalizan sus síntesis, no puedan actuar como vehículo de infor mación genética. La pregunta de cuánta información genética puede transportar una población de moléculas que no presenta una replicación exacta está ligada con fuerza a la pregunta de la naturaleza de la homeostasis. La homeostasis es la conservación de la arquitectu ra química de una población, a pesar de las variaciones de las condiciones locales y del número de moléculas de diversos tipos presentes. La información genética es transpor tada en la arquitectura, no en los componentes individuales. Pero no sabemos cómo definir definir la arquitectura lii lii cuantificar cuantif icar la homeostasis. Puesto que carecemos carecemos de una com prensión profunda de la homeostasis, podemos utilizar el rudimentario método del capí tulo 3 para calcular cuántos elementos de información genética puede conservar la maquinaria homeostática de una célula. La cantidad de información resulta ser casi igual que la información contenida en un aparato replicador con el mismo número de componentes activos. Los cálculos demuestran que el dogma central no es una necesi dad lógica. En e l mundo moderno es verdadero debido a un accidente histórico: la inva sión de las células primitivas por los ácidos nucleicos. El dogma central no tendría que ser cierto antes de que ocurriera el accidente. Sí parece ser verdad, en el mundo de la química celular y en el de la ecología, que los mecanismos homeostáticos presentan una tendencia general a hacerse complicados, en lugar de sencillos. La homeostasis parece funcionar mejor mejor con una red intrincada de

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Los orígenes oríge nes de la vida

ciclos interconectados, que con un pequeño número de ciclos que actúen por separado. Desconocemos por qué es así. De nuevo volvemos a la pregunta de por qué la vida es tan compleja; pero el predominio de sistemas homeostáticos muy complejos, tanto si conocemos la razón como si no, es un hecho. Nos aporta otra prueba que confirma nues tra conclusión de que grandes cantidades de información se expresan en la arquitectura de poblaciones moleculares, que carecen de un software de ácidos nucleicos y de un aparato para la replicación exacta. ¿Cómo se originaron los ácidos nucleicos?

En el capítulo 2 vimos que los ácidos nucleicos son primos químicos de la molécu la de ATP, que es el principal portador de energía en el metabolismo de las células modemas. Me gusta utilizar esta curiosa coincidencia para explicar el origen de los áci dos nucleicos como una enfermedad que surge en alguna célula primitiva como conse cuencia de un exceso de ATP. La descripción de la evolución de Margulis convierte los ácidos nucleicos, desde su condición original de subproductos indigeribles del metabo lismo del ATP, en agentes de enfermedad, desde agentes de enfermedad en parásitos, desde parásitos en simbiontes, y, por último, desde simbiontes en órganos de la célula integrados por completo. ¿Cómo se desarrolló el aparato aparato genético mode rno?

El aparato genético modemo está ajustado con enorme precisión, y debió evolucionar durante largo tiempo desde unos comienzos sencillos. Tal vez se descubrirán algunas pis tas sobre su historia más temprana cuando se explore la estmctura del ribosoma modemo y se comprenda con detalle. La siguiente secuencia de etapas puede ser una vía posible para el aparato genético modemo, comenzando a partir de una célula que presenta ARN establecido como un parásito celular autorreproductor, pero que no lleve a cabo aún una función genética para la célula: (a) unión no específica del ARN a los aminoácidos libres, activándolos para una polimerización más sencilla; (b) unión específica del ARN a los sitios catalíticos para otorgarles precisión estmctural; (c) el ARN unido a los aminoácidos se transforma en ARN de transferencia; (d) el ARN unido a los sitios catalíticos se trans forma en ARN ribosómico; (e) los sitios catalíticos evolucionan desde un propósito espe cial a un propósito general, utilizando para el reconocimiento el ARN de transferencia en lugar de los aminoácidos; (f) algunas unidades de reconomiento se escinden del ARN ribosómico y se transforman en ARN mensajero; y (g) la estructura ribosómica se exclusiviza a medida que el código genético asume la función de reconocimiento. Esta es solo una de las muchas vías posibles que pudieron conducir a la evolución del código genéti co. La cuestión esencial es que todas parecen ser largas y tortuosas. En mi opinión, la maquinaria metabòlica de las proteínas y la autorreplicación parasitaria de los ácidos nucleicos debieron estar ocupando su lugar antes de que pudiese comenzar la evolución del complejo aparato de traducción que conecta los dos sistemas.


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¿ Cómo de reciente fu e el antepasado com ún más reciente de todas las es pecies vivas?

La universalidad del código genético demuestra que el antepasado común más reciente de todos los seres vivos ya poseía un aparato genético completo del tipo moder no. El registro geológico nos indica que las células existieron desde muy pronto, tanto como hace 3,5 eones. En general, se admite que las células más antiguas que se con servan como microfósiles ya poseían un aparato genético moderno, pero esta suposición no está basada en pruebas concretas. Es posible que la evolución del aparato genético moderno tardara eones en completarse. Los microfósiles antiguos pueden ser de un tiempo anterior a que existiesen los genes y los ribosomas. La velocidad de la evolución pudo acelerarse después de que se estableciera el código genético, permitiendo que se completase el desarrollo desde los procariotas ancestrales hasta las células eucariotas y los organismos pluricelulares en menos tiempo que el invertido desde la célula primiti va hasta el procariota ancestral. Por tanto, es posible que el antepasado común más reciente apareciese de manera tardía en la historia de la vida, quizá tan tarde como a medio camino desde el comienzo. ¿Existe una realización química de mi modelo, po r ejemplo, una poblac ión de unos poco s miles de am inoácidos fo rm ando una asociación de polip éptidos que pu eden cata lizar su síntesis entre sí con un 80% de precisión? ¿Puede esta asociación confinarse en una gotita y obtene r un suministro de energía y materias primas, de tal for ma que se mantenga en un equilibrio homeoestático estable? ¿Ayuda a estabilizar el equilibrio la adición de una superficie sólida, como un cristal de arcilla o una membrana de sulfu ro metálico?

Estas son las preguntas cruciales que solo pueden responder los experimentos. ¿ Qué o currirá con m i peque ño modelo elemental cuando el problema del o rigen de la vida se resuelva po r fin ?

Esta es la última pregunta planteada por mi modelo y puede contestarse con facili dad. La respuesta ya fue ofrecida hace casi doscientos años por mi poeta favorito, William Blake («A Vision of the Last Judgement», Rossetti MS, 1810): «Estar equivocado y ser expulsado en una parte del proyecto de Dios.» Implicaciones más amplias

Al final de su libro What is Life?, Schrödinger introdujo un epílogo de cuatro páginas titulado «Sobre el determinismo y el libre albedrío». En él comenta su punto de vista filosófico personal, su reconciliación entre su comprensión objetiva de la maquinaria física de la vida y su experiencia subjetiva del libre albedrío. Escribe con una claridad

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y economía de lenguaje que pocas veces se ha igualado. No voy a tratar de competir con Schrödinger en resumir en cuatro páginas los frutos de una vida de reflexión filosófica; en su lugar, utilizaré mis últimas páginas para analizar algunas de las implicaciones más amplias de nuestros pensamientos acerca del origen de la vida, no como filosofía per sonal sino abarcando otras áreas de la cienca. Empleo la palabra ciencia en un sentido amplio, incluyendo tanto las ciencias sociales como las naturales. En concreto, voy a considerar la ecología, la economía y la historia cultural. En todas estas áreas nos enfrentamos a la misma pregunta, cuál es la raíz del problema de la comprensión del origen de la vida: ¿por qué la vida es tan compleja? Puede que cada una de estas áreas tenga algo que aprender de las demás. El concepto de homeostasis puede trasladarse sin dificultad desde un contexto molecular a los contextos ecológico, económico y cultural. En todos, se presenta el hecho inexplicable de que los mecanismos homeostáticos complejos son predominan tes y, al parecer, más eficaces que los sencillos. Esto es cierto de manera más espec tacular en el ámbito de la ecología, en el que una comunidad estable típica, por ejemplo unos cuantos acres de bosque o unos pocos metros cuadrados de pradera, incluye miles de especies diversas, con funciones muy especializadas e interdependientes. Pero puede observarse un fenómeno similar en la vida económica y la evolución cultural. La eco nomía abierta de mercado y la sociedad abierta a otras culturas, a pesar de todos sus fallos y deficiencias, parecen poseer una robustez de la que carecen las economías de planificación centralizada y las sociedades cerradas a otras culturas. La homeostasis que proporcionan los planes económicos a 5 años unificados y el control político unificado de la cultura no conduce a una mayor estabilidad de la economía y la cultura. Por el con trario, los mecanismos homeostáticos sencillos, en general, han demostrado ser más frá giles y menos capaces de hacer frente a los choques históricos que los mecanismos homeostáticos complejos del mercado abierto y la prensa sin censura. Pero no pretendo que este libro sea un manifiesto político en defensa de la libre empresa. Mi objetivo al mencionar las analogías entre la homeostasis celular y social no es extraer una moral política a partir de la biología, sino extraer una moral biológi ca a partir de la ecología y la historia social. Por fortuna, puedo reivindicar a la mayor autoridad científica para extraer la moral en esta dirección. Los historiadores de la cien cia saben bien que Charles Darwin, en su desarrollo de la teoría de la evolución, estaba muy influido por su lectura de los economistas políticos, desde Adam Smith hasta Malthus y McCullogh. Darwin dijo sobre la teona: «Es la doctrina de Malthus aplicada a todo el reino animal y vegetal.» Lo que propongo es aplicar, con el mismo espíritu, las doctri nas de la ecología moderna a los procesos moleculares dentro de una célula primitiva. En nuestro presente estado de ignorancia, podemos elegir entre dos imágenes opuestas para representar nuestra opinión de la posible estructura de una criatura que recien emerge en el umbral de la vida. Una imagen es el modelo del hiperciclo de Eigen, con una estructura molecular muy conectada y controlada de forma central, que se replica con considerable precisión y que alcanza la homeostasis mediante una adhesión estrica a un patrón rígido. La otra imagen es el «cúmulo enmarañado» de Darwin, que intro


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dujo el final de El origen de las especies para dar viveza a su respuesta a la pregunta sobre qué es la vida, una imagen de hierbas, flores, abejas y mariposas, que crecen con una enmarañada profusión sin ningún patrón discemible, que alcanza la homeostasis mediante una red de interdependencias demasiado complejas para desenredar. El cúmu lo enmarañado es la imagen que considero cuando intento imaginar el aspecto de una célula primitiva. Pienso en un conjunto de especies moleculares que están enredadas e interconectadas, como las plantas y los insectos en el microcosmos de Darwin. Esta imagen me condujo a pensar en la tolerancia a los errores como principal requisito para un modelo de una población molecular que da sus primeros pasos vacilantes hacia la vida. La tolerancia a los errores es el sello de las comunidades ecológicas naturales, de las economías de libre mercado y de las sociedades abiertas. Creo que fue una cualidad principal de la vida desde el mismo principio. Pero la replicación y la tolerancia a los errores son principios antagonistas de modo natural; por eso intento excluir la replica ción del comienzo de la vida, imaginando las primeras células como una maraña de moléculas no replicadoras tolerantes a los errores, e introduciendo la replicación como una intrusión parasitaria ajena en una etapa posterior. Solo cuando se ha domesticado al intruso extraño, se logra la reconciliación entre la replicación y la tolerancia a los erro res en una síntesis superior mediante la evolución del código genético y el moderno aparato de ribosomas y cromosomas. La síntesis modema reconcilia la replicación con la tolerancia a los errores, esta bleciendo la división de trabajo entre hardware y software, entre el aparato genético y el gen. En la célula modema, el hardware del aparato genético está controlado con gran rigidez y es intolerante a los errores; debe serlo para mantener la precisión de la repli cación. Pero la tolerancia a los errores que me gusta creer no se ha perdido, era inhe rente a la vida desde los comienzos. La carga de la tolerancia a los errores sencillamente se ha transferido al software. En la célula modema, que presenta la infraestructura del hardware establecida en su sitio con firmeza y sometida a un régimen estricto de con trol de calidad, el software es libre de vagar, de cometer fallos y a veces de ser creati vo. La transferencia del diseño estructural desde el hardware hasta el software permitió a los arquitectos moleculares trabajar con una libertad y creatividad a las que sus ante pasados anteriores a la transferencia nunca pudieron acercarse. Una transferencia similar del diseño arquitectónico desde el embrión hasta el adulto provocó tal vez el estallido de novedades evolutivas que denominamos explosión cámbrica. Las analogías entre la evolución genética de las especies biológicas y la evolución cultural de las sociedades humanas han sido estudiadas con brillantez por Richard Dawkins en su libro El gen egoísta (Dawkins, 1976). El libro trata principalmente de la evolución biológica. Las analogías culturales sólo se analizan en el último capítulo. El tema principal de Dawkins es la tiranía impuesta por las rígidas demandas del aparato genético sobre todas las especies biológicas a lo largo de la historia evolutiva. Toda especie es prisionera de sus genes y está obligada a desarrollarse y a comportarse de tal forma que maximice sus probabilidades de supervivencia. Solo los genes son libres para experimentar con nuevos patrones de comportamiento; los organismos individuales

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actúan como les dictan sus genes. Esta tiranía de los genes ha durado 3 eones, y solo en los últimos cientos de miles de años ha sido derrocada de modo precario por una única especie, el Homo sapiens, inventando el lenguaje simbólico y la cultura. Nuestros patro nes de comportamiento están determinados ahora en gran medida por la cultura, en lugar de la genética. Podemos elegir mantener en circulación a un gen defectuoso, por que nuestra cultura nos dice que no debemos dejar morir a los niños hemofílicos. Hemos vuelto a robar de nuestros genes la libertad para elegir y fallar. En su último capítulo, Dawkins describe a un nuevo tirano que ha surgido dentro de la cultura humana para sustituir al antiguo. El nuevo tirano es el «meme», el análogo cultural del gen. Un meme es un patrón de comportamiento que se replica mediante transferencia cultural de individuo a individuo, en lugar de mediante herencia biológi ca. Los ejemplos de memes son las creencias religiosas, los idiomas lingüísticos, las modas en el arte y la ciencia, y en la comida y la ropa. Casi todos los fenómenos de la genética y de la especiación evolutivas tienen sus análogos en la historia cultural, sus tituyendo el meme las funciones del gen. El meme es una unidad de comportamiento auto-replicadora, como el gen. Ambos son igualmente egoístas. La historia de la cultu ra humana nos demuestra que está tan sujeta a la tiranía de nuestros memes, como otras especies lo están a la tiranía de sus genes. Pero Dawkins finaliza su análisis con una lla mada a la liberación. Nuestra capacidad de previsión nos otorga el poder de superar a nuestros memes, al igual que nuestra cultura nos lo dio para superar a nuestros genes. Solo nosotros sobre la tierra, dice, podemos rebelarnos contra la tiranía de los replica dores egoístas. La visión de Dawkins de la situación humana como una lucha prometeica contra la tiranía de los replicadores contiene importantes elementos de verdad. De hecho, somos rebeldes por naturaleza, y su visión explica muchos aspectos de nuestra cultura que de otra forma serían un misterio. Pero su exposición deja fuera a la mitad del relato. Describe la histora de la vida como la historia de la replicación. Al igual que Eigen, cree que el comienzo de la vida fue una molécula autorreplicadora. A lo largo de su historia, los replicadores tienen el mando. En el comienzo, dice, había sencillez. El punto de vista que expongo en estas explicaciones es precisamente el opuesto. En el comienzo, afirmo, había complejidad. La esencia de la vida desde el principio era la homeostasis basada en una red compleja de estructuras moleculares. La vida, por su misma natura leza, es reacia a la simplificación, tanto al nivel de células individuales como de siste mas ecológicos o sociedades humanas. La vida pudo tolerar un aparato molecular de replicación precisa solo mediante su incorporación a un sistema de traducción que per mitía expresar la complejidad de la red molecular en forma de software. Después de la transferencia de la complejidad desde el hardware hasta el software, la vida continuó siendo una compleja red interconectada, en la cual los replicadores eran solo un com ponente. Los replicadores nunca detentaron un mando firme como imaginó Dawkins. En mi versión, la historia de la vida es una música de contrapunto, una invención en dos partes a dos voces, la voz de los replicadores intentando imponer sus fines egoístas sobre toda la red, y la voz de la homeostasis que tiende a maximizar la diversidad de


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estructuras y la flexibilidad de funciones. La tiranía de los replicadores siempre estuvo mitigada por la estructura cooperativa de la homeostasis, más antigua e inherente a todos los organismos. El dominio de los genes es como el gobierno del antiguo Imperio de los Habsburgo: Despotismus gemildert durch Schlamperei, o «despotismo moderado por la flexibilidad». Como abuelo de un par de gemelos idénticos de cinco años, veo todos los días el poder de los genes y los límites de este poder. George y Donald son tan parecidos en el físico, que en la bañera no soy capaz de distinguirlos. No sólo tienen los mismos genes, sino que han compartido el mismo entomo desde el día que nacieron; pero aun así, tie nen mentes diferentes y son personas distintas. La vida ha escapado de la tiranía de los genes desarrollando cerebros con conexiones neuronales que no están determinadas por la genética. La estructura del cerebro en parte está modelada por los genes y el entorno, y en parte es aleatoria. Cuando los gemelos tenían dos años, pregunté a su hermano mayor cómo los distinguía. Dijo: «Oh, es fácil. El que muerde es George.» Ahora que tienen cinco años, George es el que viene corriendo a abrazarme y Donald es el que mantiene la distancia. La aleatoriedad de las sinapsis en sus cerebros es el principio crea tivo que hace que George sea George y Donald sea Donald. Uno de los avances más interesantes de la genética modema es el descubrimiento del «ADN basura», un componente considerable de nuestra herencia genética que no parece tener función biológica. El ADN basura es aquel que no nos beneficia ni nos per judica, solo está realizando un viaje gratis en nuestras células y aprovechando nuestro eficaz aparato replicador. El predominio del ADN basura es un ejemplo sorprendente de la flexibilidad que siempre ha incluido la vida, de una forma u otra. Es fácil encontrar el análogo del ADN basura en la cultura humana. La cultura basura se replica junto con los memes, igual que el ADN basura se replica junto con los genes. La cultura basura es la escoria de la civilización: los anuncios televisivos, el buzoneo indiscriminado por Intemet, la astrologia y la propaganda política. La tolerancia a la basura es una de las características más esenciales de la vida. Sería sorprendente que la primera célula viva no fuera al menos un 25% de basura. En todos los ámbitos de la vida, tanto cultural, económico, ecológico como celular, los sistemas que sobreviven mejor son los que no están ajustados con demasiada preci sión, o los que llevan una gran carga de basura; creo que también debió de ser así en el comienzo. La evolución temprana de la vida con probabilidad también siguió el mismo modelo que el desarrollo del cerebro humano individual, comenzando con un enorme conjunto de conexiones al azar y eliminando poco a poco las conexiones sin sentido, mediante prueba y error. George y Donald son personas diferentes porque empezaron su vida con diferentes muestras aleatorias de basura neurològica en sus cabezas. La eli minación de la basura nunca es completa. Los humanos adultos son solo un poco más racionales que los que tienen cinco años. Demasiada eliminación destruye el alma. Este es el final de mi historia, y me lleva de nuevo al comienzo. He tratado de ima ginar un marco para el origen de la vida, guiado por una filosofía personal que conside ra que la característica principal de la vida es la homeostasis en lugar de la replicación.

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la diversidad en lugar de la uniformidad, la flexibilidad del genoma en lugar de la tira nía del gen, la tolerancia a los errores de la totalidad en lugar de la precisión de las par tes. El marco que he encontrado es un modelo matemático abstracto demasiado sencillo para ser verdadero, pero que incorpora de forma tosca las características cualitativas de la vida que considero esenciales: la libertad de estructuras y la tolerancia a los errores. El modelo encaja en una visión global de la vida y la evolución, que es más relajada que la visión tradicional. La nueva imagen más libre de la evolución está apoyada con fuer za por recientes descubrimientos experimentales en la biología molecular de las células eucariotas. Edward Wilson, que también fue mi ilustre predecesor como conferencian te Tamer en Cambridge (Wilson, 1982), describe la nueva imagen del genoma eucario ta como «una selva con muchos nichos ocupados por una amplia gama de elementos, cuyas partes están en un estado dinámico de cambio». Mi tendencia filosófica me con duce a creer que la imagen de Wilson describe no solo el genoma eucariota, sino la evo lución de la vida a lo largo de todo el camino hasta el comienzo. Sigo manteniendo que la creatividad de las complejas estructuras cuasi-aleatorias es una fuerza conductora de la evolución más importante que la competencia darwiniana de las mónadas replicado ras. Pero la filosofía no es más que palabras vacías, si no es capaz de ser ensayada mediante experimentos. Si mis comentarios presentan algún valor, solo lo tendrán si sugieren nuevos experimentos. Ahora dejo a los investigadores para que intenten con densar algunos hechos sólidos a partir de este aire caliente filosófico.

B ib l io g r a h a

Anderson, P. W., «Suggested model for prebiotic evolution: The use of chaos», en Proc. Nat. Acad, ScL USA, num. 80, 1983, págs. 3386-3390. Barricelli, N. A., «Simbiogenetic evolution processes realized by artificial methods», en Methods, num. 9, 1957, págs. 143-182. Caims-Smith, A. G., Genetic Takeover and the Mineral Origin of Life, Nueva York, Cambridge University Press, 1982. — Seven Clues to the Origin ofLife, Cambridge, Cambridge University Press, 1985. Trad, esp.: Siete pistas sobre el origen de la vida: una historia científica en clave detectivesca, Madrid, Alianza, 1991. Cech, T. R., «The efficiency and versatility of catalytic RNA: Implications for an ARN world» en Gen, num. 135, 1993, págs. 33-36. — y Bass, B. L., «Biological Catalysis by RNA», en Ann. Rev. Biochem., num. 55, 1986, pági nas 599-629. Chyba, C. F. y McDonald, G. D., «The origin of life in the solar system: Current issues», en Ann. Rev. Earth Planet. Sci., num. 23, 1995, págs. 215-249. Davidson, E. H., Peterson, K. J. y Cameron, R. A., «Origin of bilaterian body plans: Evolution of developmental regulatory mechanisms», en Science, num. 270, 1995, págs. 1319-1325. Davies, P., The Fifth Miracle: The Search for the Origin of Life, Londres, Penguin Books, 1998. Dawkins, R., The Selfish Gene, Nueva York, Oxford University Press, 1976. Trad, esp.: El gen egoísta: las bases biológicas de nuestra conducta, Barcelona, Salvat, 1994. Dyson, F. J., «A model for the origin of life», en J. Mol. EvoL, num. 18, 1982, págs. 244-350. — Darwin Among the Machines, Nueva York, Addison-Wesley, 1997. Véase el capítulo 7 sobre Merezhkovsky, Barricelli y Ray. Eigen, M., Gardiner, W, Schuster, P., y Winckler-Oswatitch, R., «The origin of genetic informa tion», en Sci. Am., vol. 4, num. 244, 1981, págs. 88-118. Gajdusek, D. C., «Unconventional viruses and the origin and dissappearance of kuru», en Science, num. 197, págs. 943-960. Gilbert, W, «The RNA world», en Nature, num. 319, 1986, pág. 618. Gold, T, The Deep Hot Biosphere, Nueva York, Springer-Verlag, 1998. — «The Deep Hot Biosphere», en Proc. Nat. Acad. Sci. USA, num. 89, 1992, págs. 6045-6049. Huber, C. y Wáchtersháuser, G., «Peptides by activation of amino acids with CO on (Ni, Fe)S surfaces: Implications for the origin of life», en Science, num. 281, 1998, págs. 670-672. Joyce, G. F, «RNA evolution and the origins of life», en Nature, num. 338,1989, págs. 217-224. Jukes, T, «Oparin and Lysenko», en J. Mol. EvoL, num. 45, 1997, págs. 339-341. Khakhina, L. N., Concepts of Symbiogenesis: A Historical and Critical Study of the Research o f

82


Russian Botanists, L. Merkel (trad.), L. Margulis y M. McMenamin (eds.), New Haven, Yale University Press, 1992. Kimura, M., «Stochastic processes in population genetics», en K. I. Kojima (ed.), Mathematical Topics in Population Genetics, Berlin, Springer-Verlag, 1970, págs. 178-209. — The Neutral Theory of Molecular Evolution, Nueva York, Cambridge University Press, 1983. Margulis, L., Origin ofEucariotic Cells, New Haven, Yale University Press, 1970. Trad, esp.: El origen de la célula eucariota, Madrid, Promociones Publicaciones Universitarias, 1984. — Symbiosis in Cell Evolution, San Francisco, Freeman and Co., 1981. — y Sagan, D., What is Life?, Nueva York, Simon and Schuster, 1995. Trad, esp.: ¿Qué es la vida?, Barcelona, Tusquets, 1996. Merezhkovsky, K. S., Theory of Two Plasms as the Basis o f Symbiogenesis: A New Study on the Origin of Organisms, en ruso, Kazan, Departamento de publicaciones de la Universidad Imperial de Kazan, 1909. Miller, S. M. y Orgel, L. E., The Origins of Life on Earth, Englewood Cliffs, Nueva Jersey, Prentice-Hall, Inc., 1974. Mojzsis, S. J., Arrhenius, G., McKeegan, K. D., Harrison, T. M., Nutman, A. P., y Friend, C. R. L., «Evidence for life on Earth before 3800 million years ago», en Nature, num. 384, 1996, págs. 55-59. Niesert, U., Hamasch, D., y Bresch, C., «Origin of life between Scylla and Caribdis», en J. Mol. Evol, num. 17, 1981, págs. 348-353. Nisbert, E. G., «Archaen ecology: A review of evidence for the early development of bacterial biomes, and speculations on the development of a global-scale biosphere», en M. P. Coward y A. C. Ries (eds.). Early Precambrian Processes, Geological Society Special Publications, num. 95, 1995, págs. 27-51. Oparin, A. I., The Origin o f Life on the Earth, 3“ edición, Ann Synge (trad.), Edimburgo, Oliver and Boyd, 1957. Trad, esp.: El origen de la vida sobre la tierra, Madrid, Tecnos, 1979. Perutz, M. F, «Erwin Schrödinger’s “What is Life?” and Molecular Biology», en M. F. Perutz, Is Science Necessary?, Nueva York, Oxford University Press, 1989, págs. 234-251. Prusiner, S. B., «Novel proteinaceous infectious particles cause scrapie», en Science, num. 216, 1982, págs. 136-144. — «Molecular biology of prion diseases», en Science, num. 252, 1991, págs. 1515-1522. Ray, T. S., «An evolutionary approach to synthetic biology: Zen and the art of creating life», en Artificial Life, num. 1, 1994, págs. 179-209. Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., y Sherringham, J., «A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life», en J. Mol. Evol., num. 39,1994, págs. 231-243. Santoro, S. W. y Joyce, G. F, «A general purpose RNA-cleaving DNA enzyme», en Proc. Nat. Acad. Sei. USA, num. 94, 1997, págs. 4262-4266. Schrödinger, E., What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, Cambridge, Cambridge University Press, 1994. Trad, esp.: ¿Qué es la vida? El aspecto físico de la célula viva, Barcelona, Tusquets, 1998. Segré, D. y Lancet, D., «A statistical chemistry approach to the origin of life», en Chemtracts Biochem. Mol. Biol, vol. 6, num. 12, 1999, págs. 465-480. Spiegelman, S., «An in vitro analysis of a replicating molecule», en American Scientist, num. 55, 1967, págs. 3-68. Timoféeíf-Ressovsky, N. W., Zimmer, K. G., y Delbrück, M., «Über die Natur der Genmutation und der GenstmktuD>, en Nachr. Ges. Wiss. Göttingen, vol. NF 13, num. 6, 1935, págs. 190-245.

Bibliografía

83

Von Neumann, J., «The General and Logical Theory of Automata», conferencia dada en 1948, en L. A. Jeffress (ed.), Cerebral Mechanisms in Behaviour-The Hixon Symposium, Nueva York, JohnWiley, 1951,págs. l-41;yenA. H.Taub (ed.),7. vonNeumann, Collected Works, num. 5, Nueva York, MacMillan, 1961-63, págs. 288-328. Wáchtersháuser, G., «Groundworks for an evolutionary biochemistry: The iron-sulphur world», en Prog. Biophys. Mol. Biol., num. 58, 1992, págs. 85-201. — «The origin of life and its methodological challenge», en J. Theoret. Biol, num. 187, 1997, págs. 483-494. Wilson, E. O., «Remarks quoted by R. Lewin», en Science, num. 216, 1982, págs. 1091-1092. Wright, C. W. y Joyce, G. R, «Continuous in vitro evolution of catalytic function», en Science, num. 276, 1997, págs. 614-617.

indice alfabético

ácido desoxirribonucleico (ADN), 16, 28-29 «ADN basura», 79 ácidos nucleicos, 15-16, 22, 23, 27, 32, 34, 39, 72, 73, 74-75 adenosina monofosfato, 22, 23 adenosina trifosfato, 22, 23 alanina, 28 aminoácidos ARN unido a, 74 en meteoritos, 24 monómeros, versiones de, 51 número de especies de, 56 síntesis, 24, 27-28, 29 Anderson, Philip, 44 antepasado común más reciente, 75 aproximaciones de campo medio, 53, 55 árbol filogenètico, 36 ARN catástrofes, 41-42 como enzima, 66 experimentos, 13, 14, 18, 39,40, 68-69 formas, 16 mensajero, 16, 30, 74 mundo del, 20, 38-39, 41 mutante, 68 parásito, teoría de, 20-24, 31, 41 ribosómico, 16, 20, 30-31, 74 síntesis, 19-20, 22, 40-41 transferencia, 16, 20, 30, 74 y microcristales de arcilla, 43 artrópodos, 46-47 autómata, 16 bacteria, 33, 34 termòfilo, 36, 61 bacteriófagos, experimentos de, 12, 13, 14, 19 Barghoom, E. S., 33 Barricelli, Nils, 71

biología molecular, 12 dogma central, 73-74 Blake, William, 75 Caims-Smith, teoría de, 37, 43-45, 51 caos molecular, 18, 27, 69 catástrofe del ARN egoísta, 41 catástrofe del cortocircuito, 41-42 catástrofe del error, 40-41, 57 Cech, Thomas, 13, 16, 20, 39, 66 células eucariotas, 21, 30-31, 33-34, 46, 80 células procariotas, 22, 33 células, reproducción de, 15, 72-73 cianuro de amonio, 28-29 clorofila, 33 cloroplastos, 21, 30 coacervado, 38 código de tripletes, 12, 30 conjuntos tempranos homeostáticos replicadores (RHEA), 47-48 cordados, 45 creacionismo bíblico, 39 Creutzfeldt-Jakob, enfermedad de, 31 cristal de espín, modelo de, 44 cuasi-especies, 39-41 cuasi-estacionario distribución de la población, 48-49 estados, 50, 54, 58 Curie-Weiss, modelo de campo de, 52, 53 Dawkins, Richard, 77 Delbrück, Max 12, 13, 14, 66 desarrollo embrión-adulto, 45-46, 77 desarrollo indirecto, 45-46 deriva al azar; véase también deriva genética distribución de la probabilidad de la población, 48, 63 divergencia de las especies, 12 doble hélice, descubrimiento de, 12, 39

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indice alfabetico

Eigen, teoría de, 13, 14, 15, 18-21, 25-26, 37-38, 39-42, 44, 45, 47, 57, 66, 6869, 70, 72, 76, 77-79 encelopatía espongiforme bovina, 31 enzima polimerasa, 19, 20 enzima transcriptasa inversa, 20 equilibrio intermitente, 77 erizo de mar, 45 escala de tiempo de la evolución hipótesis del origen doble, 25-26 fecha, 33 especialización, 70 estado de equilibrio, 53 estados desordenados, 49-50, 54, 56, 59 etapa de la evolución geofísica, 27, 35; véase también evolución etapa química de la evolución, 27 experimentos, 23-24, 27-30 Europa, 37 evolución celular, 21-22, 30-32, 50-51, 72-73 evolución cultural, 76-78 evolución darwiniana, 24, 25, 39, 40, 51, 6162, 71, 76-77, 80 evolución mineral, 45 evolución molecular caos, 18, 27, 69 modelos de RHEA, 47 número de especies crítico, 67, 72 teoría general de la, 48 tratamiento estadístico de la, 24, 25, 5256, 67 evolución prebiótica atmósfera neutra, 35-36 atmósfera oxidante, 35 atmósfera reductora, 24, 28, 29, 34-36 biosfera profunda y caliente, 24, 34-37, 44 «pequeña charca templada» de Darwin, 24 «sopa de pollo fría», 61 explosión cámbrica, 45, 77 factor de discriminación de las enzimas, 57 formaldehído, 29 Fox, George, 30 Gajdusek, Carleton, 31 gemelos idénticos, 79

Gen egoísta. El, 77-79 generación espontánea, 13 genética/o código, evolución del, 31, 34, 77 datación, 34 deriva, 25, 42, 51, 62, 72 experimentos de mutación, 13, 14 relevo, 44 vehículos de información, 73-74 glicina, 28 Gold, Thomas, 24, 37 Groenlandia, rocas de, 34 guanina, 24, 28

herencia, 26, 46, 52 hipótesis del origen doble, 17-18 escala de tiempo, 25 molécula original, 20-21 parásito y parasitismo, 21 prión, y, 32-33 síntesis de los aminoácidos, 30 teoría de Caims-Smith, y, 44 homeostasis, 67, 69, 73-74, 76, 78-79 homeostasis económica, 76 hiperciclos, 39, 40, 42, 57, 70, 71, 76 «jardín del Edén», 60, 62 Joyce, G. R, 20 Kimura, Motoo, 24-26, 44, 51, 52, 72 kuru, 31, 32 Lancet, Doron, 38, 47, 70 libre albedrío, 75 Longuet-Higgins, Christopher, 61 Margulis, Lynn, 21-24, 26, 30, 46, 72, 74 Marte, 37 memes, 78, 79 Merezhkovsky, Konstantin, 21 metabolismo analogía de vida y muerte, 54-55 en hiperciclos, 40 modelo, 52, 63 origen del, 21, 63 replicación y, 13-16, 45 significado de, 47-50

índice alfabético microcristales de la arcilla, 43-44, 51, 75 microfósiles, 24, 33, 75 Miller, S. M., 17, 24, 35 mitocondria, 21, 30 «modelo de bolsas de basura», 39 modelo elemental, 47, 75 consecuencias del, 58-65 preguntas planteadas por, 72-75 realización química del, 75 supuestos, 50-58 tamaño poblacional crítico, 67-68 monómeros, 51, 56, 57, 58, 67, 68 mutación, 13, 14, 40, 68, 71 Niesert, Ursula, 41-42, 70, 71 nucleótido afinidad de las secuencias, 30 monómeros, 19-20 polimerización al ARN, 56 síntesis, 24, 27-29, 68, 69 nucleótido de adenina, 23, 24, 28-29 Oparin, teoría de, 37-39, 42, 44, 45, 47, 48, 50-51; véase también modelo elemental organismos multicelulares, 46 organización biológica, 27 orgánulos, 30, 31 Orgel, Leslie, 12, 18-21, 26, 28 Origen de las especies. El, 76-77 Origin ofLife, 38 Oró, 24, 28-29 parasitismo y parásitos, 17, 21-24, 34, 46, 68, 71, 72, 74 péptidos, 57 Perutz, Max, 12 Pitágoras, 61 plásmidos, 31 población biología, 51, 52-53, 69-71 catástrofe del colapso, 41-42 tamaño crítico, 59, 67, 69, 72 polímeros, 51, 62, 68 porfirina, 33 priones, 32-33, 73 programa Tierra, el, 71

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proteínas, 15, 20, 23, 27, 39, 72-74 prueba paleontológica, 33, 45-46 pruebas astronómicas, 35 Prusiner, Stanley, 32 puntos de vista filosóficos, 75-80 Ray, Thomas, 71 replicación errores al azar de, 40 metabolismo y, 13-15, 17, 45 origen de, 66, 68 por cuasi-especies, 40 significado de, 47 tamaño crítico de la población, 69 tolerancia al error, 40-41, 61, 77, 78 reproducción estadística, 39 reproducción molecular, 15 ribosomas, 30, 74 ribozimas, 16, 20, 66 rocas lunares, 34 Russell, M. J., 51 salto estadístico (difusión), 54, 55, 56, 57, 59, 62, 63, 64 Santoro, S. W., 20 Schrödinger, Erwin, 11-15, 16, 17, 26, 69, 75-76 «scrapie», 31 selección natural, 25, 39, 40, 41, 51, 52, 62, 71, 72 simbiogénesis, 21, 22, 46, 71, 74 simulación de «vida artificial», 71 simulaciones por ordenador, 70-72 Spiegelman, Sol, 68 sulftiros metálicos, 36, 44, 51, 60, 67, 75 sumideros de atracción, 49, 54 tamaño poblacional crítico, 59, 67 teoría neutra de la evolución, 24-25 Timoféeff-Ressovsky, N. W., 14 Titán, 37 tolerancia a los errores, 77, 79-80 Tritón, 37 virus, 16, 31 monstruo de Spiegelman, 68-69 von Neumann, John, 15-18, 25-26, 71

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WachtershSuser, teoría de, 44, 51, 61-62 Weizmann, Instituto, 38 What ¡s Life?, 11, 75

Wilson, Edward, 80 Woese, Carl, 30, 33 Wright, C. W, 20-21

TITULOS DE LA COLECCION

Títulos publicados: Richard S. Westfall Isaac Newton: una vida Isaac Newton fue, indiscutiblemente, uno de los grandes científicos de la historia. Sus logros en el terreno de las matemáticas y la física representaron la culminación del movimiento precursor de la ciencia moderna. Este libro reconstruye minuciosamente su vida y su mundo. ISBN 0-521-55589-2 448 págs. Walter Moore Erwin Schrödinger: una vida Erwin Schrödinger, descubridor de la mecánica ondulatoria y premio Nobel de Física, es uno de los más destacados científicos del siglo xx. Este libro entreteje el trabajo científico, el relato biográfico y sus intereses por el misticismo. ISBN 0-521-55593-0 453 págs. Roger Penrose Lo grande, lo pequeño y la mente humana Este volumen proporciona una introducción accesible, esclarecedora y estimulante a la visión de Roger Penrose sobre la futura física teórica del siglo xix. Se resumen y actualizan las originales y controvertidas ideas expuestas en sus populares libros La nueva mente del emperador y Las sombras de la mente, e incluye incisivas contribuciones de Abner Shimony, Nancy Cartwright y Stephen Hawking. En dos apéndices finales el autor explica de forma clara y sencilla, por un lado, el Teorema de Goodstein y el pensamiento matemá tico, y, por otro, nos muestra experimentos para poner a prueba la reducción de estado indu cida gravitatoriamente. Un gran libro escrito por una de las mentes más originales y provocativas de la ciencia. ISBN 84-8323-047-X 160 págs.

Susan Aldridge El hilo de la vida. De los genes a la ingeniería genética Este libro es una cuidada y clara reconstrucción de nuestros conocimientos del genoma humano, una exploración del mundo de la biología molecular y de las posibilidades de transformación y manipulación en la revolución genética de las biotecnologías. No es, sin embargo, un estudio limitado a lo científico, sino que sitúa las teorías en el ambiente cultural de las distintas épocas. ISBN 84-8323-050-X 224 págs. David C. Thomasma y Thomasine Kushner De la vida a la muerte. Ciencia y bioética El frenético avance de la biología en los últimos años ha provocado multitud de cuestiones éti cas. Este libro, dirigido al público en general, pasa revista a los principales avances de los últi mos años en los campos de la biología y la medicina, a la vez que estudia las implicaciones éticas que suponen. En De la vida a la muerte. Ciencia y bioética el lector es guiado en un viaje por la biología humana que abarca: la genética, la reproducción, el desarrollo, los trasplantes, el enve jecimiento, la muerte, así como la utilización de animales con fines científicos y el impacto de la población humana sobre el planeta. Atractiva lectura para todos aquellos que estén interesados o preocupados por los dilemas éticos surgidos a raíz de los avances científicos y médicos. ISBN 84-8323-073-9 416 págs. Frederick Burkhardt Cartas de Darwin (1825-1859) Charles Darwin es una figura clave que cambió la dirección del pensamiento moderno al establecer las bases de la biología evolutiva. Esta recopilación de su correspondencia, que arranca en sus años de estudiante en Edimburgo y acaba con la publicación de su teoría de la Selección Natural, nos ofrece una perspectiva privilegiada desde la que contemplar al hombre en su entorno cotidiano y familiar, siempre entretejido con sus observaciones cien tíficas en las que vemos su gran perspicacia, su humildad y un tesón excepcional. No des taca Darwin por la elegaacia de su prosa, que refleja un espíritu complejo, contradictorio, pero la riqueza expresiva de las cartas nos devuelve una imagen difícil de olvidar que acaba ganando nuestro afecto y admiración al comprobar su implacable voluntad y afán de obser vación, que hicieron de él un revolucionario a su pesar y marcaron un hito en la historia de la Ciencia y de las ideas acerca del hombre y sus orígenes. ISBN 84-8323-074-7 256 págs.

Malcolm S. Longair La evolución de nuestro Universo Una introducción lúcida, no especializada, al estado actual de los conocimientos de la astro nomía y la cosmología. Ilustrada con las más recientes imágenes obtenidas con los telescopios más modernos del mundo, esta obra nos presenta además una panorámica a todo color del Universo. Malcolm Longair nos guía en un asombroso viaje por los resultados más recientes que los astrónomos han obtenido en áreas como el nacimiento de las estrellas, la búsqueda de agujeros negros y de materia oscura, las lentes gravitatorias o las últimas pruebas de la Gran Explosión. Acompaña al texto un claro y completo glosario de términos especializados. ISBN 84-8323-031-3 198 págs.

Milton D. Heifetz y Wil Tirion Un paseo por las estrellas ¿Qué estrella es aquella? ¿Dónde está la Osa Mayor? Es fácil responder a estas preguntas después de leer Un paseo por las estrellas, una bella guía del cielo nocturno. Sus mapas, de sencilla inter pretación, nos bastan para encontrar a simple vista las constelaciones y los caminos de una a otra. Los mitos y leyendas a que hacen referencia sus nombres vienen explicados de forma sucinta y amena, aumentando la fascinación que todos sentimos al contemplar una noche estrellada. No necesitamos equipo para usar esta guía práctica, tan solo nuestros ojos y un cielo despejado. ISBN 84-8323-052-6 88 págs.

Yervant Terzian y Elizabeth Bilson El Universo de Carl Sagan Para bien o para mal, la mente del hombre nunca permanece quieta; cuando levantamos la mirada hacia los vastos horizontes se despierta en nosotros el anhelo de saber, una inquietud de búsqueda. Hombre de ciencia y comunicador excepcional, Carl Sagan fue seguido por legiones de jóvenes de todo el mundo a través de sus clases, conferencias, artículos, libros y series de televisión. Quizá como ningún otro trabajó para que la importancia de la educación cientí fica en el desarrollo personal y colectivo fuera reconocida e impulsada. Los 23 autores que colaboran en este apasionante libro escrito en su honor —ilustrado con láminas bellísimas— nos hablan de la ciencia y exploración planetarias, de la búsque da de vida extraterrestre y del papel de la ciencia en el mundo moderno como escalas del viaje fascinante que Sagan nos invitó a emprender. ISBN 84-8323-075-5 336 págs.

Bruce Jakosky La búsqueda de vida en otros planetas ¿Hay vida en otros planetas? Esta obra ofrece las bases científicas que inducen a pensar que puede existir vida en algún otro lugar del Universo, y la primera que aborda de manera exhaustiva los fascinantes hallazgos de los últimos años, incluidos el descubrimiento de pla netas alrededor de otras estrellas y la posible existencia de vida fósil en los meteoritos pro venientes de Marte. Bruce Jakosky evita el empleo de terminología técnica para ofrecer un texto científico pero muy divulgativo, que incluye numerosas ilustraciones y aborda los temas más relevan tes de la materia, como el origen y las condiciones medioambientales para que se dé la vida, la posibilidad de que haya vida en otro lugar del Sistema Solar, la existencia de planetas alrededor de otras estrellas y sus condiciones de habitabilidad, y la probabilidad de que haya vida extraterrestre inteligente. ISBN 84-8323-081-X 352 págs.

Próxim a aparición G. Caims-Smith

La evolución de la mente

Jayant V. Narlikar Las siete maravillas del cosmos

P. J. B. Slater

El comportamiento animal

308376433-Dyson-Freeman-J-Los-Origenes-de-La-Vida.pdf

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