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traducción de
Adela Kaufmann
por Arthur Garfield Dove. Donación de Katherine S. Dreier a la Colección Société Anonyme
Galería de arte de la Universidad de Yale
entre biología y química, el comienzo de la vida en la Tierra es un horizonte de sucesos desde el cual luchamos por ver más allá...
¿Cómo se originó la vida? Los científicos han estado estudiando la cuestión durante décadas y han desarrollado métodos ingeniosos para intentar averiguarlo.
Incluso han incluido la teoría más poderosa de la biología, la evolución darwiniana, en la búsqueda. Pero todavía no tienen una respuesta completa. Lo que han encontrado es el callejón sin salida teóricamente más fértil del mundo.
Cuando trabajan hacia atrás, viajan a través del registro fósil y a través de las ramas de las relaciones genéticas entre especies.
También buscan rastros geoquímicos que marcan la presencia de vida en el pasado distante. En algún lugar al final de la línea se encuentra el antepasado más antiguo de la vida.
Este antepasado ha adquirido un nombre:
También tiene una naturaleza hipotética y un lugar en el orden biológico de las cosas:
Aunque los científicos, como el biólogo molecular William Martin de la Universidad Heinrich Heine en Düsseldorf, y su equipo, han podido inferir alguna parte del perfil genético de LUCA, no tienen un retrato completo.
Tampoco pueden ver más allá de LUCA:
En última instancia, LUCA es el sistema vivo que los científicos identifican para decir que, al menos una vez, en algún lugar, espontáneamente, la vida comenzó en la Tierra.
Para enfatizar que cualquier vida anterior a LUCA es actualmente incognoscible, los científicos llaman a LUCA un horizonte de sucesos filogenéticos.
Más allá de este umbral, la velocidad de escape supera la velocidad de la luz. Dado que nada puede viajar a través del espacio más rápido que la velocidad de la luz, no hay forma de presenciar ningún evento que tenga lugar allí.
Lo mismo ocurre con LUCA:
Dado que no hay ningún registro de análisis filogenético en el que trabajar antes de LUCA, los científicos no pueden seguir el registro biológico allí.
¿Hacia dónde ir desde aquí?
No obstante, es en cara a los límites filogenéticos que los científicos están mirando en el pasado profundo, y que teorizan nuevamente los hipotéticos comienzos.
En la década de 1920, por ejemplo, el bioquímico soviético Aleksandr Oparin y el científico británico-indio J.B.S. Haldane comenzaron de forma independiente a desarrollar modelos teóricos de los orígenes químicos de la vida, y se preguntaron cómo pudo haber surgido la vida de la materia de la Tierra primitiva.
En la década de 1950, los químicos estadounidenses Stanley Miller y Harold Urey comenzaron a probar esas hipótesis en el laboratorio al intentar demostrar que, con sustancias químicas básicas de la Tierra primitiva, podían generar biomoléculas simples.
El experimento de Miller-Urey sugirió que los experimentales podrían generar algunas de las condiciones de la vida temprana en el laboratorio.
Sin embargo, el esfuerzo estuvo plagado de dificultades.
Desde entonces, nadie ha elaborado la vida de forma espontánea a partir de las sustancias químicas elementales de la sopa primordial de la Tierra, y el número de posibles mundos teóricos en los que la vida comenzó solo ha proliferado.
Para cualquiera que esté mirando, podría parecer que necesitaríamos un conjunto de universos paralelos para probar todas las alternativas.
Cualquiera sea el camino que los científicos hayan tomado para buscar los orígenes de la vida, la mayoría recurre a las ideas de Charles Darwin, en su libro Sobre el origen de las especies (1859), para ayudarlos a responder preguntas cruciales en el campo.
Aunque Darwin no pensó que la ciencia de su época pudiera explicar los orígenes de la vida directamente, muchas de sus ideas se convirtieron en parte integral del avance del campo.
El metafórico árbol de la vida de Darwin, por ejemplo, describe el descenso de especies a lo largo del tiempo evolutivo e inició la búsqueda filogenética de LUCA.
La observación de Darwin en El origen de las especies de que ‘probablemente todos los seres orgánicos que han vivido en esta Tierra han descendido de alguna forma primordial, en la que se inspiró la vida por primera vez’' llevó a sus contemporáneos a abrazar la idea de que la vida en la Tierra tiene un origen único.
Su especulación, en su carta al botánico J.D.Hooker en 1871, de que la vida podría haberse formado en algún 'pequeño estanque cálido con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas: luz, calor [y] electricidad', generó una gran cantidad de experimentos explorando la sopa primordial de la vida.
Los científicos han llegado profundamente en el pasado evolutivo solo para extenderse mucho más allá...
Más significativamente, la selección natural darwiniana ha ayudado a los investigadores a desarrollar hipótesis para pensar sobre el proceso por el cual los químicos se organizan en formas vivas.
La selección natural, el proceso que da forma a la evolución, nos dice que, a medida que las poblaciones se reproducen y cambian, las especies que mejor se adaptan a su entorno sobreviven. Muchos investigadores piensan que la selección natural también puede explicar el proceso por el cual la materia inanimada comienza a organizarse en formas vivientes.
Si surgen nuevas especies por selección natural, entonces podría haber precursores químicos prebióticos que se vuelven capaces de evolucionar; tal vez la evolución marca el comienzo de la vida.
Usar la teoría de Darwin para cerrar la brecha entre la química y la biología implica "pensar en la evolución química de una manera nueva", dice Chris Kempes, biólogo físico teórico del Instituto Santa Fe.
El hecho de que los investigadores contemporáneos estén teniendo este pensamiento revela cuán versátil es la teoría de la evolución.
Sorprendentemente, en 1994, la NASA adoptó una definición darwiniana para guiar la búsqueda de vida en el Universo:
A medida que los científicos han ampliado el alcance teórico de la evolución darwiniana, algunos se han preguntado si debemos ir más allá.
Para Kempes, la evolución es una ley invaluable para investigar los orígenes de la vida, pero puede que no sea todo lo que necesitamos:
Para Jeremy England, físico de Georgia Tech en Atlanta, la evolución darwiniana explica la transformación de la vida en la Tierra, pero haríamos bien en adoptar una teoría más universal para comprender por qué la materia se organiza espontáneamente en la vida.
De hecho, los científicos que abordan el difícil problema de los orígenes de la vida se han adentrado en el pasado evolutivo solo para extenderse mucho más allá.
En el proceso, han comenzado a ver la vida de formas nuevas y sorprendentes.
¿Es la vida fácil o difícil?
La pregunta contiene una paradoja en el estudio de los orígenes de la vida que ha estado con nosotros desde el momento en que Darwin reavivó inadvertidamente la búsqueda.
A finales del siglo XIX, la vida parecía algo fácil.
Parecía surgir por todas partes, especialmente de materia en descomposición. Los gusanos en la carne o los ratones en el grano sugerían que la generación espontánea de vida no era rara ni singular.
Ingrese al contemporáneo de Darwin, el biólogo francés Louis Pasteur, quien tenía la intención de demostrar que esta opinión estaba equivocada. Para hacerlo, Pasteur aisló medios orgánicos estériles para mostrar que nada vivo emerge de ellos. A su vez, hizo que pareciera que la vida era algo extremadamente difícil, casi parecía imposible.
El efecto fue disuadir a muchos de sus contemporáneos de investigar por completo la cuestión de los orígenes de la vida.
Sin embargo, si, como creían cada vez más los contemporáneos de Darwin, la vida no siempre existió en la Tierra, entonces tenía que surgir espontáneamente al menos una vez.
¿Pero cómo?
A mediados de los siglo20, mientras que Miller y Urey trataban de la vida divina de la sopa química, una figura de un universo teórico diferente se enamoró del desafío.
Este fue el físico Erwin Schrödinger, quien ayudó a trasladar la investigación sobre los orígenes de la vida de la sopa a la genética molecular.
En su artículo 'Qué es la Vida?' (1944), Schrödinger explicó que estaba fascinado por la vida porque parecía actuar de manera distinta a "cualquier pieza de materia" que estudian los físicos y químicos.
No es que la vida no esté sujeta a las leyes de la física, su material se rige por las mismas leyes que todo lo demás. Es que la vida parece sorprendente a la luz de las leyes de la física.
En los sistemas físicos cerrados, la entropía aumenta con el tiempo:
En los sistemas vivos, algo diferente es cierto:
La noción de Shannon de información como medida de sorpresa ha ayudado a los investigadores a teorizar el surgimiento de la vida...
Además de considerar la idea de que podríamos necesitar otra ley o un concepto como la entropía negativa para explicar los seres vivos, Schrödinger pensó que se podría encontrar una explicación al determinar cómo la vida se perpetúa a sí misma por replicación.
La forma en que las estructuras se forman, se copian a sí mismas, cambian y transmiten esos cambios para producir estructuras cada vez más complejas, podría explicarse entendiendo como lo que él llamó la "sustancia hereditaria".
Pensaba que lo que más necesitaba comprensión era la,
Algo parecido a esta estructura, sugirió, podría ser el mecanismo de la herencia y la fuente de la capacidad de la vida para perpetuar el orden y la complejidad.
Mientras avanzaba la búsqueda de la sustancia hereditaria, otra figura ofreció una segunda idea teórica clave.
Este fue el matemático Claude Shannon, el fundador de la teoría de la información. En su artículo fundamental 'Una teoría matemática de la comunicación' (1948), Shannon buscó explicar la estructura básica de la comunicación y demostrar cómo la información se puede codificar y transmitir en forma binaria.
Para Shannon, la información es una medida de incertidumbre o sorpresa.
Podríamos pensar que la información es simplemente el material de la comunicación, pero, desde la perspectiva de Shannon, la información era comunicación sobre la incertidumbre: cuanta más incertidumbre o sorpresa, más información recibimos.
En la medida en que la información sea un sistema de codificación y decodificación, por supuesto, se encuentra en el núcleo de la genética molecular.
Pero más recientemente, la noción de Shannon de la información como una medida de incertidumbre o sorpresa ha ayudado a los investigadores a teorizar el surgimiento de la vida, la gran sorpresa que tanto desconcertó a Schrödinger.
El principio hereditario de Schrödinger inspiró a James Watson y Francis Crick quienes, con la ayuda de los datos y la investigación de la química Rosalind Franklin, descubrieron la estructura de doble hélice del ADN.
Como señalan en las líneas finales de su artículo histórico 'Estructura molecular de los ácidos nucleicos: una estructura para el ácido nucleico desoxirriboso' (1953), el ADN podría considerarse como un mecanismo de copia clave para toda la vida.
Mientras escriben: "No se nos ha escapado que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere de inmediato un posible mecanismo de copia del material genético".
Poco más de un mes después, publicaron un segundo artículo, titulado "Implicaciones genéticas de la estructura del ácido desoxirribonucleico" (1953).
Allí comentan que el material hereditario parece también transmitir información.
En sus palabras:
Watson y Crick no se tomaron del todo en serio gran parte del pensamiento computacional o cibernético sobre la información que animaba el mundo teórico de Shannon, comenta el zoólogo e historiador de la ciencia Matthew Cobb.
Pero parecían compartir la sensación de que la información era clave para comprender cualquier sistema de codificación y decodificación.
El descubrimiento de Watson y Crick fue, por supuesto, profundamente significativo para la biología evolutiva en general y para la biología molecular en particular.
Pero, ¿cuál fue su importancia para la investigación sobre los orígenes de la vida?
Con un mecanismo de replicación, los científicos comenzaron a explorar la idea de que la vida temprana, si no la primera vida, comenzaba con el inicio de la replicación.
Sin embargo, había un problema:
Una vez que se forma, el ADN transporta la información necesaria para producir proteínas que realizan gran parte del trabajo funcional de la vida, desde estructurar las células hasta transmitir señales entre órganos.
El ADN también se basa en tipos específicos de proteínas llamadas enzimas, para catalizar reacciones que le permiten copiarse a sí mismo. Pero las proteínas no estaban presentes en la Tierra primitiva y requieren ADN para su producción.
Si ni el ADN ni las proteínas auto replicantes fueron lo primero, ¿qué moléculas iniciaron el proceso de replicación?
En la década de 1960, los científicos comenzaron a considerar que un candidato para este proceso podría ser el ácido ribonucleico o ARN. En los organismos vivos, el ARN ayuda al ADN a convertir su información en productos funcionales que son posibles gracias a las proteínas.
Durante muchos años, el ARN se conoció simplemente como el mensajero que transcribía la información en el ADN para que su código pudiera traducirse en proteínas funcionales.
Sin embargo, los primeros experimentos con ARN comenzaron a sugerir que, a diferencia del ADN, el ARN podría realizar no una sino dos funciones esenciales para la replicación. Los científicos sabían que, como el ADN, el ARN podía transportar información; lo que empezaron a ver es que, al igual que las enzimas, también podría catalizar reacciones químicas.
En la década de 1980, el biólogo molecular Sidney Altman y el químico Thomas Cech con sus respectivos equipos de investigadores, hicieron un avance en este sentido: de forma independiente, demostraron que las moléculas de ARN pueden actuar como enzimas que catalizan reacciones.
No mucho después del descubrimiento de esta propiedad catalítica del ARN, los científicos comenzaron a abrazar más ampliamente la idea del 'mundo del ARN', un mundo en el que el ARN era una forma de vida temprana, capaz de catalizar la replicación de su propia información.
Sin embargo, el mundo del ARN se vio acosado por una serie de problemas.
En los últimos años, el mundo del ARN se ha encontrado, por tanto, con algunas teorías rivales sobre los primeros replicadores de la Tierra.
En 2017, por ejemplo, los científicos Elizaveta Guseva, Ken A. Dill y Ronald N. Zuckermann propusieron una teoría de que las moléculas similares a proteínas podrían haber sido los primeros replicadores.
Los desafíos al mundo del ARN son solo una indicación de que los científicos están lejos de un consenso sobre los orígenes químicos de la vida.
De hecho, la falta de consenso parece estar impulsando a los científicos a regresar a comienzos hipotéticos y desarrollar nuevas hipótesis radicales.
Otros han comenzado a pensar más sistémica, termodinámicamente, universalmente sobre cómo surgió la vida...
Un intento de teorizar de nuevo los orígenes de la vida entró en foco hace unos 20 años, cuando el físico Freeman Dyson propuso en su libro Origins of Life (1999) que desarrollemos una hipótesis de dos orígenes para explicar los dos procesos esenciales para la vida temprana:
Dyson adaptó el innovador trabajo de la microbióloga Lynn Margulis, quien descubrió que la vida celular temprana combina al menos dos organismos diferentes para formar la célula nucleada.
Para Dyson, el mundo de la sopa primordial experimental inaugurado por Miller y Urey podría ayudar a los científicos a comprender el metabolismo temprano.
El mundo del ARN ofreció una posible visión del proceso de replicación:
Él comparó el primero con el hardware de la computadora y el segundo con el software: el hardware, argumentó, debe ser lo primero, pero ambos son esenciales para la máquina.
Desde Dyson, otros también han comenzado a pensar de manera diferente, más sistémica, más termodinámicamente, más universalmente, sobre cómo podría haber surgido la vida.
David Baum, botánico y biólogo experimental de la Universidad de Wisconsin-Madison, enfatiza que para comprender los orígenes químicos de la vida debemos hacer justicia a la inmensa complejidad de los sistemas químicos prebióticos.
Como él explica:
En los experimentos sobre los orígenes de la vida dentro del ámbito genético, explica Baum, dos fenómenos son clave.
Primero, hay plantillas:
Este proceso se asemeja a los sistemas de información y podría ser algo que los experimentadores puedan recrear.
El segundo fenómeno es la traducción, que implica,
Esto, en comparación,
Si bien Baum tiene cuidado de señalar nuestros límites experimentales actuales, está lejos de tener esperanzas sobre las perspectivas de estudiar los orígenes de la vida en el laboratorio. Al final, dice, cualquiera que haga experimentos,
Aun así, esto no quiere decir que la vida sea algo simple:
A Baum le parece posible que las leyes del Universo generen necesariamente vida, pero las particularidades de cómo los productos químicos se convierten en sistemas vivos siguen siendo impredecibles.
Podríamos decir que la química temprana de la vida está llena de información sobre Shannon, llena de sorpresas.
El físico England ve las cosas de otra manera.
Para él, la vida no es nada sorprendente:
En su hipótesis, llamada "adaptación impulsada por la disipación", las leyes del Universo generan la estructura ordenada que llamamos vida.
Su teoría aborda el desafío de Schrödinger de explicar por qué la vida no sigue el camino de la materia en sistemas cerrados hacia una mayor entropía y por qué, en cambio, se vuelve más ordenada y compleja con el tiempo.
Como explica England en una conferencia en 2014, y en su próximo libro, en sistemas que no están en equilibrio con una poderosa fuente de energía, como el Sol, la materia necesariamente forma estructuras que ayudan a disipar la energía.
Para los seres vivos, una de las formas más eficientes de organizarse para disipar la energía es reproducirse.
De acuerdo con la teoría de Inglaterra, las formas de vida aumentan en complejidad no solo porque están sujetas a la evolución darwiniana, sino también, más fundamentalmente, porque deben mejorar en la disipación de energía.
Según England:
Para otros científicos, como Eric Smith en el Earth-Life Science Institute en Tokio, estudiar los orígenes de la vida significa recurrir a la biosfera en su conjunto, el complejo sistema biológico, dice:
Para Smith, el marco evolutivo para la investigación de los orígenes de la vida a menudo lleva a los científicos a centrarse en el origen del organismo. Esto impide un pensamiento más amplio sobre los sistemas vivos.
Para comprender la vida y sus orígenes, sostiene Smith, debemos mirar las estructuras organizativas y químicas que sustentan la vida misma.
Mientras tanto, físicos como Sara Walker de la Universidad Estatal de Arizona dicen que, para entender la vida, necesitamos volver más directamente a los primeros principios.
Para Walker, un principio clave que debemos comprender es la información, y debemos comprenderla de manera mucho más generalizada que los primeros genetistas.
Como ella dice:
Por el momento, no entendemos la información lo suficientemente bien, pero si comenzamos a comprender cómo la información interactúa con la materia, estaremos mucho más cerca de explicar la vida.
A medida que el marco evolutivo para la investigación de los orígenes de la vida se ha expandido y deshilachado, también lo ha hecho la definición de vida. Una vez que los científicos comienzan a pensar en la organización espontánea de los productos químicos prebióticos, los límites entre vivos y no vivos comienzan a difuminarse.
Para algunos investigadores, como el biólogo evolutivo David Krakauer, los desafíos a la definición de vida son bienvenidos.
Según Krakauer, el enfoque en la replicación de formas que llamamos seres vivos nos impide pensar biológicamente sobre la fascinante variedad de sistemas emergentes que tenemos ante nosotros, cosas que no diríamos que están vivas.
Hamlet está vivo y virus informáticos y redes culturales podrían, con razón, considerarse formas de vida...
Existe una obsesión por los orígenes y la idea de que no se puede divorciar la generalidad del principio del origen del principio, dice Krakauer.
Y eso es un error...
Sería como decir que Johannes Gutenberg inventó la imprenta para replicar la Biblia por lo que solo se puede usar para Biblias. Pero es útil para muchos tipos de libros.
Del mismo modo, aunque Schrödinger estaba interesado en una replicación confiable en el contexto de la química, ¿quién puede decir que el contexto de Gutenberg, la imprenta, no se basa en el mismo principio?
Krakauer cree que los científicos de los orígenes de la vida harían bien en buscar principios generales de vida y replicación en lugar de centrarse únicamente en la naturaleza histórica del surgimiento de la vida en la Tierra.
En el cierre de '¿Qué es la Vida?', Schrödinger da un giro sorprendente que parece anticipar esta reconsideración de la vida.
Para hacerlo, se aventura en el reino de la conciencia humana. En esta sección del artículo, Schrödinger se remonta a los Upanishads para sugerir que la conciencia individual no es más que un lienzo para recolectar recuerdos. Dice que cuando esos recuerdos se desvanecen, no experimentamos ningún tipo de muerte.
Incluso si un hipnotizador borrara todos los recuerdos de uno, dice Schrödinger, uno no perdería la propia existencia personal.
El contenido de esos recuerdos, además, está vivo:
Dado que el mundo genera contenido vivo continuo para el lienzo de la conciencia, nunca hay ninguna,
Krakauer comparte muchas de las opiniones de Schrödinger.
Piensa que hay muchas formas de vida, que Hamlet, por ejemplo, está vivo y que los virus informáticos y las redes culturales también podrían considerarse formas de vida. También piensa que todavía no comprendemos los principios de la vida.
Le pregunté a Krakauer si pensaba que Schrödinger, en estas reflexiones finales, era un místico o un provocador o algo más. Dijo que Schrödinger estaba interesado en comprender la conciencia y que no estaba siendo místico con sus sugerencias.
Como explicó Krakauer:
En resumen, él también buscaba principios de vida más amplios.
Cuando miramos el trabajo sobre los orígenes de la vida desde la época de Darwin en adelante, vemos que el campo es asombrosamente resistente, quizás no muy diferente de los sistemas de vida emergentes que estudia. Cuando llega a un callejón sin salida, se vuelve a concebir espontáneamente.
Los marcos teóricos que animan su investigación han adaptado el pensamiento de Darwin de innumerables formas, y ahora se mueven más allá de Darwin hacia nuevos marcos teóricos.
Estos marcos hacen que prestemos atención a la vida de diferentes formas.
Buscamos signos de vida en los planetas exteriores o en los intersticios de rocas y hielo; o vemos la vida replicándose en los tapices iterativos de la cultura.
Buscamos formas en las que la vida nos sorprenda...
Casi parece como si la vida emergiera precisamente cuando nuestras ideas sobre ella comienza a conformarse con el fenómeno que estamos intentando concebir.
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