La lluvia pudo haber ayudado a formar las primeras células, dando inicio a la vida tal como la conocemos
Miles de millones de años de evolución han hecho que las células modernas sean increíblemente complejas. Dentro de las células hay pequeños compartimentos llamados orgánulos que realizan funciones específicas esenciales para la supervivencia y el funcionamiento celular. Por ejemplo, el núcleo almacena el material genético y las mitocondrias producen energía.
Otra parte esencial de una célula es la membrana que la rodea. Las proteínas incrustadas en la superficie de la membrana controlan el movimiento de sustancias hacia dentro y fuera de la célula. Esta sofisticada estructura de membrana permitió la complejidad de la vida tal como la conocemos. Pero ¿cómo lograron las primeras células, más simples, mantenerse cohesionadas antes de que evolucionaran estructuras de membrana elaboradas?
El origen de la vida
Una de las preguntas más intrigantes en la ciencia es cómo comenzó la vida en la Tierra. Durante mucho tiempo, los científicos se han preguntado cómo la materia no viva, como el agua, los gases y los depósitos minerales, se transformó en células vivas capaces de replicación, metabolismo y evolución.
Los químicos Stanley Miller y Harold Urey de la University of Chicago realizaron un experimento en 1953 que demostró que compuestos orgánicos complejos – es decir, moléculas basadas en carbono – podían sintetizarse a partir de compuestos orgánicos e inorgánicos más simples. Utilizando agua, metano, amoníaco, hidrógeno y descargas eléctricas, estos químicos formaron aminoácidos.
Los científicos creen que las primeras formas de vida, llamadas protocélulas, surgieron espontáneamente a partir de moléculas orgánicas presentes en la Tierra primitiva. Estas estructuras primitivas, similares a células, probablemente estaban compuestas por dos componentes fundamentales: un material matriz que proporcionaba un marco estructural y un material genético que contenía instrucciones para que las protocélulas funcionaran.
Con el tiempo, estas protocélulas habrían evolucionado gradualmente la capacidad de replicarse y ejecutar procesos metabólicos. Ciertas condiciones son necesarias para que ocurran reacciones químicas esenciales, como una fuente de energía constante, compuestos orgánicos y agua. Los compartimentos formados por una matriz y una membrana proporcionan de manera crucial un entorno estable que puede concentrar reactivos y protegerlos del entorno externo, permitiendo que se lleven a cabo las reacciones químicas necesarias.
Así, surgen dos preguntas cruciales: ¿De qué materiales estaban hechas la matriz y la membrana de las protocélulas? ¿Y cómo permitieron que las primeras células mantuvieran la estabilidad y la función necesarias para transformarse en las células sofisticadas que constituyen todos los organismos vivos actuales?
Burbujas vs. gotas
Los científicos proponen que dos modelos distintos de protocélulas – vesículas y coacervados – pudieron haber desempeñado un papel fundamental en las primeras etapas de la vida.
Las vesículas son pequeñas burbujas, como jabón en agua. Están hechas de moléculas grasas llamadas lípidos que forman naturalmente láminas delgadas. Las vesículas se forman cuando estas láminas se curvan en una esfera que puede encapsular sustancias químicas y proteger reacciones cruciales de entornos adversos y de una posible degradación.
Como diminutos bolsillos de vida, las vesículas se asemejan en estructura y función a las células modernas. Sin embargo, a diferencia de las membranas de las células actuales, las protocélulas vesiculares carecerían de proteínas especializadas que permiten selectivamente la entrada y salida de moléculas y facilitan la comunicación entre células. Sin estas proteínas, las protocélulas vesiculares tendrían una capacidad limitada para interactuar eficazmente con su entorno, restringiendo su potencial para la vida.
Los coacervados, por otro lado, son gotas formadas por la acumulación de moléculas orgánicas como péptidos y ácidos nucleicos. Se forman cuando las moléculas orgánicas se adhieren entre sí debido a propiedades químicas que las atraen mutuamente, como las fuerzas electrostáticas entre moléculas con cargas opuestas. Son las mismas fuerzas que hacen que los globos se peguen al cabello.
Se puede imaginar a los coacervados como gotas de aceite de cocina suspendidas en agua. De manera similar a las gotas de aceite, las protocélulas coacervadas carecen de membrana. Sin una membrana, el agua circundante puede intercambiar materiales fácilmente con las protocélulas. Esta característica estructural ayuda a los coacervados a concentrar sustancias químicas y acelerar reacciones químicas, creando un entorno dinámico para los componentes básicos de la vida.
Así, la ausencia de membrana parece hacer que los coacervados sean mejores candidatos a protocélulas que las vesículas. Sin embargo, la falta de membrana también presenta una desventaja significativa: el potencial de que el material genético se escape.
Protocélulas inestables y con fugas
Unos años después de que los químicos neerlandeses descubrieran las gotas coacervadas en 1929, el bioquímico ruso Alexander Oparin propuso que los coacervados eran el modelo más temprano de protocélulas. Argumentó que las gotas coacervadas proporcionaban una forma primitiva de compartimentación crucial para los primeros procesos metabólicos y la autorreplicación.
Posteriormente, los científicos descubrieron que los coacervados a veces pueden estar compuestos por polímeros con cargas opuestas: moléculas largas en forma de cadena que se asemejan a espaguetis a escala molecular y que portan cargas eléctricas opuestas. Cuando se mezclan polímeros con cargas eléctricas opuestas, tienden a atraerse y adherirse para formar gotas sin membrana.
La ausencia de una membrana representaba un desafío: las gotas se fusionan rápidamente entre sí, de manera similar a como las gotas individuales de aceite en agua se unen formando una gran masa. Además, la falta de membrana permitía que el ARN – un tipo de material genético que se cree fue la forma más temprana de molécula autorreplicante, crucial en las primeras etapas de la vida – se intercambiara rápidamente entre protocélulas.
Las investigaciones de Jack Szostak demostraron en 2017 que la fusión rápida y el intercambio de materiales pueden conducir a una mezcla incontrolada de ARN, dificultando la evolución de secuencias genéticas estables y distintas. Esta limitación sugería que los coacervados podrían no ser capaces de mantener la compartimentación necesaria para la vida temprana.
La compartimentación es un requisito estricto para la selección natural y la evolución. Si las protocélulas coacervadas se fusionaran incesantemente y sus genes se mezclaran e intercambiaran continuamente, todas se parecerían entre sí sin variación genética. Sin variación genética, ninguna protocélula tendría mayor probabilidad de supervivencia, reproducción y transmisión de sus genes a generaciones futuras.
Pero la vida actual prospera con una gran variedad de material genético, lo que sugiere que la naturaleza resolvió este problema de alguna manera. Por lo tanto, debía existir una solución, posiblemente oculta a simple vista.
Agua de lluvia y ARN
Un estudio que ralizado en 2022 demostró que las gotas coacervadas pueden estabilizarse y evitar la fusión si se sumergen en agua desionizada – agua libre de iones y minerales disueltos. Las gotas expulsan pequeños iones al agua, lo que probablemente permite que los polímeros con cargas opuestas en la periferia se acerquen entre sí y formen una capa superficial en forma de malla. Esta “pared” enmallada dificulta eficazmente la fusión de las gotas.
A continuación, estudiaron el intercambio de material genético entre protocélulas. Colocaron dos poblaciones separadas de protocélulas, tratadas con agua desionizada, en tubos de ensayo. Una de estas poblaciones contenía ARN. Cuando se mezclaron ambas poblaciones, el ARN permaneció confinado en sus respectivas protocélulas durante días. Las “paredes” enmalladas de las protocélulas impidieron que el ARN se filtrara.
En contraste, cuando se mezclaron protocélulas que no habían sido tratadas con agua desionizada, el ARN se difundió de una protocélula a otra en cuestión de segundos.
Inspirado por estos resultados, Alamgir Karim se preguntó si el agua de lluvia, que es una fuente natural de agua libre de iones, podría haber hecho lo mismo en el mundo prebiótico. Anusha Vonteddu, descubrió que, en efecto, el agua de lluvia estabiliza las protocélulas frente a la fusión.
La lluvia pudo haber allanado el camino para las primeras células.
Trabajando entre disciplinas
Estudiar los orígenes de la vida aborda tanto la curiosidad científica sobre los mecanismos que dieron lugar a la vida en la Tierra como cuestiones filosóficas sobre nuestro lugar en el universo y la naturaleza de la existencia.
Actualmente, hay investigaciones que profundizan en el inicio mismo de la replicación genética en protocélulas. En ausencia de las proteínas modernas que hacen copias de los genes dentro de las células, el mundo prebiótico habría dependido de reacciones químicas simples entre nucleótidos – los componentes básicos del material genético – para producir copias de ARN. Comprender cómo los nucleótidos se unieron para formar una cadena larga de ARN es un paso crucial para descifrar la evolución prebiótica.
Para abordar la profunda cuestión del origen de la vida, es fundamental comprender las condiciones geológicas, químicas y ambientales en la Tierra primitiva hace aproximadamente 3.800 millones de años. Por lo tanto, desentrañar los comienzos de la vida no se limita a los biólogos. Ingenieros químicos y científicos de diversos campos, estan explorando esta cautivadora cuestión existencial.
Aman Agrawal, Investigador postdoctoral en Ingeniería Química, University of Chicago
Este artículo se republica de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
