Astrobiología y origen de la vida

Crab_Nebula¿Qué es la vida? Esta sencilla pregunta –que en ocasiones damos por contestada por parecernos evidente su respuesta– resulta extremadamente difícil de elucidar y es fundamental para el éxito de la investigación astrobiológica.

La astrobiología es una rama de la ciencia que trata de entender la historia de la vida en nuestro universo. Incluye la investigación de las condiciones necesarias para albergar y desarrollar vida, su origen, las vías por las que la vida ha evolucionado y se ha adaptado a un amplio rango de condiciones medioambientales en la Tierra, la búsqueda de vida más allá de nuestro planeta, la habitabilidad de ambientes extraterrestres y la consideración del futuro de la vida en la Tierra y otros lugares diferentes. Para ello, se requieren conocimientos de física, química, biología y de otras áreas científicas especializadas, como la astronomía, la geología, las ciencias planetarias y atmosféricas, la microbiología y la oceanografía. Sin embargo, la astrobiología no sólo abarca una mera colección de disciplinas, sino que también, y a la vez, formula preguntas que trascienden a todas ellas de forma individual.

La investigación astrobiológica alberga, potencialmente, más consecuencias que un simple descubrimiento científico e incluye interrogantes que los seres humanos se han hecho durante milenios. Un ejemplo de ello es: ¿estamos solos? Además, plantea cuestiones que podrían afectar a la visión de la raza humana como especie así como a su comportamiento, como por ejemplo: ¿tenemos responsabilidades éticas con otras formas de vida más allá de la Tierra? Y, en ese caso, ¿cuáles? Aunque la idea de que haya vida en otros planetas o lunas resulte fascinante, la realidad es que hasta la fecha no se ha detectado ni documentado tal evento. Esto no significa necesariamente que sólo exista vida en nuestro planeta; simplemente, no se han hallado pruebas de ello.

Limitar nuestra atención a cuestiones terrestres sería limitar el espíritu humano (Stephen Hawking).

Desde un punto de vista científico, las definiciones válidas de “vida” tratan de incluir todo aquello que consideremos intuitivamente como “vivo” y excluir lo que no. Por tanto, han de ser lo suficientemente generales para incluir formas desconocidas de vida que aparezcan de forma independiente en nuestro planeta o en cualquier otro lugar. Si el criterio se satisface, el concepto debería servir de guía en la búsqueda de vida en otros mundos y permitir el estudio de su origen. No obstante, este objetivo no es fácil de lograr ya que no conocemos un segundo tipo de vida diferente a la nuestra. Dado que todas las formas de vida conocidas evolucionaron a partir de un ancestro común, cada una de ellas ha de compartir cierto número de propiedades heredadas. Por tanto, resulta difícil diferenciar características de vida en el universo de propiedades específicas de nuestra propia forma de vida.

No existe una definición científica clara y objetiva de “vida”, y obtenerla no resulta sencillo, pero la mayoría de los investigadores ofrecen ideas que incluyen el metabolismo, la reproducción y la evolución. Actualmente, la NASA considera para sus programas de investigación en exobiología y astrobiología la definición de “vida” como “sistema químico autosostenible capaz de seguir la evolución darwiniana”. Con esa definición de trabajo, y entre otras cuestiones, la astrobiología trata de explicar cómo surgió la vida en la Tierra.

Equipado con sus cinco sentidos, el Ser Humano explora el Universo que lo rodea y a sus aventuras las llama Ciencia (Edwin P. Hubble).

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Generalmente, se diferencian cinco etapas que precedieron la aparición de la vida en nuestro planeta:

I. Síntesis de las primeras moléculas orgánicas a partir de precursores inorgánicos.

II. Las primeras moléculas orgánicas comenzaron a auto-organizarse en moléculas más complejas.

III. La interacción de estas moléculas con otras dio lugar a las primeras reacciones químicas, generando una red con moléculas presentes en diferentes ciclos de reacción.

IV. El agregado de distintas moléculas simples generó macroestructuras que promovieron la compartimentalización y los ciclos de reacciones químicas.

V. El sistema fue capaz de cambiar desde un equilibrio químico, mantener la homeostasis y evolucionar.

Estas etapas pudieron aparecer superpuestas en el tiempo y en el espacio.

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Para entender cómo pudo originarse la vida, es necesario conocer los tipos de ambientes que estaban presentes en la Tierra, los recursos energéticos y las materias primas disponibles, las posibles reacciones químicas en las condiciones ambientales primitivas y los procesos que habrían dado lugar a la secuencia de eventos que resultaría en el origen de la vida.

No sólo estamos en el universo, el universo está en nosotros (Neil DeGrasse Tyson).

Sobre el ambiente en que se generó la vida, aparte de la síntesis orgánica, también se necesitó la concentración de ingredientes en un medio diluido, la selección de moléculas bioquímicamente útiles y la polimerización de monómeros. Entre los posibles escenarios comúnmente estudiados y discutidos están las superficies de océanos y lagos, el hielo del mar, fuentes hidrotermales o playas.

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La energía se obtenía de luz visible y ultravioleta, reacciones químicas de oxidación-reducción (REDOX) o calor geotérmico. Las materias primas eran elementos químicos individuales sintetizados en la Tierra primitiva (por ejemplo, mediante actividad geológica como erupciones volcánicas) o provenientes de cometas y asteroides. Incluyen N2, CH4, CO, CO2, H2 o P. Los elementos volátiles dieron lugar a una atmósfera reductora que podría haber generado precursores moleculares de vida.

Las reacciones químicas prebióticas dependieron del medio de reacción (considerado predominantemente acuoso), de la temperatura (ambientes cálidos y fríos), de catalizadores no-biológicos (como arcillas, zeolita, sulfuros o calcita), de la concentración de reactivos en compartimentos o superficies, de la evaporización, de la estereoselectividad (una de las principales características de numerosas reacciones biológicas modernas), etc. El resultado fueron las primeras moléculas orgánicas de carbono, que fueron reaccionando y haciéndose más complejas para generar aminoácidos o nucleótidos hasta que su polimerización produjo las primeras proteínas o ácidos nucleicos.

Respecto a la secuencia de eventos en el origen de la vida, la Tierra primitiva proporcionó distintos lugares para posibles reacciones químicas prebióticas, como océanos, lagos, superficies de minerales, la fase gaseosa de la atmósfera o fuentes hidrotermales submarinas. El origen de la vida no tiene por qué haber sido un evento singular. No hay razones para asumir que el metabolismo de nuestras células representa la única forma posible de proceso metabólico. Es decir, podrían haberse producido múltiples orígenes de vida. Las evidencias sugieren que toda forma de vida conocida procede de un ancestro común denominado LUCA (por sus siglas en inglés: Last Universal Common Ancestor), lo que implica que, si hubo más de un origen de vida, sólo un linaje prosperó hasta confeccionar todas las formas de vida que conocemos en la actualidad.

La investigación en la secuencia de eventos que condujo al origen de la vida se centra en tres aspectos esenciales: redes metabólicas, sistemas genéticos auto-replicantes y compartimentalización de los metabolitos. Aunque existe debate sobre qué surgió primero, si la capacidad de obtener energía (metabolismo) o la capacidad de almacenar información y heredarla (material genético), está claro que ambos sistemas fueron integrados y encapsulados en un compartimento antes de que comenzara la evolución de la primera célula viva.

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  • Redes metabólicas

Una de las observaciones fundamentales en biología es que todas las formas de vida comparten el mismo núcleo de vías metabólicas y moléculas bioquímicas con las que formar macromoléculas. Este hecho se conoce como “unidad de bioquímica”, e implica que el metabolismo debería ser más antiguo que LUCA. Históricamente, se ha tratado de investigar los orígenes del metabolismo con el modelo de la sopa prebiótica que propusieron Miller y Urey en 1953 e intenta explicar cómo un conjunto de compuestos orgánicos pueden reaccionar entre sí generando complejidad tanto en los compuestos obtenidos como en las reacciones que tenían lugar hasta alcanzar un metabolismo primitivo. Sin embargo, hay poca evidencia experimental de que las reacciones químicas obtenidas guarden similitud con redes metabólicas. La sopa primordial presenta nuestro metabolismo actual como un conjunto de casi infinitas reacciones entre una colección al azar de materiales iniciales de distintos tipos. Como hipótesis alternativa, es posible que los pasos que se siguieron hasta obtener redes “protometabólicas” estuvieran más limitados. En este sentido, el metabolismo actual sería una consecuencia directa de la química prebiótica más que un subproducto accidental, y el origen del RNA y del DNA se ligaría a estas reacciones “protometabólicas”. Las distintas vías de fijación del carbono en la naturaleza apoyan esta hipótesis. Las redes metabólicas basadas en péptidos también se están estudiando y experimentos recientes muestran que pequeños péptidos prebióticos podrían haber catalizado la síntesis de proteínas y de ácidos nucleicos antes de que apareciera la catálisis proteica.

  • Sistemas genéticos

El tradicional dogma central de la biología molecular establece que la información genética siempre va de DNA a RNA y a proteína. El DNA actúa como almacenamiento de la información, el RNA como mensajero y las proteínas llevan a cabo las funciones catalíticas. Elucidar este principio llevó inmediatamente a plantearse un problema sobre el origen de la vida. Si el DNA se originó primero, ¿cómo se replicó sin proteínas? Y, si las proteínas se originaron primero, ¿cómo se codificó el contenido de la información? El mundo del RNA para el origen de la vida es muy popular por la elegante solución que plantea a este dilema, ya que el RNA puede actuar tanto de molécula que almacena la información genética como de molécula catalítica. Aunque nuestro material genético es el DNA, muchos virus usan el RNA como molécula genética y el número de reacciones químicas catalizadas por enzimas de RNA o ribozimas va en aumento. Por tanto, una célula primitiva podría tener la información genética codificada por RNA y sus funciones podrían llevarse a cabo por ribozimas, aunque no está claro cómo aparecieron las primeras ribozimas en ausencia de catalizadores capaces de sintetizar moléculas grandes y funcionales de RNA. Algunos experimentos sugieren que la actividad temprana de síntesis y catálisis del RNA fue apoyada o suplementada por otras moléculas. Otros modelos del origen de los primeros sistemas genéticos incluyen péptidos o minerales de arcilla. La replicación prebiótica del RNA podría haber ocurrido de forma no-enzimática dentro de “protocélulas” mediante nucleótidos activados químicamente. La compartimentalización de membrana lipídica y la posibilidad de la actividad y replicación del RNA junto a la división del compartimento de la “protocélula” proporciona un escenario para la posible interacción entre el mundo del RNA y los compartimentos de la “protocélula”, dando lugar a la formación de la primera “protocélula” capaz de evolucionar.

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  • Encapsulación

Todas las células vivas están encapsuladas por membranas lipídicas que aportan funciones biológicas esenciales como transporte, comunicación y conservación de la energía. El origen prebiótico de la membrana lipídica todavía no se ha explicado completamente. La naturaleza de la membrana lipídica en LUCA deja muchas rutas posibles de origen de membranas lipídicas durante las etapas más tempranas de la evolución protobiológica. Aunque en las células modernas las membranas llevan a cabo más funciones, es presumible que su papel inicial fuera simplemente encapsular y aislar los ciclos de reacciones del ambiente. Esto pudo llevarse a cabo con las moléculas anfipáticas (o anfifílicas) más simples presentes en condiciones prebióticas. En agua, estas moléculas se organizan espontáneamente en estructuras esféricas denominadas vesículas. La facilidad con que tales vesículas pueden formarse ha llevado a numerosos investigadores a asumir que la encapsulación ocurrió casi inmediatamente después de que los lípidos estuvieran disponibles, tanto si se liberaron de forma extraterrestre como si se obtuvieron por síntesis abiótica. La encapsulación habría afectado fuertemente las dinámicas de la química prebiótica por promover eventos como la segregación de moléculas, el aumento de concentraciones locales, la coevolución de compuestos bioquímicos, la permeabilidad selectiva o la creación de gradientes de membrana. La investigación de propiedades de distintos sistemas de vesículas puede dar idea de posibles rutas del origen de la compartimentalización protobiológica. El origen de los sistemas de transporte selectivo en las membranas fue crucial para el origen de la homeostasis en las células vivas, por lo que la aparición de la membrana celular y de los canales para controlar la permeabilidad de la membrana podrían constituir una importante etapa inicial en la evolución química de la vida.

El origen de la vida es asunto de gran debate en la actualidad y un área de intensa investigación. El campo de la biología sintética ha proporcionado recientemente nuevas ideas sobre las posibilidades de distintos orígenes de la vida y escenarios evolutivos. Sus aproximaciones tratan de explicar el ensamblaje de sistemas biológicos complejos a partir de precursores más simples. Esto incluye información sobre variaciones en la estructura de nuestro material genético, la forma en que la información genética es interpretada y usada por las células, la incorporación de moléculas genéticas auto-replicantes en vesículas lipídicas, la unión de la generación de energía a la formación de vesículas, la evolución de vesículas a “protocélulas” y la posibilidad de crear nuevas formas de vida artificiales en el laboratorio.

El hallazgo de un escenario completo, probable y experimentalmente verificable del origen de la célula viva también ayudará a establecer condiciones que limiten la evolución prebiótica, incluso sin tratarse del escenario exacto de los orígenes de la vida en la Tierra. Así, el establecimiento de un escenario de trabajo ayudará de forma muy significativa en la búsqueda de posibles mundos habitables en el Sistema Solar y más allá de él.

Toda ciencia se convierte en poesía, después de haberse convertido en filosofía (Novalis).

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Superficie de Enceladus, el satélite más grande de Saturno

Provenimos de una larga cadena de eventos primitivos que se fueron haciendo cada vez más complejos hasta llegar a lo que hoy somos y conocemos. Resulta prácticamente increíble que, a partir de la combinación de los primeros átomos, hayan surgido plantas, animales o seres humanos. Efectivamente, como decía Carl Sagan, “somos polvo de estrellas”, pero debemos reconocer que no deja de sorprender cómo la naturaleza nos sigue maravillando con su forma de organizarse. Desentrañar cada detalle, cada particularidad, es un reto, pero también es la contemplación de una de las bellezas más admirables que podemos encontrar.

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Un comentario en “Astrobiología y origen de la vida

  1. Yo no entiendo mucho de Filosofía, del origen del universo, de la materia cósmica……
    Pero si existieran otras vidas, si se hubiesen originado otras distintas formas de vida química, diferentes a la nuestra……¿no deberíamos bautizarlas con una denominación al margen de lo que ya conocemos?
    No sería vida….. sería otra cosa…..

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