Aproximación al concepto de ser vivo

El estudio de los seres vivos se inició en la antigüedad, centrándose en varios aspectos distintos: el conocimiento del hombre, con el fin de curar las enfermedades, el estudio de las plantas y animales útiles para la agricultura y la ganadería, y la relación entre el hombre y la muerte.

A pesar de esos orígenes remotos la Biología en sí es una ciencia joven: la propia palabra no se utiliza por primera vez hasta el siglo XVIII, y solo se hace popular cuando Lamarck la define en una de sus obras como "la teoría de los cuerpos vivos".

También es Lamarck quien introduce el concepto de "ser vivo" como una categoría diferente a la de "objeto inerte". Antes de los escritos de Lamarck se consideraba que existía un cambio gradual entre minerales, plantas y animales, división que ha llegado incluso hasta nosotros, y que supone que la diferencia entre plantas y animales es similar a la que hay entre plantas y minerales. Lamarck introduce el concepto de unidad de los seres vivos, y con él la idea de una diferencia fundamental entre lo vivo y lo inerte.

Sin embargo, más de doscientos años después del nacimiento oficial de la Biología, seguimos sin tener una definición precisa y aceptada universalmente del concepto de vida, o del propio objeto de estudio de esta ciencia: los seres vivos. 

Es probable que esta dificultad en definir a los seres vivos y a la propia vida se deba a que sus límites son un tanto borrosos; a día de hoy, ni siquiera los biológos se han puesto totalmente de acuerdo en si los virus son o no seres vivos. Tampoco hay un consenso general en si la vida es una propiedad que puede definirse de forma universal o solo en referencia a entidades de nuestro propio planeta, los únicos seres vivos que actualmente conocemos; si encontráramos vida extraterrestre, ¿seriamos capaces de encontrar suficientes características comunes con los seres vivos que conocemos como para incluirlos en una misma categoría?

Los conceptos "borrosos" son bastante frecuentes, y suelen ser difíciles de definir. Por ejemplo, no resulta sencillo distinguir entre un juego y un deporte. Ludwig Wittgenstein, un filósofo alemán del siglo XX, propuso que la forma de delimitar estos conceptos es utilizar la misma estrategia que aplicamos normalmente para decidir si dos personas son familia: valorar si entre ellas hay un "parecido suficiente".  Por tanto, la forma de aproximarse a una definición de ser vivo es tratar de describir todas las características que los organismos tienen entre sí.

Los seres vivos son sistemas

La ciencia suele utilizar "marcos de referencia" que dan sentido a sus teorías. En la actualidad, uno de los paradigmas científicos más utilizados es la Teoría General de Sistemas (TGS), que considera que muchos entes complejos, a los que llama sistemas, tienen características comunes y pueden ser estudiados del mismo modo.

Un sistema es, simplemente, un conjunto de elementos relacionados entre sí. Para la TGS los sistemas se caracterizan porque establecen una relación dinámica con el entorno que los rodea: captan materia y energía del exterior (recursos) y desprenden otras formas de materia y energía (residuos), proceso durante el cual ocurren en su interior ciertas transformaciones, en particular cambios de unas formas de energía a otras y procesos de utilización de la materia y de la energía.

Todos los sistemas tienen ciertas características comunes, que deben ser estudiadas para comprender su funcionamiento:

• Composición: determinada por las sustancias químicas que los forman.
• Estructura: elementos de los que están formados.
• Organización: disposición de sus elementos, y las relaciones que se establecen entre ellos.
• Función: actividad del sistema, es decir, el tipo de transformaciones que lleva a cabo.

La organización de los sistemas, es decir, el conjunto de relaciones e influencias que se establecen entre sus elementos, pueden proporcionarles la capacidad de mantenerse en equilibrio frente a cambios en el ambiente, adaptándose a dichos cambios. Esto hace que algunos sistemas posean propiedades (como la capacidad de autorregularse) que no corresponden a ninguno de sus elementos, y que reciben el nombre de propiedades emergentes. Una frase común que describe esta característica es la afirmación de que "el todo es mayor que la suma de sus partes".

Es posible estudiar los seres vivos en función de la teoría general de sistemas. Según esto, todos los seres vivos son sistemas, porque son conjuntos de elementos relacionados entre sí, y diferenciados del entorno que les rodea.

• Los organismos se relacionan con su ambiente, intercambiando con él materia y energía (son sistemas "abiertos").
• Intercambian información con el entorno, modificando su actividad para adaptarse a esos cambios mediante sistemas de retroalimenación (son sistemas "cibernéticos" y "adaptativos", porque pueden mantener su equilibrio interno, su homeostasis).
• Poseen "memorias" en las que almacenan información acerca de su propia composición, estructura y funcionamiento (son sistemas "históricos").
• Pueden mantener y reparar sus elementos a partir de los recursos que consiguen de su ambiente, y son capaces de replicarse, dando lugar a otros sistemas similares a ellos (son sistemas autoorganizados).
• Están sometidos a cambios aleatorios que pueden modificar su "adaptación" al entorno que les rodea (son sistemas "evolutivos").

 Todas estas características se dan simultáneamente en todos los seres vivos, pero no aparecen a la vez en otros sistemas naturales no biológicos. Además, son independientes de la composición química concreta de los organismos y de su estructura, de modo que podrían considerarse características universales de cualquier posible ser vivo.

Los seres vivos que conocemos

Además de las características "universales" todos los seres vivos que conocemos tienen otras características comunes:

• Composición química: todos los seres vivos están formados por los mismos tipos de compuestos químicos, diferentes de los que forman la materia inerte.
• Estructura: todos los organismos poseen una estructura común, que es capaz de realizar todas las funciones que caracterizan al individuo en su conjunto y que contiene toda su información genética: estructura celular.
• Recursividad: los seres vivos son sistemas complejos, formados por partes que son, a su vez, sistemas. Esta complejidad se repite en varios niveles (niveles de organización).

Los organismos tienen partes complejas, formadas a su vez por otros elementos que también son sistemas complejos. Los elementos tienen una estructura determinada, que se manifiesta en una forma tridimensional precisa. Las diferentes partes de los individuos juegan un papel en la supervivencia del mismo, tanto a escala macroscópica como microscópica, y se relacionan entre sí de forma dinámica y regulada. La función de cada parte está relacionada con su estructura, lo que diferencia a la biología de otras ciencias.

Los seres vivos también se caracterizan por participar muy activamente en procesos de transformación de la energía. El estado vivo se caracteriza por un intenso flujo de energía, que mantiene a los organismos en desequilibrio termodinámico con su entorno, de modo que el equilibrio solo se alcanza cuando el organismo muere. Durante su vida, para mantenerse en un estado estable necesitan obtener continuamente energía de su entorno, actividad que llevan a cabo mediante estructuras específicas.

Del mismo modo, todos los organismos poseen estructuras específicas para captar información del entorno y responder a ella.

Organización, recursividad y niveles de organización de los seres vivos

 La organización es una característica de ciertos sistemas que consiste en que sus elementos se disponen ordenadamente y actúan de modo coordinado, lo que les permite realizar un determinado fin o función. La organización depende de la estructura del sistema, es decir, del conjunto de elementos que lo forman, y de las relaciones que se establecen entre esos componentes.

Los seres vivos son sistemas recurrentes o recursivos: cada organismo está formado por elementos que son, a la vez, sistemas. Esta complejidad estructural se repite varias veces, de modo que cada tipo de sistema constituye un nivel de organización.

Los niveles de organización son, por lo tanto, los diferentes grados en los que se puede apreciar la organización de la materia viva, dando lugar a la aparición de propiedades emergentes.

Los niveles de organización fundamentales de la materia viva son los que tienen capacidad de regular su funcionamiento de forma autónoma y de adaptarse por sí mismos a los cambios de su entorno:

• Los ecosistemas son conjuntos complejos que pueden alcanzar estados de equilibrio dinámico entre sus diferentes componentes y que evolucionan conjuntamente como consecuencia de cambios ambientales.
• Los organismos o individuos son entidades autónomas, capaces de realizar por sí mismos las funciones que caracterizan al estado vital. Están sujetos a evolución mediante selección natural.
• Las céulas pueden ser individuos completos por sí mismos, o formar parte de organismos pluricelulares como entidades autónomas desde el punto de vista funcional.

Más allá del ciclo celular: Vida y muerte de la célula

Muchas veces el estudio de la vida de la célula se centra en lo que hemos dado en llamar el ciclo celular. Desde este punto de vista podemos llegar a tener la impresión de que cualquier célula vive eternamente, permanentemente ocupada en recuperarse de un proceso de división celular para entrar, a continuación, en una nueva mitosis que dará lugar a nuevas células hijas dispuestas a repetir el proceso hasta el infinito.

Sin embargo, esta visión está a enorme distancia de la realidad. En un organismo pluricelular, en particular en los animales, el número y el tamaño de las células se regulan para permitir que el organismo en su conjunto funcione adecuadamente. Para conseguir este control, no solo es necesario que se tomen decisiones acerca de cuándo una célula debe dividirse, sino que también deben eliminarse aquellas células que ya no son necesarias para el conjunto, para lo cual existen mecanismos fisiológicos de muerte celular programada.

Dividirse o no dividirse...

No todas las células de un organismo se dividen de forma repetida. De hecho, muchas de ellas lo hacen unas pocas veces, o incluso ninguna. Desde esta perspectiva pueden diferenciarse tres grandes categorías celulares dentro de un individuo: las células lábiles son las que atraviesan sucesivos ciclos de división. Suelen encontrarse en tejidos sujetos a un importante deterioro, como la epidermis o las mucosas de los aparatos digestivo y respiratorio, y sus continuas divisiones tienen como finalidad remplazar a las que han sido eliminadas en el seno del mismo tejido. En el otro extremo del abanico se encuentran las células permanentes. Se trata de células muy especializadas, como las musculares o las nerviosas, que han perdido totalmente (o casi totalmente) la capacidad para reproducirse. Entre ambos tipos se encuentran las células estables, que constituyen la mayor parte de los tejidos de un organismo. Las células permanentes y las estables se encuentran en la fase G0 del ciclo celular, aunque siguen manteniendo la capacidad de dividirse, lo que hacen después de que se haya producido una agresión con el resultado de muerte de otras células de su entorno. La entrada en mitosis de las células estables o permanentes está regulada, y solo se produce cuando estas células reciben ciertos estímulos externos, los llamados factores mitógenos.

 Hay otra perspectiva interesante que considerar: la capacidad potencial de las células de seguir ciclos de división que den lugar a otras células, similares a ellas o más diferenciadas. Desde este punto de vista, las células de un organismo se pueden clasificar en tres tipos: células madre, células precursoras y células diferenciadas. Las células madre totipotentes son capaces de autorrenovarse indefinidamente y de dar lugar a la formación de células de diferentes tipos si reciben los estímulos adecuados. Las células precursoras (o progenitoras), tienen carácter pluripotente. Estas células pueden dar lugar a otras similares a ellas mismas, pero esta capacidad de renovación es solo temporal. Por otra parte, también son capaces de dar lugar a algunos tipos celulares diferentes a ellas mismas, aunque solo a unas cuantas estirpes distintas. Por último, las células diferenciadas solo pueden dividirse un número limitado de veces y que son unipotentes, porque sus divisiones dan lugar a un solo tipo celular. En general, las divisiones dan lugar a células idénticas a las progenitoras, pero también puede ocurrir que las células hijas sean algo más especializadas que las progenitoras, pero siempre pertenecen a la misma estirpe celular que las células originales.

La historia de la familia

Las células adultas del organismo son el producto de una línea ininterrumpida de divisiones celulares que las relaciona directamente con el cigoto a través de una serie de células que son sus "antepasadas" y que constituyen su estirpe celular.

El cigoto es una célula particular desde el punto de vista de su ciclo vital. Se trata de una célula totipotente, porque va a dar lugar a todos los tipos celulares del organismo, pero que no puede autorenovarse, ya que su división da lugar a dos células diferentes a ella. Los productos de las primeras divisiones del cigoto son igualmente células totipotentes: las ocho primeras células formadas en el desarrollo embrionario del ratón tienen capacidad para generar, cada una de ellas, un ratón completo si son separadas de forma natural (gemelos monocigóticos) o artificial.

Este tipo de células reciben el nombre de células madre embrionarias, y se caracterizan por mantener permanentemente su capacidad de autorenovación (mediante divisiones celulares simétricas) y por poder originar todos los tipos celulares del organismo, en presencia de los factores de crecimiento y diferenciación adecuados. Cuando el embrión de ratón sufre una división más (en el estadío de 16 células), se pierde esa totipotencia absoluta, de modo que la separación de los elementos ya no permite generar embriones completos. Se habla entonces de células madres de potencial restringido.

Las células madre con potencial restringido, cuando se dividen, lo hacen de modo asimétrico: una de las células conserva su capacidad totipotente, contribuyendo al mantenimiento del número de células madre en el órgano del que forman parte, pero la otra se transforma en una célula precursora. Las células precursoras son pluripotentes, lo que significa que  solo pueden dar lugar a un número limitado de estirpes celulares. Su capacidad de reproducción también es limitada, de modo que, incluso en las mejores condiciones, solo pueden sufrir un cierto número de ciclos de división, al cabo de las cuales mueren. Este número de divisiones máximo queda "fijado" en las células que derivan de esta precursora, de modo que en generaciones sucesivas el número de ciclos reproductivos se va reduciendo progresivamente, aun cuando las células se cultiven en medios "frescos" (libres de otras células) y con todos los factores de crecimiento posibles. Este proceso de envejecimiento recibe el nombre de senescencia celular.

La presencia en el entorno de las células precursoras de ciertas sustancias (factores de crecimiento) hace que éstas sigan procesos de división asimétrica, que van a dar lugar a células más diferenciadas que sus progenitoras. El proceso puede ser complejo, incluyendo la intervención de diferentes combinaciones de estas sustancias que dan lugar a la aparición de diferentes tipos celulares para cada combinación de factores. Un ejemplo típico es la hematopoyesis, en la que a partir de un único tipo celular pueden formarse todos los tipos de células sanguíneas gracias a la presencia de diferentes factores de crecimiento, que interaccionan entre sí de un modo bastante complicado.

¿En qué fase del ciclo está...?

Aún recuerdo la ocasión en que le pregunté a mi profesor de Citología acerca de la fase del ciclo en la que se encuentra una célula que no va a volver a dividirse. La respuesta, como me merecía, fue otra pregunta: "¿En qué mes del embarazo está una mujer que no está embarazada?". A continuación, no perdió la oportunidad de hacer un juego de palabras para redondear la explicación: "El ciclo celular is not a cycle, is a bicycle".

Al salir de una mitosis, la célula entra, en principio, en una fase G1. Sin embargo, para que esta etapa avance es necesario que el medio le proporcione determinados factores de crecimiento producidos por las células que la rodean. Si esto no ocurre, la célula inicia un periodo denominado G0 que en muchos textos es definido como una fase de quiescencia.

No existen diferencias morfológicas ni estructurales entre las células que se encuentran en G1 y las que están en G0. Más aún, en respuesta a los estímulos adecuados la célula quiescente puede activarse, pasando a una fase G1 y siguiendo el ciclo hacia el proceso de división. Este es el mecanismo que se produce cuando una célula diferenciada de un tejido debe dividirse para reemplazar a otra que ha muerto.

Sin embargo, sí que existen diferencias bioquímicas entre ambos periodos. La tasa de síntesis de proteínas es considerablemente más baja en las células que se encuentran en G0, ya que no tienen la necesidad de crecer rápidamente, y también son distintos los genes que se expresan. En concreto, las proteínas reguladoras del ciclo celular (quinasas dependientes de ciclinas, por ejemplo). También parece haber diferencia en las variantes de las histonas que se expresan en ambas fases, en relación con las funciones reguladoras de la expresión génica que realizan estas proteínas.

Envejecimiento celular

 Las células que se dividen activamente llegan a alcanzar un estado que se denomina senescencia celular. Parece bien establecido que la entrada en esta fase se debe al acortamiento de los telómeros de los cromosomas: los extremos terminales de los cromosomas están constituidos por un gran número de repeticiones de una secuencia rica en G+C, que no se replica normalmente en los periodos S del ciclo celular. En vez ello, en cada replicación del ADN quedan sin copiar entre 50 y 200 pares de bases, con lo que los telómeros se van acortando progresivamente.

En las células germinales este acortamiento es compensado por la acción de una enzima, la telomerasa, que añade el fragmento que falta, pero en las células no totipotentes no se expresa la telomerasa, por lo que los telómeros van reduciendo su tamaño. Cuando alcanzan un tamaño crítico (unos 4-6 Kb frente a una longitud normal de 10-15 Kb) la célula deja de replicarse y adquiere características morfológicas y fisiológicas diferentes. Ha alcanzado el periodo de senescencia.

Las células senescentes pueden distinguirse por su aspecto característico: suelen presentar una morfología aplanada y alargada, mostrando la formación de focos de heterocromatina en el núcleo y la acumulación de gránulos de lipofucsina, un pigmento marrón-dorado compuesto por lipoproteínas y que se forma en los lisosomas como resultado de la oxidación de los ácidos grasos insaturados.

Otra característica importante de las células senescentes es que incrementan su actividad secretora, vertiendo a su entorno cantidades considerables de diferentes proteínas, mayoritariamente con actividad proteolítica o, en general, hidrolítica, además de compuestos que desencadenan respuestas inflamatorias en el tejido circundante (citoquinas) y algunos factores de crecimiento. Se ha sugerido que estas sustancias podrían alterar el funcionamiento del tejido, e incluso serían responsables de ciertas efermedades, entre las que se han propuesto la arteriosclerosis o la psoriasis.

La causa fisiológica más habitual de la senescencia celular es el acortamiento de los telómeros, pero hay otros fenómenos que también pueden provocarla, como los daños en el ADN o las respuestas erróneas de la célula a los factores de crecimiento y proliferación que recibe.

La muerte celular

El funcionamiento normal de un organismo pluricelular puede requerir, en ciertas ocasiones, la muerte de algunas de sus células como un mecanismo más que contribuya a mantener su homeostasis. En ciertos casos, será necesario que las células dañadas sean eliminadas, para que su funcionamiento incorrecto no perjudique al resto, mientras que en otras ocasiones, incluso, la muerte celular puede ser imprescindible para que prosiga el propio desarrollo del individuo, como es el caso de la metamorfosis de los insectos, o la individualización de los dedos durante el desarrollo embrionario de mamíferos. Por eso no es extraño que las células posean, en su programación genética, mecanismos que den lugar a su propia desaparición, mediante lo que se ha dado en llamar muerte celular programada o, de un modo un tanto más literario, suicidio celular programado.

Apoptosis en el desarrollo embrionario de los dedos

 De hecho, existen diferentes mecanismos de muerte celular programada, que se desencadenan cuando la célula atraviesa distintas circunstancias. El más conocido de todos ellos es la apoptosis, que se produce durante los periodos de desarrollo, pero las células también pueden morir siguiendo mecanismos bioquímicos diferentes, tales como la necrosis, o la catástrofe mitótica. Los genes y las proteínas implicadas en cada caso son diferentes, como también lo son los procesos celulares que se desencadenan y el aspecto de las células que mueren.

Atendiendo a las causas que pueden provocar la muerte de las células nos encontramos, en primer lugar, con la muerte programada que tiene lugar durante un proceso de desarrollo. En este caso, el mecanismo celular que tiene lugar se conoce como apoptosis, neologismo derivado del griego que significa "caída de". La apoptosis se desencadena como resultado de la acción de factores estimulantes, procedentes del exterior de la célula, que se unen a receptores específicos situados en la membrana plasmática, a los que se da el nombre de "receptores de muerte".  La transducción de esta señal provoca la activación de un conjunto de proteínas denominadas caspasas. Se trata de enzimas proteolíticas que están presentes en la célula en forma inactiva, y que responden a un mecanismo de regulación en cascada. A lo largo de la apoptosis, en el núcleo el ADN se fragmenta y se forman gránulos de heterocromatina, mientras que en el citoplasma la estructura de los orgánulos se conserva, pero la célula se divide en burbujas ("blebs") que encierran los diferentes elementos celulares. Finalmente, los blebs son eliminados por el sistema inmunitario del organismo.

Cuando la célula sufre falta de nutrientes se desencadena en ella un proceso llamado autofagia. En el citoplasma se forman sistemas de doble membrana que envuelven a los orgánulos formando vesículas que posteriormente se fusionan con los lisosomas, dando lugar a unos cuerpos que reciben el nombre de autofagosomas. En su interior, las proteasas de los lisosomas destruyen los orgánulos atrapados. Simultáneamente a este proceso (macroautofagia) se produce también la digestión de los componentes solubles del citoplasma (microautofagia).

Realmente la autofagia no es un mecanismo de muerte celular, sino un procedimiento que permite el reciclaje de los componentes celulares. Sin embargo, si la falta de nutrientes se mantiene, o si los mecanismos de apoptosis fallan, la autofagia sí puede desembocar en la destrucción irreversible de la célula.

La muerte celular también puede deberse a errores en el funcionamiento de la propìa célula. En particular, la división celular es un momento delicado y muy controlado de la vida de la célula, y si en uno de los puntos de control del ciclo se detecta un error se desencadena un mecanismo específico de muerte celular: la catástrofe mitótica. En este caso se produce micronucleación y plurinucleación, es decir, el núcleo se rompe en múltiples fragmentos más pequeños.

Por último, cuando la célula sufre algún tipo de daño tanto interno (fallos metabólicos o genéticos, por ejemplo) como externo (choque osmótico, hipoxia...) acaba produciéndose un proceso de necrosis, diferente de la apoptosis y que sigue mecanismos moleculares diferentes. Los orgánulos se deforman, especialmente las mitocondrias y el retículo. La célula aumenta su volumen, y se incrementa la presión interior hasta que la membrana plasmática acaba por estallar. A diferencia de lo que ocurre en la apoptosis, en la necrosis no se produce la formación de heterocromatina ni la rotura del ADN.

En realidad, el panorama de la muerte celular es más complejo. Se han descrito otros mecanismos menos habituales (paraptosis, piroptosis, mitoptosis...) y queda por comprender correctamente el papel fisiológico que juegan cada uno de los mecanismos, y su relación con diferentes enfermedades, en particular con el cáncer. Lo que sí está claro es que el envejecimiento y la muerte de las células son una parte sustancial de la vida de los organismos pluricelulares.

Evolución prebiótica y origen de la vida III: LUCA y el árbol de la vida

LUCA

La identificación de los Archaea como un grupo de seres vivos diferente tanto de los eucariotas como del resto de los procariotas (Bacterias) dio un vuelco significativo a la sistemática de los seres vivos, y llevó a proponer la existencia de un organismo primitivo a partir del cual podrían haber evolucionado, casi en paralelo, los tres grandes dominios en los que actualmente se dividen los seres vivos: Bacterias, Arqueas y Eucariotas. Carl R. Woese, el mismo investigador que resituó a los Arqueas en el árbol de la vida, propuso para este organismo ancestral el nombre de LUCA (Last Universal Common Ancestor). Desde entonces, se ha tratado de identificar las características de este organismo hipotético siguiendo dos enfoques distintos: estudiar los organismos actuales, para observar cuáles son sus características más primitivas, que serían compartidas por LUCA, y partir de los aspectos bioquímicos y moleculares que debería cumplir este organismo, teniendo en cuenta los probables procesos que lo habrían originado. Algunas estimaciones ubican la aparición de LUCA hace unos 3.000 millones de años.

La caracterización de LUCA es objeto de controversia, de modo que no se tiene demasiado claro, siquiera, si su genoma estaba formado por ADN o por ARN. De hecho, incluso se discute si existió alguna vez un antepasado común a todos los organismos, o si LUCA era, en realidad, una "comunidad" que intercambiaba libremente material genético en su seno.

Uno de los principales puntos de discusión acerca de la naturaleza de LUCA se ha centrado en si este organismo era o no termófilo. La cuestión tiene cierta importancia, porque un LUCA termófilo podría estar relacionado con las surgencias oceánicas en las que, presuntamente, se habría originado la vida. A pesar de que la hipótesis resulta interesante, parece ser que los últimos datos indican que LUCA era más bien un organismo mesófilo (es decir, adaptado a temperaturas no demasiado altas).

También resulta problemático saber cuál de los tres dominios evolucionó antes a partir de LUCA. Una primera aproximación podría hacer pensar que los procariotas (arqueas y bacterias) se separaron tempranamente de los eucariotas, pero más bien parece ser que los eucariotas y los arqueas mantienen características comunes que los hacen estar más emparentados entre sí que con las bacterias.

Los estudios sobre LUCA están siguiendo varios caminos diferentes, que proporcionan resultados que, frecuentemente, son poco consistentes entre sí. Por una parte, se estudia la distancia entre los genes más antiguos y mejor conservados de los organismos actuales, y por otra se estudia la evolución de proteínas ortólogas y parálogas. Las proteínas parálogas son las proteínas de un mismo organismo que proceden de un gen ancestral común, que se duplicó y dio origen a secuencias ligeramente diferentes, que acabaron por tener funciones distintas, mientras que las ortólogas son las proteínas de diferentes organismos que tienen un origen y una función común.

La combinación de todos estos estudios ha permitido llegar a la conclusión de que el último antepasado común de todos los seres vivos pudo ser un organismo con un genoma formado exclusivamente por ARN, seguramente heterótrofo, probablemente capaz de llevar a cabo procesos similares a la glucolisis anaerobia que le proporcionarían energía química y adaptado a condiciones termófilas o incluso psicrófilas. Por último, casi se podría asegurar que filogenéticamente LUCA pertenecería al grupo de los Archaea.

Después de LUCA

Esa descripción del último antepasado común de todos los organismos plantea varias dificultades evolutivas que deben ser resueltas: ¿Cómo y por qué se produjo la transición del ARN al ADN? ¿Cuándo y cómo surgieron los organismos autótrofos? ¿Por qué, si LUCA era un arquea mesófilo la inmensa mayoría de los arqueas actuales son termófilos o incluso hipertermófilos?

Se ha propuesto una hipótesis, el "Hot Cross Scenario" (que podría traducirse como escenario de la encrucijada térmica) que trata de responder todas esas preguntas simultáneamente. Según esa idea, LUCA habría sido, efectivamente, un organismo mesófilo, pero que ocuparía un hábitat cercano a las surgencias oceánicas, que le proporcionarían energía y, sobre todo, nutrientes. Estos organismos competirían, evidentemente, por conseguir la mayor cantidad de recursos posible, lo que significaba acercarse hacia las surgencias propiamente dichas, incrementando su resistencia a las altas temperaturas, lo que explicaría el origen de las adaptaciones termófilas. En ese proceso también pudo jugar un papel fundamental la transición de ARN a ADN: el ADN es mucho más resistente a la temperatura que el ARN, de modo que los organismos con este polímero tendrían ventajas significativas sobre los que presentaran solo ARN.

Los arqueas presentan una gran diversidad de rutas metabólicas autótrofas, mayoritariamente quimiosintéticas, que podrían haber evolucionado en los ambientes termófilos y ricos en una gran variedad de sustancias químicas de las surgencias. Asimismo, estos organismos, entre los que se encuentran los metanogénicos, habrían estado a salvo de las catástrofes ambientales que bien pudieron ocurrir durante esa época: el bombardeo meteorítico podría haber elevado la temperatura del agua, permitiendo solo la supervivencia de los termófilos, mientras que la metanogénesis les habría permitido sobrevivir a posibles edades de hielo.

Los organismos hipertermófilos de las surgencias, basados en ADN y con el código genético universal actual, pudieron después reconquistar las zonas más frías, más alejadas de las surgencias, aprovechando la mayor resistencia de su genoma, tanto a los cambios ambientales como a las mutaciones.

La diversificación de los tres dominios

Si LUCA queda englobado dentro del grupo de los arqueas, queda por explicar la diferenciación de los otros dos dominios, bacterias y eucariotas. Se ha propuesto que las bacterias pudieron evolucionar a partir de las arqueas por "termorreducción", es decir, como resultado de un proceso de adaptación a temperaturas elevadas. Este primitivo grupo de termófilos habría dado lugar a todos los grupos actuales de bacterias, gracias a una radiación adaptativa. En uno de esos subgrupos habrían aparecido los procesos fotosintéticos, primero anoxigénicos y más adelante la fotosíntesis oxigénica, en un grupo relacionado con las actuales cianobacterias.

En cuanto a la aparición de los eucariotas, la situación es algo más confusa. Al analizar las características del genoma de los eucariotas se encuentra que este dominio posee genes de tipos diferentes: un grupo de genes guarda estrecha relación con los genes homólogos presentes en los arqueas, mientras que otro grupo de genes eucariotas está mucho más relacionado con los genes de las bacterias. Queda aún otro conjunto de genes de origen desconocido, muchos de ellos exclusivos de los propios eucariotas. En concreto, los genes "arqueanos" son los que se ocupan fundamentalmente de las funciones relacionadas con la conservación y la transmisión de la información genética,  mientras que los genes "bacterianos" codifican, prioritariamente, proteínas implicadas en funciones metabólicas, relacionadas con la síntesis de membrana o con estructuras celulares. Por otra parte, todos los eucariotas actuales poseen mitocondrias bien desarrolladas, o estructuras derivadas, por degradación, de esas mitocondrias (hidrogenosomas, mitosomas). A su vez, las mitocondrias guardan una estrecha relación con un tipo de bacterias, de forma que todas se consideran derivadas de una estructura celular que se ha dado en llamar α-proteobacteria simbionte.

Esto ha llevado a proponer que los eucariotas derivan de un proceso de simbiosis entre una bacteria primitiva, posiblemente la α-proteobacteria y otro organismo, si bien en esto hay una considerable controversia: mientras que algunos investigadores niegan la necesidad de recurrir a la fusión de genomas, en algunos casos recurriendo a la posibilidad de transferencia horizontal de genes (es decir, paso de genes de un organismo a otro no emparentado filogenéticamente con él), o simplemente suponiendo que existió un eucariota primitivo con las características propias de este grupo, otros difieren en la naturaleza de ese otro organismo; para unos, fue un arquea, mientras que para otros pudo ser un "proto-eucariota" al que han dado el nombre de arqueozoon, que habría desaparecido por completo posteriormente.

En todo caso, lo que todos los investigadores aceptan es que en la evolución de los eucariotas se produjeron, al menos, dos procesos de evolución mediante endosimbiosis: la adquisición de las mitocondrias, por absorción de la α-proteobacteria, y la de los cloroplastos por absorción de una cianobacteria oxigénica. Estos dos procesos están íntimamente relacionados con la presencia creciente de oxígeno en la atmósfera, causada por la preponderancia de la fotosíntesis oxigénica. Esta facilidad para la simbiosis por absorción posiblemente tenga relación con una diferencia básica entre las membranas de "procariotas" y las de eucariotas: mientras que las membranas de los procariotas se han especializado en el desarrollo de sistemas proteicos de bombeo de protones, que se acoplan a la generación de energía, en los eucariotas se han desarrollado canales de calcio relacionados con los procesos de endocitosis.

La imagen refleja la posible explicación dada por De Duve al proceso de formación del sistema endomembranoso de los eucariotas. Un posible organismo heterótrofo digiere sus nutrientes extracelularmente con la ayuda de enzimas secretadas por ribosomas asociados a la membrana (a). La invaginación reversible de estas y la formación de vesículas de membrana permite la internalización del proceso digestivo, seguida de la posterior excreción de los residuos (b). Estas vesículas primitivas combinan las características de los endosomas, los lisosomas y el retículo endoplásmico rugoso. Las membranas asociadas a ribosomas migran hacia el interior de la célula (c), formando un proto-retículo endoplásmico rugoso que segrega su contenido en vesículas endocíticas, transformándolas en lisosomas en los que tiene lugar la digestión, en parte intracelular y en parte extracelular (exocitosis). El proto-Golgi, diferenciado a partir del retículo endoplásmico (d), selecciona las enzimas digestivas, separando las que deben incorporarse a las vesículas endocíticas de los auténticos productos de secreción.

Referencias:

- Chen, I. & Walde, P.: From Self-Assembled Vesicles to Protocells. http://cshperspectives.cshlp.org/content/2/7/a002170.full.html#ref-list-1. Consultado el 1/12/2011
- de Duve, Ch.: "The origin of eukaryotes: a reappraisal". Nature Reviews Genetics 8, 395-403 (May 2007).
- Glansdorff, N.; Xu, Y. & Labedan, B.: "The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution
and genetic legacy of an elusive forerunner". http://www.biology-direct.com/content/3/1/29. Consultado el 15/12/2011. 
- Mathebula, D. et al.: "Last Universal Common Ancestor". http://www.stats.ox.ac.uk/__data/assets/pdf_file/0008/5957/LUCAslides.pdf. Consultado el 10/12/2011.
- Szathmáry, E. et al.: "Evolutionary Potential and Requirements for Minimal Protocells". Top Curr Chem (2005) 259: 167–211.
- Schrum, J.P. et al.: "The Origins of Cellular Life". http://cshperspectives.cshlp.org/content/2/9/a002212.full.html#ref-list-1. Consultado el 1/12/2011.

- Wong, J.T.F & Lazcano, A.: "Prebiotic evolution and Astrobiology". Landes Bioscience, 2009.
- Yutin, N. et al.: "The Deep Archaeal Roots of Eukaryotes". http://mbe.oxfordjournals.org. Consultado el 16/12/2011.

Evolución prebiótica y origen de la vida II: de las vesículas a las células

Vesículas y protocélulas

La separación entre los sistemas bioquímicos y su entorno, proceso que recibe el nombre de compartimentalización, es un paso fundamental para la formación de los seres vivos: los organismos poseen un metabolismo que solo es posible mientras sus componentes no se mezclen con el entorno, captando de él los sustratos que necesite y eliminando de su interior, es decir, excretando, aquellas sustancias que puedan resultar tóxicas. Además, la compartimentalización ofrece la posibilidad de mantener próximos entre sí todos los recursos necesarios para el funcionamiento de un organismo.

Se han propuesto varias soluciones posibles para el problema de cómo comenzó el proceso de compartimentalización. Algunos autores han sugerido que los primeros complejos de moléculas con características "biológicas", es decir, capaces de replicarse y con funcionalidad catalítica, pudieron adsorberse sobre complejos minerales, en particular sobre cristales de arcilla. Estos minerales presentan la curiosa característica de que sus cristales pueden crecer manteniendo su estructura y, básicamente, su composición, pueden adsorber de su entorno una gran cantidad de moléculas diferentes, y pueden incluso dividirse manteniendo sus características, por lo que se podría hablar incluso de "reproducción".

Se desconoce si las arcillas pudieron jugar algún papel en la evolución de los seres vivos, aunque son un buen candidato para explicar la asociación de macromoléculas más primitivas. En todo caso, todos los  organismos actuales poseemos membranas lipídicas, por lo que es necesario explicar su origen.

Las membranas lipídicas que forman parte de los seres vivos actuales están formadas, mayoritariamente, por fosfolípidos. Sin embargo, estos compuestos son muy difíciles de sintetizar en experimentos in vitro, y no se han encontrado en fuentes extraterrestres. Por el contrario, los ácidos grasos, que también tienen carácter anfipático, han sido encontrados tanto en meteoritos como en las surgencias oceánicas.

Para concluir que los ácidos grasos pudieron formar vesículas membranosas a partir de las cuales evolucionaran las protocélulas estas sustancias deberían ser capaces de cumplir varias características:

1. Formar vesículas espontáneamente: los ácidos grasos pueden formar de modo espontáneo tanto micelas como bicapas que encierren en su interior un entorno acuoso, siendo estas últimas las estructuras que podrían servir como precursor de las protocélulas. La formación de un tipo de estructura u otra depende de varios factores, entre otros el pH, y en la práctica se da un equilibrio entre las dos formas.
2. Posibilidad de que las vesículas mantengan un metabolismo interno. Se han realizado experimentos que demuestran la posibilidad de que vesículas autoensambladas de ácidos grasos contengan en su interior enzimas funcionales. Por ejemplo, se ha podido conseguir que moléculas de una enzima, una polinucleótido fosforilasa, queden atrapadas en el interior de vesículas de ácidos grasos a partir de un medio que contenía ambos elementos. Al añadir ADP a la muestra, éste llega hasta el interior de la vesícula, donde es transformado en poli-Adenina. Esta molécula, a diferencia del ADP, no puede atravesar la membrana vesicular, y se mantiene en su interior.
3. Capacidad de estas vesículas de autorreproducirse. En este aspecto pudo jugar un papel importante el equilibrio entre micelas y bicapas cuando los ácidos grasos están en un medio acuoso. En una mezcla de estas características, se ha observado que las bicapas "absorben" a las micelas, aumentando su tamaño hasta un valor crítico. Al alcanzarlo, se rompen dando lugar a vesículas más pequeñas. Se ha podido demostrar que el proceso que tiene lugar es éste, y no la formación directa de vesículas a partir de micelas, porque se ha conseguido seguir el rastro del contenido de las vesículas originales en las "hijas" producidas a partir de ellas.

 

Las protocélulas

Entre las vesículas con capacidad metabólica y autorreproductora y las células propiamente dichas debieron aparecer estructuras intermedias, que se han denominado protocélulas. Las protocélulas no serían propiamente seres vivos, porque no habrían tenido todas las características de los organismos, aunque sí bastantes de ellas, motivo por el que se las considera sistemas infrabiológicos.

Se considera que las protocélulas viables en una fase temprana de la evolución deberían poder cumplir una serie de requisitos, que aproximaran sus características a las de los seres vivos:

1. Deben poder sintetizar en su interior, delimitado por una membrana, un polímero portador de información, capaz de autorreplicarse mediante un proceso de copia guiado por molde (replicador).
2. Los monómeros necesarios para la síntesis del replicador deben proceder del exterior, y deben poder atravesar la membrana.
3. Debe estar presente una fuente de energía externa.
4. La variabilidad heredable de los replicadores debe afectar a la eficiencia del metabolismo de la protocélula, permitiendo la selección natural.
5. La membrana debe ser capaz de crecer, ya sea por incorporación directa de moléculas externas o por conversión de precursores adecuados.
   
6. Las protocélulas deben ser capaces de reproducirse.
7. La catálisis, la replicación y el crecimiento deben estar bien sincronizados.

Un sistema formado por vesículas de ácidos grasos y ARN en su interior cumple ya algunas de esos requisitos, como la capacidad de mantener metabolismo interno (1), de internalizar compuestos que actúen como precursores metabólicos (2), de crecimiento (5) y reproducción (6).

En cuanto a la disponibilidad de una fuente de energía externa, se han descrito posibles sistemas de captación de energía, pero resulta tremendamente interesante un fenómeno observado en vesículas de ácidos grasos y que deriva exclusivamente de sus propiedades físico-químicas. Cuando estas vesículas se encuentran en un medio con ácidos grasos libres, son capaces de crecer incorporando esas moléculas a su estructura. Al hacerlo, algunos de los ácidos grasos captados sufren momivientos flip-flop que permiten su paso a la hoja interna de la bicapa, pero esos movimientos provocan, a la vez, la entrada de protones al interior de la vesícula. Este transporte es asimétrico, porque los protones no pueden abandonar la vesícula, de modo que se genera un gradiente quimiosmótico de protones entre el exterior y el interior de la estructura.

El interés de este proceso está en que la formación de un gradiente de protones entre los dos lados de una membrana es un proceso universal de obtención de energía química por parte de las células, incluyendo lo que ocurre en procesos metabólicos tan fundamentales como la respiración celular o la fotosíntesis, de modo que este fenómeno podría haber sido el origen de un mecanismo universal de captación de energía química que luego habrían conservado todas las células.

Por otra parte, en relación con la posibilidad de que estas vesículas puedan sufrir un proceso de selección natural, hay otra característica fisicoquímica de las vesículas de ácidos grasos que resulta también de interés: la velocidad de crecimiento de estas vesículas es directamente proporcional a la presión osmótica de su interior, que a su vez depende de la cantidad de moléculas que contiene. En otras palabras, las vesículas con replicadores más eficaces, aquellas en las que el ARN interno se copia a mayor velocidad, también crecen y se dividen más rápidamente, por lo cual "predominan en la población" de vesículas presentes en el entorno. Es, precisamente, el mecanismo de selección natural.

Quedaría, pues, por conseguir que las vesículas de ácidos grasos cumplieran el último requisito: una buena sincronización entre los procesos de catálisis (metabolismo), crecimiento y replicación, pero esto es más un resultado del proceso evolutivo que una condición que estas estructuras deban cumplir: las vesículas mejor coordinadas serían las favorecidas desde el punto de vista evolutivo.

Evolución hacia la célula

El paso más importante en la evolución de estas vesículas formadas por ribozimas (y su correspondiente metabolismo hasta las células tal y como las conocemos en la actualidad fue, sin duda, la aparición de las proteínas y del proceso de traducción. No se sabe a ciencia cierta cual pudo ser el mecanismo evolutivo que  hizo posible la aparición de las proteínas, un conjunto de moléculas totalmente nuevo que sustituyó por completo a las ribozimas que dirigían su síntesis, aunque se ha propuesto una hipótesis interesante: la de su papel inicial como cofactores.

Algunas de las ribozimas presentes en las vesículas pudieron empezar a utilizar los aminoácidos presentes en el medio como cofactores para llevar a cabo las reacciones que catalizaban. Esto podría haber supuesto una ventaja evolutiva, ya que en ese momento en el ambiente podía encontrarse una mayor diversidad de aminoácidos que de nucleótidos. Cofactores más complejos, formados por varios aminoácidos en lugar de por uno solo, habrían proporcionado ventajas adaptativas, gracias a su mayor eficacia catalítica, de modo que los complejos ribozima-péptido habrían ido evolucionando en la dirección de incrementar el tamaño de los péptidos.

Paralelamente, el propio proceso de la traducción (es decir, la correspondencia entre nucleótidos y aminoácidos) se habría visto favorecido por la selección natural, al garantizar que los cofactores peptídicos se acoplaran en cada generación a las mismas ribozimas, manteniendo la ventaja que proporcionaban a las protocélulas de la generación anterior..

Uno de los atractivos de esta hipótesis es que es congruente con el fenómeno conocido como "triple convergencia": el hecho de que los aminoácidos que han podido ser sintetizados en procesos in vitro son los mismos que se han encontrado en muestras procedentes del espacio y, a la vez, los mismos que formarían el "código genético primitivo". Las primeras ribozimas con cofactores peptídicos habrían utilizado solo estos aminoácidos, y el código genético habría ido evolucionando a partir de ellos. Existe una propuesta coherente para explicar la evolución desde este código genético primitivo hasta el actual, incluso se conocen relativamente bien los pasos que pudieron sucederse para que fuera posible la incorporación de nuevos aminoácidos, en general derivados químicamente del grupo inicial.

Estos protoorganismos debieron ser, por lo tanto, heterótrofos que encontraban en su entorno los elementos necesarios para añadirlos a su propia estructura, ya que un organismo autótrofo no tendría por qué ver limitado el número y el tipo de aminoácidos presentes en sus moléculas.

En esta fase, por tanto, las "protocélulas" estarían constituidas por una vesícula de membrana en cuyo interior aparecerían varias moléculas de ARN capaces de replicarse. Una vez replicadas, sufrirían modificaciones postranscripcionales, consistentes en la asociación con aminoácidos, de un modo cada estable y repetitivo. Esta relación entre aminoácidos y ribozimas habría dado lugar al código genético primitivo.

Cada una de estas protocélulas podría contener unos cuantos genes. Es imaginable que fueran posibles los procesos de fusión entre protocélulas, con la aparición de un cierto tipo de "presexualidad" que permitiera la combinación de características, de modo que las protocélulas con mejores capacidades metabólicas irían siendo seleccionadas de entre la población.

Estas ribozimas transformadas en genes de ARN darían lugar, cabe suponer, a péptidos de pequeño tamaño, posiblemente de unas pocas docenas de aminoácidos cada uno. La evolución posterior hacia genes de tamaño mayor podría haberse producido por fusión de estas moléculas originales. Esta hipótesis es congruente con la estructura genética de los eucariotas, con genes interrumpidos por secuencias no codificantes (intrones).  De hecho, muchos autores consideran que en un gen eucariota los exones representan "minigenes", correspondientes a diferentes unidades estructurales de las proteínas. Según eso, cada exón correspondería a un protogen ancestral, que se habría unido a otros mediante intrones.

La aparición del ADN como molécula de almacenamiento de la información genética no supone ningún problema desde el punto de vista teórico, ya que esta molécula puede ser considerada como una modificación "menor" del ARN: bastan dos simples cambios estructurales (la eliminación de un grupo hidroxilo en la pentosa, para formar desoxirribonucleótidos y la metilación del Uracilo) para obtener una molécula de ADN a partir del ácido ribonucleico. Las protocélulas con esta "copia de seguridad" de su información genética tuvieron, sin duda, ventajas adaptativas. Además, el ADN es una molécula mucho más estable que el ARN, y su mecanismo de replicación va implícito en su estructura.

La célula mínima

Resulta bastante evidente que incluso las bacterias, las células más simples que pueden encontrarse en la actualidad, son mucho más complejas que las primeras células que pudieran considerarse propiamente como tales. Por esa razón muchos investigadores están tratando de establecer cuáles son los elementos mínimos que serían necesarios para formar una célula funcional. En esos estudios se han utilizado varios enfoques: partir de un conjunto de requisitos bioquímicos hasta conseguir un modelo suficientemente complejo o partir de un organismo, "simplificando" aquellos genes que no parezcan imprescindibles. Incluso se ha "construido" un organismo artificial partiendo de un genoma sencillo ("¿Hemos creado vida artificial?").

Las conclusiones de esos estudios son que incluso la célula más sencilla debió presentar un amplio conjunto de genes, correspondientes a diferentes maquinarias fundamentales de la célula:

1. La maquinaria de replicación del ADN.
2. Un sistema, al menos rudimentario, de reparación del ARN.
3. La maquinaria de transcripción completa.
4. Un sistema de traducción al menos casi completo.
5. Sistemas que permitieran el procesamiento, el plegamiento, la secreción y la degradación de proteínas.
6. La maquinaria para la división celular.
7. Un sistema básico de transporte de nutrientes...

Algunas estimaciones sugieren que este número mínimo imprescindible de genes podría situarse en torno a los 200. Hay autores, sin embargo, que posponen la aparición del ADN a un momento posterior en la evolución, sosteniendo que el último antecesor universal común a todos los organismos (LUCA) aún poseía solo ARN en su genoma. Esto, evidentemente, simplificaría los requisitos de esta célula originaria. Además, en lugar de considerar que se trataba de una única especie, en el sentido en el que entendemos actualmente este término, estos autores proponen que en realidad existía una comunidad de organismos con capacidad para intercambiar entre sí material genético (transmisión horizontal de genes).

Evolución prebiótica y origen de la vida I: evolución molecular

La aparición de las primeras formas de vida sobre la Tierra es uno de los problemas que más ha interesado a los biólogos desde hace siglos y, con toda seguridad, seguirá siendo un problema abierto aún durante mucho tiempo. La falta de registros fósiles de épocas tan antiguas hace que el estudio de este proceso tenga que basarse exclusivamente en evidencias indirectas y extrapolaciones, que dejan mucho margen de error posible y permiten múltiples interpretaciones.

Aunque siguen siendo muchos los hechos que se desconocen, se empiezan a tener algunas ideas relativamente claras. Por una parte, algunas evidencias geológicas han retrasado la aparición de la vida hasta un momento más antiguo de lo que se creía hace algunas décadas, hasta hace unos 3.900 millones de años de modo que el periodo de evolución prebiótica, más largo, resulta más verosimil. También se ha mejorado mucho en el conocimiento de las condiciones geológicas y ambientales de nuestro planeta, y de la geoquímica de cometas y asteroides, que pudieron tener un papel importante en la aparición de las primeras moléculas orgánicas.

Algunos aspectos de la evolución prebiótica van siendo establecidos poco a poco, mientras que otros siguen siendo objeto de profundas controversias. Así las cosas, el panorama actual está configurado por una amplia gama de hipótesis, en su mayor parte apoyadas por una evidencia relativamente débil.

En cualquier caso, es ampliamente aceptado que la evolución prebiótica tuvo que cumplir ciertos requisitos:

1. Se trata de un proceso evolutivo, regido por los principios de la Selección Natural.
2. Necesariamente, esta evolución tuvo que atravesar ciertos pasos, cuyos resultados observamos en los organismos actuales:
1. Formación de las moléculas orgánicas.
2. Adquisición, por parte de algunas de esas moléculas, de funciones características de la vida: capacidad catalítica, capacidad para almacenar y transmitir información.
3. Asociación coordinada de esas moléculas y de las funciones realizadas por ellas en sistemas "discretos", es decir, separados de su entorno.
4. Aparición de las primeras protocélulas.

La Tierra primitiva

En la actualidad conviven dos grandes tendencias teóricas relacionadas con el posible origen de la vida en nuestro planeta: las que consideran que todo el proceso tuvo lugar en la Tierra y las que opinan que cuerpos exteriores (meteoritos o cometas) pudieron jugar un papel significativo en la formación o evolución, al menos, de las sustancias químicas necesarias para la aparición de la vida. En cualquier caso, para ambos grupos de teorías sigue siendo fundamental conocer las condiciones ambientales que se daban en nuestro planeta cuando empezaron a sintetizarse los primeros compuestos orgánicos.

Los modelos originales acerca de la síntesis abiótica de sustancias orgánicas (el clásico experimento de Miller y Urey que consiguió sintetizar aminoácidos en presencia de una fuente de energía a partir de sustancias inorgánicas) suponían que la composición de la atmósfera primitiva de la Tierra debió ser muy reductora. Con los datos que se poseen en la actualidad, parece bastante improbable que esto fuera realmente así. Más bien se considera que el vapor de agua debió ser el componente mayoritario de esa atmósfera primitiva, junto a una considerable cantidad de dióxido de carbono. Sin embargo, sí que parece posible que existiera también una cierta cantidad de metano (entre 10 y 100 ppm). La presencia de este gas es particularmente importante, porque sus reacciones desencadenadas por la luz pueden dar lugar a la formación de HCN y H₂CO, compuestos que pueden intervenir en la síntesis de aminoácidos, glúcidos y ácidos nucleicos. Esta composición debió ir variando paulatinamente durante algunos cientos de millones de años: la descomposición del metano dio lugar a hidrógeno, que escaparía de la atmósfera, y por reacción con otras sustancias, a CO₂. Este gas, por su parte, iría desapareciendo de la atmósfera a medida que se incorporaba a la composición de las rocas carbonatadas. En cuanto a la presencia de oxígeno, este gas se forma en ciertas reacciones que pudieron tener lugar en una atmósfera como la descrita, pero no pudo acumularse en la atmósfera debido a que reaccionaría con las sustancias reducidas emitidas por los volcanes.

Por otra parte, el clima en la era Arcaica (periodo geológico durante el cual se produjo la evolución prebiótica) fue también un factor fundamental para la aparición de la vida. Durante esta época la temperatura tuvo que ser, forzosamente, suficientemente elevada para permitir las reacciones de síntesis orgánicas. Esta necesidad se enfrenta al llamado "problema del Sol joven frío": por aquel entonces nuestro Sol emitía un 30% menos de energía que en la actualidad, lo que habría provocado una temperatura excesivamente baja, congelando todo el planeta e impidiendo la evolución química. Posiblemente, la temperatura pudo mantenerse dentro de los márgenes apropiados para la vida gracias al efecto invernadero producido, en primer lugar, por los gases presentes en la atmósfera original (CH₄, CO₂) y, a medida que éstos se iban consumiendo, por la acción de los organismos vivos, en particular de los metanógenos.

La aparición de las primeras moléculas orgánicas

Uno de los principales puntos de discusión en el ámbito del origen de la vida es la formación de las primeras sustancias orgánicas. Existen dos grandes tendencias: la de quienes suponen que tales moléculas se originaron en nuestro planeta, posiblemente en entornos muy concretos caracterizados por temperaturas elevadas, presencia de agua y minerales y energía química abundante, y la de quienes piensan que esas condiciones son muy improbables, y que tales sustancias pudieron llegar a la Tierra como consecuencia del choque de cometas o meteoritos. Hay evidencias indirectas a favor de ambas hipótesis: las surgencias oceánicas, por ejemplo, son buenos candidatos para la formación de compuestos orgánicos, y se han encontrado sustancias de esta naturaleza (aminoácidos, glúcidos, nucleótidos...) en cometas y meteoritos. Por otra parte, nada indica que las dos ideas sean incompatibles entre sí, lo que ha favorecido que últimamente se vaya imponiendo una teoría "sincrética".

De acuerdo con esta idea, la vida podría haber surgido en un tipo de ambientes muy concreto, denominado "FAIR" (Fire And Ice Reactors). Un entorno FAIR estaría constituido por una zona de lagunas intermareales, situada en una región subpolar, suficientemente cálida como para no estar permanentemente congelada, pero suficientemente fría como para permitir, periódicamente, el contacto entre agua y hielo. En esa zona debería producirse mezcla entre agua dulce, por ejemplo procedente de la lluvia, y agua marina, para dar lugar a un gradiente iónico que permitiera la solubilización de los fosfatos y ciertos tipos de reacciones químicas.

Resultaría necesaria también la presencia de fumarolas y aguas termales, que proporcionarían un flujo abundante de minerales, entre ellos arcillas. Por último, la caída en la zona de meteoritos o cometas podría representar otra fuente de materia orgánica.

Podría parecer que se trata de condiciones tan restrictivas que hacen muy improbable la existencia de tales zonas. Sin embargo, incluso en la actualidad pueden encontrarse ámbitos como estos FAIR en zonas como la península de Kamchatka, Alaska o Islandia, y cabe suponer que en el pasado, sin la competencia colonizadora de otros organismos, pudieron resultar mucho más frecuentes.

Los procesos de síntesis de biomoléculas debieron dar lugar a varios tipos de sustancias que luego serían necesarias para dar lugar a los primeros seres vivos:

• Aminoácidos: diferentes estudios demuestran que en las condiciones ambientales descritas se pudieron llegar a formar hasta diez de los aminoácidos presentes en las proteínas. Curiosamente, esos mismos aminoácidos se han podido encontrar en la composición de los meteoritos y son, además, los que forman parte del código genético primitivo que aún puede rastrearse en los organismos actuales. Este fenómeno, denominado triple convergencia, sugiere que los primeros organismos pudieron utilizar solo esos aminoácidos en sus proteínas.
• Nucleótidos: la síntesis abiótica de las bases nitrogenadas es posible en las condiciones ambientales que se supone que existían en la era Arcaica, pero la formación de nucleótidos parece ser un proceso bastante más difícil, por lo que se ha sugerido que las primeras moléculas informativas no fueron los ácidos nucleico, sino algunos compuestos parecidos a ellos a partir de los cuales pudieron evolucionar. 
• Lípidos: los lípidos anfipáticos son elementos fundamentales de las membranas y, por lo tanto, esenciales para la evolución de las células. Los restos extraídos de un famoso meteorito, el de Murchison, contenían lípidos anfipáticos que, al ser mezclados con agua, formaron espontáneamente vesículas lipídicas. También se ha podido demostrar la posibilidad de que lípidos anfipáticos de este tipo se produzcan en las surgencias oceánicas.

Un motivo de discusión en torno a este periodo evolutivo es la necesidad de la catálisis para que estas reacciones tengan lugar. Teniendo en cuenta la baja probabilidad de que estos procesos ocurren, y la velocidad extremadamente lenta a la que suceden en ausencia de catalizadores, parece bastante probable que los sistemas de catálisis aparecieran muy temprano en el proceso evolutivo.

Otra de las cuestiones importantes en esta fase fue la fuente de energía que permitió, en primer lugar, la propia síntesis de moléculas orgánicas y más adelante que los sistemas prebióticos pudieran llevar a cabo reacciones endotérmicas necesarias para desarrollar su metabolismo. Aunque hay varios candidatos posibles para actuar como fuentes de energía, todas ellos presentan puntos débiles que los hacen improbables por sí mismos como sistema de suministro energético para esta etapa de la evolución, por lo que se ha sugerido que los primeros sistemas prebióticos pudieron utilizar una combinación de varias de estas fuentes energéticas disponibles a su alrededor:

En una primera fase, moléculas de polifosfato como las que se producen en las aguas termales pudieron proporcionar energía para la síntesis de nucleótidos trifosfato que formaran el ARN o alguna molécula relacionada. Los experimentos que recrean las condiciones arcaicas parecen demostrar que la adenina es la base nitrogenada que más fácilmente se forma, lo que explicaría que el ATP sea la molécula más utilizada por todos los organismos como moneda energética. En esta fase pudo producirse un acoplamiento entre reacciones metabólicas exotérmicas que implicaran ácidos orgánicos y aminoácidos, compuestos seguramente abundantes y polímeros de nucleótidos que serían los primeros sistemas replicadores, por lo que la cantidad de cadenas de nucleótidos pudo crecer bastante rápidamente.

El paso de la "sopa de moléculas" a los siguientes niveles de organización prebióticos pudo resultar bastante complicado. Antes de poder ser considerado célula, un sistema biológico primitivo tuvo que reunir al menos tres características complejas incluso por separado: presencia de membrana, capacidad de replicación y metabolismo. Las membranas permiten que los "protoorganismos" actúen como unidades estructurales separadas de su entorno, la capacidad de replicación proporciona la posibilidad de conservar y transmitir la información necesaria para organizar estructural y funcionalmente el organismo y el metabolismo hace posible dicho funcionamiento, proporcionando los elementos constituyentes y la energía necesaria.

De las tres características, la membrana es la más fácil de adquirir: las membranas lipídicas pueden formarse espontáneamente a partir de moléculas fáciles de sintetizar, o procedentes de meteoritos. Además, es posible imaginar otros mecanismos para mantener asociadas las moléculas necesarias para la replicación y el metabolismo. Por ejemplo, se ha propuesto que las arcillas y otros sistemas minerales pudieron jugar ese papel en fases tempranas de la evolución prebiótica.

En cambio, resulta muy difícil imaginar que la capacidad de replicación y la actividad metabólica pudieran evolucionar por separado: los elementos de una ruta metabólica no podrían haberse autoorganizado, ni tendrían capacidad para evolucionar, mientras que la formación de un conjunto de replicadores funcional, sin ninguna ventaja metabólica, resulta altamente improbable. De este modo, lo que parece más probable es que ambas capacidades evolucionaran simultáneamente, de forma que el proceso consistiera en la selección metabólica de un conjunto de replicadores, posiblemente formados por ARN o por alguna sustancia similar.

El mundo de ARN

Los sistemas biológicos actuales funcionan gracias a la interdependencia de ácidos nucleicos y proteínas: los ácidos nucleicos almacenan y transmiten la información necesaria para sintetizar las proteínas, mientras que las proteínas son necesarias para la replicación de los ácidos nucleicos. Parece evidente que los primeros sistemas biológicos tuvieron que ser más sencillos, de modo que inicialmente debieron contar solo con uno de estos dos tipos de moléculas. El problema de cuál de los dos tipos de moléculas apareció antes no se resolvió definitivamente hasta que se descubrió que algunos ARN tenían, además, capacidad catalítica (ribozimas).

El proceso hipotético que dio lugar a un mundo de ARN pudo ser el siguiente: en primer lugar, debió tener lugar la formación de nucleótidos a partir de precursores más pequeños. La unión de los nucleótidos para formar cadenas debió tener lugar en presencia de catalizadores, pero dado que por esa época no existían las proteínas, es posible que ese papel lo desempeñaran iones metálicos.

Las cadenas de nucleótidos con capacidad catalítica son de tamaño considerable. Su formación pudo tener lugar por adición de nucleótidos individuales o por unión de cadenas más cortas, pero finalmente algunas de esas cadenas debieron adquirir la capacidad para replicarse a sí mismas sin necesidad de intervención enzimática. Esta capacidad permitió tanto incrementar la capacidad catalítica de los ARN como crear una "sopa" de ácidos nucleicos capaz de evolucionar mediante errores en el proceso de copia y selección natural, lo que condujo al "mundo de ARN", en el que se mezclaban moléculas de ARN capaces de catalizar su propia replicación con otras que presentaban otras capacidades catalíticas.

Cofactores enzimáticos derivados de nucleótidos

Un mundo de ARN exige que este tipo de molécula sea capaz de realizar una amplia gama de funciones bioquímicas, más restringidas que las que actualmente realizan las proteínas, pero en todo caso mucho más extendida que las que ahora realizan las escasas ribozimas que se conocen. Se han encontrado evidencias indirectas que pueden apoyar la capacidad de los ARN para actuar como enzimas, como la abundancia de cofactores enzimáticos basados en nucleótidos (que sugeriría que las enzimas "conservaron" la capacidad catalítica de estas moléculas de sus precursores, las ribozimas); también se han propuesto mecanismos de reacción hipotéticos que podrían explicar cómo un ARN podría catalizar su replicación, sin necesidad de proteínas.

El mayor problema para explicar un mundo de ARN, sin embargo, sigue siendo resolver el "acoplamiento" entre los ARN y las proteínas. Para resolverlo se ha propuesto un mecanismo que tiene en cuenta la facilidad con la que se producen aminoácidos en procesos de síntesis abiótica. Las ribozimas podrían haber dispuesto, a su alrededor, de una buena cantidad de aminoácidos que inicialmente pudieron utilizar como cofactores. La unión de aminoácidos en cadenas pudo permitir mejorar la precisión y la complejidad de los procesos de catálisis, por lo que habría sido seleccionado positivamente, evolucionando hacia un mundo de ácidos nucleicos y proteínas.

Enzimas: naturaleza química y estructura

La inmensa mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos ocurren de modo regulado, es decir, su progreso se ajusta a las necesidades metabólicas de la célula en cada momento. Para que esto sea posible, es necesario que la velocidad a la que suceden tales reacciones pueda ser modificada, de modo que se retarden cuando los productos de la reacción no sean necesarios, o que se aceleren cuando haga falta producir más productos.

El control de la velocidad de una reacción química puede llevarse a cabo mediante la actividad de catalizadores. Precisamente, un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción química sin alterar otros parámetros de la misma (equilibrio, dirección de progreso, balance energético...), recuperándose al final de la reacción, como si no hubiera intervenido en ella.

Los catalizadores biológicos por excelencia son las enzimas. En general, las enzimas son proteínas globulares que participan en el metabolismo de los organismos modificando la velocidad de reacciones específicas. Como excepción a esta norma, se conocen algunos ácidos ribonucleicos que también tienen actividad catalítica, y que reciben el nombre de ribozimas.
Mientras que en muchos casos las enzimas están formadas exclusivamente por aminoácidos, en otros muchos la proteína se encuentra asociada, además, a otro tipo de moléculas que resultan imprescindibles para que puedan desarrollar su función. Cuando esto ocurre, la enzima funcional, incluyendo la parte no proteica, recibe el nombre de holoenzima, la parte proteica se denomina apoenzima y la no proteica recibe el nombre genérico de cofactor.

Los cofactores pueden ser iones metálicos o moléculas orgánicas de pequeño tamaño.

• Las proteinas que incluyen iones metálicos en su estructura reciben el nombre de metaloproteínas, y representan aproximadamente entre la cuarta parte y la tercera parte de todas las proteínas conocidas. Los iones metálicos pueden unirse a la proteína directamente, mediante su coordinación con átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre de los aminoácidos, o indirectamente, "atrapados" en un grupo formado por varios ciclos, en cuyo centro se encuentra el metal, como el grupo hemo. Entre los iones metálicos más comunes en las metaloproteínas se encuentran: Zn⁺², Mg⁺², Mn⁺²,Fe⁺², Fe⁺³, Cu⁺, Cu⁺², K⁺ y Na⁺. Estos iones participan en procesos como la expresión génica (cinc), la fotosíntesis (magnesio), o el transporte de electrones o de oxígeno (hierro), entre otros muchos. El papel concreto que desarrolla el metal dentro de la enzima es variable; en algunos casos, en  particular en las reacciones de oxidación-reducción, el metal participa directamente en la reacción química (función catalítica primaria), mientras que en otras enzimas su papel consiste en establecer la unión entre el sustrato y la enzima, o en contribuir a la estabilización del centro activo.
• Las moléculas orgánicas que actúan como cofactores suelen ser derivados de bases nitrogenadas (tiamina, biotina, piridoxal) o de nucleótidos (FMN, FAD, NAD o NADP), aunque también hay algunas de naturaleza lipídica (coenzima A, coenzima Q, lipoamida). Generalmente estas moléculas actúan como intermediarios en la transferencia de grupos químicos, desde electrones a grupos funcionales. Es decir, el sustrato cede el grupo químico al cofactor y éste lo traspasa a una segunda molécula para formar el producto. Así pues, tienen fundamentalmente un papel catalítico primario. Muchas de estas moléculas no pueden ser sintetizadas por los animales superiores, por lo que tienen carácter esencial, razón por la cual se han incluido tradicionalmente en la categoría de "vitaminas".

 Según el grado de unión entre el cofactor y la enzima se distinguen los grupos prostéticos, que están firmemente unidos a las proteínas, como ocurre con el FAD y las coenzimas, que se asocian a las enzimas de forma débil y transitoria, hasta el punto de que pueden moverse de una enzima a otra, portando el grupo que transfieren, como es el caso del NAD.

El centro activo de las enzimas

Desde el punto de vista químico, la actividad de las enzimas consiste en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción química tenga lugar. De ese modo se consigue que cambie la proporción de moléculas de sustrato que tienen suficiente para reaccionar. Para lograrlo, las enzimas forman un complejo con los sustratos, que actúa como intermediario de la reacción, que necesita una energía de activación menor para formarse, lo que significa que hay una mayor proporción de moléculas que pueden alcanzar ese nivel energético.


La unión entrela enzima y el sustrato ocurre en una región concreta de la enzima, que recibe el nombre de centro activo. Esta zona, que suele ser de pequeño tamaño respecto al volumen total de la proteína, está configurada por aminoácidos que pueden estar alejados entre sí en la secuencia primaria, pero que se encuentran próximos en la estructura terciaria, como consecuencia de los procesos de plegamiento. El resultado final de este plegamiento suele ser un "bolsillo" en cuyo interior encaja el sustrato de la enzima, gracias tanto a la complementariedad espacial entre sustrato y centro activo como al entorno químico que crean los aminoácidos de éste, que permite el establecimiento de interacciones débiles con la molécula de sustrato. El centro activo también incluye los cofactores cuando éstos forman parte de la enzima.

Los aminoácidos que se sitúan en el centro activo de la enzima desempeñan en él funciones diferentes:

• La mayoría de ellos participan en el establecimiento de la forma del centro activo, haciendo que sea complementaria del sustrato. Son, por lo tanto, aminoácidos estructurales.

• Un segundo grupo de aminoácidos contribuye a mantener el sustrato enlazado al centro activo. Para ello establece enlaces débiles con el sustrato, en lo que participan tanto sus cargas (aminoácidos ácidos o básicos) como su carácter químico (aminoácidos polares, aminoácidos hidrófobos). Estos grupos reciben el nombre de aminoácidos fijadores.
• Los aminoácidos ambientadores son los que contribuyen a crear un cierto entorno químico dentro del centro activo. Muchos sitios activos de las enzimas son bolsillos apolares, de modo que en esos casos los aminoácidos ambientadores tendrán esa naturaleza química.
• Los aminoácidos catalíticos son los que llevan a cabo la actividad enzimática. Para ello, participan activamente en la reacción química que ocurre dentro del centro activo, normalmente reaccionando con el sustrato y formando un compuesto intermedio, diferente al que se formaría en la reacción no catalizada. Al finalizar el proceso, los aminoácidos catalíticos recuperan su estructura.

Las enzimas se definen como biocatalizadores específicos, pero esta especificidad tiene dos facetas diferentes: por una parte, presentan especificidad de sustrato, es decir, una enzima se une a una molécula, pero no a otra similar a la primera. Este fenómeno se debe a la actuación de los aminoácidos estructurales y fijadores, que son los que se encargan de impedir que sustratos diferentes puedan encajar en el centro activo. El segundo tipo de especificidad es la especificidad de reacción, que consiste en que una enzima, una vez que se ha unido a su sustrato, cataliza una única reacción de todos los posibles cambios químicos que puede sufrir esa molécula. La especificidad de reacción se produce gracias a la acción de los aminoácidos ambientadores y catalíticos. Los primeros son los que se encargan de distorsionar la molécula de sustrato, haciéndola más susceptible a la reacción. Los aminoácidos catalíticos reaccionan directamente con el sustrato.