La evolución de la complejidad química del Universo: la vida

Mª Magdalena Fernández Puertas »

Hace 4600 millones de años, la nebulosa que dio origen al Sistema Solar comenzó a colapsar debido a una supernova cercana o a mareas gravitacionales de estrellas próximas.

A partir de aquella nebulosa se formaron el Sol, los planetas y sus satélites, los cometas y los asteroides de nuestro Sistema Solar. La mayoría de las moléculas orgánicas se destruirían en el proceso, pero las supervivientes podrían integrarse en cometas y asteroides que al impactar contra planetas o satélites las depositarían en ellos, acumulándose con el paso del tiempo.

En 1924 el científico ruso Alexander Oparin y en 1929 el británico J. B. S. Haldane propusieron la idea de que las moléculas orgánicas elementales se formaron a partir de las proporciones de gases en la atmósfera primitiva, sus interacciones con el calor, las descargas eléctricas y la superficie de los mares del planeta en formación.

Cuando en 1953 James Watson y Francis Crick dieron a conocer la estructura en doble hélice del ADN (gracias a su interpretación de un excelente difractograma de rayos X –el número 51– registrado por Rosalind Franklin) y tras los trabajos del español Joan Oró en bioquímica, esta ciencia parecía cerrar el círculo. Esto llevó al entonces estudiante de Química Stanley Miller a llevar a cabo el experimento que hoy lleva su nombre y en el cual probó que a partir de las condiciones primitivas se obtenían las moléculas básicas de la química orgánica. Sin embargo, la sopa primigenia jamás existió sobre la superficie de nuestro planeta.

Recientes descubrimientos en Paleoclimatología, Geofísica y Astrofísica planetaria, observando la formación de planetas extrasolares, indican que las condiciones primitivas no eran las que reprodujo el experimento de Miller. Con los valores corregidos, no hay formación de moléculas orgánicas, con lo que este hecho, junto con las observaciones en Astrofísica habiendo visto formarse estas moléculas en nebulosas, han cambiado el paradigma de la Biología planetaria desde el campo de la Astrobiología.

Además, la potentísima Teoría del Caos, elaborada por físicos y matemáticos, añade un argumento más. Nuestro Universo es un sistema caótico, muy sensible a las variaciones en las condiciones iniciales y con intrincados procesos de evolución. De hecho, la vida se comporta como un sistema caótico. La probabilidad de que en la sopa primigenia se formase una sola proteína de las hasta 10.000 diferentes que se estima que componen una sola célula del ser humano, equivale a solucionar un cubo de Rubik a ciegas. La tasa de impactos en la superficie de la Tierra arroja el siguiente saldo: 100 toneladas de material exógeno por año. Esto supone cantidades suficientes en número de moléculas como para posibilitar la evolución biótica.

La vida en la Tierra

La vida aparece en la Tierra 800 millones de años después de que esta se haya formado. Este plazo de tiempo es demasiado pequeño como para que haya sido posible la hipótesis de la sopa primigenia. Además, las moléculas pueden sobrevivir a la entrada en la atmósfera, ya que al quemarse y pulirse la superficie del cuerpo, esta actúa como un espejo, reflejando el calor. Si el impacto además se produce en masas de agua o hielo, las probabilidades de que la molécula se mantenga íntegra se elevan exponencialmente.

Las moléculas depositadas por los impactores se fueron acumulando sobre la corteza terrestre a medida que esta se enfriaba y solidificaba, como lo hace la lava expulsada por un volcán. Aunque es posible también que se trajesen bacterias de Marte o de otro lugar, y la evolución continuase directamente desde el nivel celular. Debemos entender que la estructura y composición de una molécula determina su función, al igual que la estructura de unas tijeras les permite cortar cosas y su composición pone un límite a la dureza de las cosas que puede cortar.

Debido a sus propiedades físicas y químicas, estas moléculas interaccionaban. Una de las interacciones posibles es la polimeralización, que dio lugar a macromoléculas. Estas macromoléculas podían a su vez unirse para formar complejos con estructura tridimensional. Las estructuras cerradas servían de frontera entre el medio interno y otro externo. Las fronteras dinámicas eran las precursoras de las membranas celulares, el primer paso hacia la célula. Dichas membranas podían absorber otras membranas y generar complejos abiertos que quedaban protegidos del medio externo. Esta es la esencia de la hipótesis endosimbionte.

Así se cree que surgieron las primeras células. Progresivamente fueron incrementando su complejidad con nuevas absorciones de células más pequeñas. Las absorciones eran un éxito si la célula resultante incrementaba notablemente su eficiencia, cosa que en muy pocos casos ocurría. Este proceso dio lugar a los tres grandes imperios de nuestro planeta: bacteria, archaea y eukarya. Prueba de que esta hipótesis es correcta es que si las membranas se hubiesen subdividido, la célula no tendría elementos extraños en su interior. Pero al observar orgánulos celulares como las mitocondrias y los cloroplastos de las células eucariotas, comprobamos que tienen ADN propio, muy distinto del de las células que las acogen y muy similar al de las bacterias; de hecho parecen bacterias viviendo dentro de una célula.

Diversidad

La división biológica en la Tierra ha dado lugar a una inimaginable diversidad de organismos. Obsérvese el árbol de la vida conocida en la Tierra (Fig. 1). En rojo y señalados por el círculo, aparecen los tres grandes reinos pluricelulares eucariotas: el Reino Animal, el Reino Vegetal y el Reino Fungí.

Pero aún tenemos muy pocos datos. La evolución, como todo proceso caótico, es muy sensible a inapreciables variaciones. Estas variaciones se desencadenan a nivel cuántico y recorren todos los niveles, muchas veces sin efecto, otras con efectos inocuos o inapreciables, mientras que el resto de las veces se manifiestan como fenómenos cuyo origen está muy por encima del citado nivel cuántico.

En genética se pensaba hasta hace unos años que el 90% de nuestro ADN, los intrones, era basura sin ninguna función, residuos de las mutaciones acumuladas por la evolución. Se estudió el genoma limitado a los exones, que apenas alcanzan el 10% de nuestro ADN, pensando que en ellos residía la información que controlaba todas las funciones y estructuras de una célula. Hoy, sin embargo, sabemos que los intrones, controlan muchas más funciones que los exones.

Extremófilos

Otra forma de aproximarse al conocimiento de la vida es buscar sus límites de adaptación, es decir, las condiciones extremas en las que la vida puede desarrollarse. Aquí el estudio de los organismos extremófilos nos aporta mucha información. En nuestro propio planeta existen organismos capaces de desarrollar una actividad biológica normal en ausencia de luz, de oxígeno, a presiones de cientos de toneladas en las fumarolas de las dorsales y volcanes submarinos, bajo kilómetros de hielo en la Antártida a 87 ºC bajo cero, en lagunas de azufre en volcanes a 121 ºC, o en ambientes de mayor acidez que el ácido sulfúrico, como los organismos de Río Tinto, en España. Especial atención merecen los trabajos del equipo del Centro de Astrobiología español en coordinación con el Jet Propulsion Laboratory de la NASA y el NASA Astrobiology Institute, instituto del cual el Centro de Astrobiología fue el primer socio admitido no estadounidense.

Los organismos de Río Tinto, además de habitar un entorno de pH 2 sin ningún problema, metabolizan hierro, es decir, que ese es el alimento del que obtienen la energía. Las similitudes en la orografía y la composición química del Valle de Río Tinto con los de Marte han centrado la atención de las misiones europeas y norteamericanas que ensayan su instrumental científico y de amartizaje en esta comarca cercana a la ciudad de Huelva.

No muy lejos de allí se encuentra el Valle del Jaroso, que da nombre al mineral jarosita, descubierto hace más de 100 años por geólogos españoles y que ha causado revuelo en los últimos años, al haber sido encontrado en Marte por las sondas Spirit y Opportunity, tal y como el equipo de Geología Planetaria del Centro de Astrobiología había predicho en la década de los 90. La importancia de tal hallazgo es que este mineral solo se forma en presencia de agua líquida, y el agua líquida es un importante elemento cuando se buscan formas de vida similares a las de la Tierra.

La luna Europa

Nuestro Sistema Solar ofrece un candidato más firme a la hora de albergar vida que Marte. La comunidad científica afirma que una de las conocidas 4 lunas de Galileo, Europa, la luna helada de Júpiter, es el mejor aspirante para albergar vida. La sonda Cassini-Huygens detectó en su aproximación de julio de 2004 movimientos en las trazas sobre el hielo que indican una capa interna de agua, medio necesario para la vida que conocemos. El módulo Huygens de esta sonda tomó tierra el 14 de enero de 2005 en Titán, el mayor de los alrededor de 200 satélites del gigante Saturno y que por su atmósfera es también un buen candidato para albergar vida fuera de la Tierra.

La vida: una consecuencia de la evolución del Universo

No puedo terminar sin apuntar algunas circunstancias que afectan a la perspectiva con la que abordamos la observación actual.

En primer lugar, debemos señalar que la materia bariónica, la que nos forma a nosotros, al Sol y a todas las estrellas y galaxias del Universo observable, representa tan sólo un 4% de la masa total del Universo, es decir, no sabemos aún de que está hecho el 96% de nuestro Universo y esto, claro está, afecta seriamente a la resolución de las preguntas que nos podamos plantear al respecto de sus orígenes.

En segundo lugar, el hecho de que cada generación de estrellas incremente la complejidad química del Universo, aumente el número de estrellas pequeñas, estables y de larga vida, dispare el número de planetas por estrella y propicie la acumulación de moléculas orgánicas en nebulosas, supone un aumento exponencial en el tiempo del número de entornos posibles para el desarrollo de la vida que conocemos y de formas de vida aún no vistas.

Y en tercer lugar, debemos considerar que la enorme capacidad de la adaptación de la vida y el carácter caótico diferencial del Universo, condiciona las formas de vida que en un entorno pueden desarrollarse, de manera que si buscamos vida como la de la Tierra en ambientes distintos a esta, tal vez no seamos capaces de detectar la vida que en tales lugares pudiera existir aún estando frente a ella.

A pesar de lo anterior, contamos con suficientes conocimientos como para poder afirmar que la vida no es un fenómeno casual, sino que es consecuencia del propio Universo, una etapa de obligado paso en su evolución y por tanto un fenómeno muy común en el Universo, ya que una pequeña variación en las constantes físicas o el desarrollo de las etapas que constituyeron el Universo supondría que ni los átomos, ni las estrellas y mucho menos cualquier forma de vida por simple que pueda ser, hubiera podido existir.

En cualquier caso, y hasta que encontremos otras formas de vida como la humana, seguiremos siendo los únicos seres que conocemos que vuelven la vista atrás para observar el lugar del que proceden. (Fig. 2)

Fig. 2. Representación de la evolución del Universo, física, química y biológica. NASA.

Referencias

• “Las raíces cósmicas de la vida” Josep M. Trigo Rodríguez.
• “La Química del Universo y el Origen de la Vida” Jesús Martín Pintado.
• Diversos estudios y conferencias del CAB (Centro de Astrobiología).
• Diversos estudios del JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA (EE. UU.).
• Diversos estudios del NASA Astrobiology Institute.
• Asesoramiento en cuestiones de Física: Juan Carlos Rodríguez Martorell

Fotografías: diversas fuentes de Internet, NASA, Pearson Educación.