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  • Investigación y Ciencia
  • Octubre 2014Nº 457
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Evolución

Un campo activo.

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PRINCETON GUIDE TO EVOLUTION
Dirigido por Jonathan B. Losos et al. Princeton University Press; Princeton, 2014.

La emergencia de nuevas enfermedades o la resistencia creciente a la lucha contra epidemias y microorganismos, por no hablar del impacto de las condiciones ambientales antropogénicas sobre las poblaciones naturales, no se entienden sin la selección natural y el cambio evolutivo. En otro orden, áreas extensas de la vida moderna (del sistema legal hasta la computación, pasando por los modelos económicos) recurren al pensamiento evolutivo y utilizan los métodos desarrollados en biología. Las nuevas herramientas y planteamientos teóricos se nos ofrecen en esta guía de ponderable claridad y precisión.

De la realidad de la evolución, aceptada ahora como un hecho incontrovertible, ofreció numerosas pruebas el propio Charles Darwin, quien las recabó de fuentes muy dispares (paleontológicas, sistemáticas, embriológicas, morfológicas y biogeográficas) y las conjugó en un marco coherente de una descendencia con modificaciones. Hoy la observación directa de poblaciones naturales y artificiales nos permite ver en acción el proceso evolutivo.

Como premisa obligada, cada vez adquiere mayor importancia la evolución prebiótica, el origen de la vida que habrá de desplegarse, en el curso del tiempo, en un árbol frondoso de taxones creados a través del mecanismo de selección natural, la deriva genética o la mutación. No existe un modelo estándar, canónico, del origen de la vida. Pero todos los esgrimidos se construyen sobre cierto número de descubrimientos acerca del origen de los componentes celulares y moleculares de la vida.

Los reactivos químicos inorgánicos básicos a partir de los cuales se formó la vida son el metano (CH4), el amoniaco (NH3), el agua (H2O), el ácido sulfhídrico (H2S), el dióxido de carbono (CO2) y el anión fosfato (PO43—). Las condiciones prebióticas terminaron por permitir la síntesis de determinadas unidades básicas, o monómeros; por ejemplo, los aminoácidos. Quedó demostrado en el experimento, acometido en 1953, por Stanley L. Miller y Harold C. Urey. El entorno prebiótico contaba con compuestos de carbono simples y con fuentes de energía capaces de movilizar reacciones químicas. Esas reacciones producían otros compuestos de carbono de complejidad creciente; algunos de estos pudieron concentrarse en compartimentos protegidos por membrana, mientras que otros pudieron enhebrarse para formar cadenas poliméricas. Los polímeros se encapsularon en los compartimentos y produjeron numerosas protocélulas.

En el camino hacia la aparición de la protocélula se requirió el advenimiento de fosfolípidos para formar espontáneamente bicapas lipídicas, uno de los dos componentes básicos de la membrana celular. La polimerización aleatoria de los nucleótidos en moléculas de ARN pudo haber dado lugar a ribozimas autorreplicantes, que catalizaban la transferencia de péptidos y, por ende, la creación de proteínas. Estas superan a las ribozimas en capacidad catalítica y, por tanto, se convirtieron en el biopolímero dominante.

Aunque nadie ha sintetizado todavía una protocélula utilizando los componentes básicos (el llamado enfoque «de abajo arriba»), la investigación persiste. A este respecto, destacan los trabajos de Jack Szostak y su grupo, de la Universidad Harvard. Otros autores han optado por un planteamiento «de arriba abajo». Laboran en esa línea Craig Venter y su Instituto de Investigación Genética, que se vale de la bioingeniería en células procariotas para ir recortando genes progresivamente hasta alcanzar los requisitos mínimos para la vida. John Desmon Bernal acuñó el término biopoiesis para designar ese proceso, y sugirió que había un número de estadios reconocibles: origen de los monómeros, origen de los polímeros biológicos y evolución de lo molecular a lo celular. La evolución darwinista comenzaría en una fase muy temprana.

Los compartimentos protocelulares constituían una versión en miniatura de química combinatoria; cada protocélula contenía una mezcla diferente de polímeros y monómeros y representaba un experimento natural. (La química combinatoria es una vía de realizar múltiples reacciones químicas en paralelo. Cada combinación puede ser diferente, de modo que la información sobre condiciones de reacción puede obtenerse mucho más rápidamente que la realización de una serie de experimentos con diferentes condiciones una tras otra.) Unos polímeros podrían gozar de capacidad catalítica; otros pudieran replicarse. Unos cuantos compartimentos celulares, muy pocos, alojaban catalizadores y moléculas replicantes en cuyo seno los catalizadores podrían acelerar la replicación, y los polímeros replicantes podrían portar un tipo de información genética que codificara la secuencia de monómeros de los catalizadores. La evolución biológica comenzó con sistemas compartimentados de moléculas que podían crecer y reproducirse. Parece, pues, obvio que, para que la vida comenzara su andadura, hace unos 4000 millones de años, se requería agua líquida, una solución diluida de potenciales monómeros (aminoácidos, nucleobases) y un recinto de confinamiento.

¿Cómo pudieron los polímeros quedar encerrados en compartimentos membranosos para formar protocélulas? Es sabido que las membranas lipídicas, cuando se resecan, se fusionan en estructuras multilamelares; cabe, pues, la posibilidad de que los ciclos de humedad-sequedad en la Tierra incipiente llevaran a cabo ese proceso. Se ha comprobado que los liposomas secados en presencia de ácidos nucleicos o proteínas atrapaban los polímeros entre las capas. Cuando se agregaba agua a la película seca, las capas lipídicas tornaban a formar vesículas. Tal podría ser un proceso plausible por el que se produjeran en la Tierra inicial los sistemas protocelulares primitivos de moléculas poliméricas.

Cada protocélula constituía una suerte de experimento natural. Los sistemas debían captar fuentes de energía disponibles para crecer por polimerización de monómeros nutrientes y reproducirse luego. Hoy eso lo hace la vida heterotrófica mediante acumulación de moléculas simples que proceden del entorno; para activar esas moléculas, se utiliza la energía química durante el metabolismo y así se constituyen polímeros (proteínas y ácidos nucleicos). Las primeras células necesitaron también almacenar información y replicarla cuando se reproducían, de modo que las propiedades pasaran a la generación siguiente. Resultaba inevitable que en ese proceso se produjera algún error, alguna mutación. Las imperfecciones en la replicación eran importantes, porque significaban que la vida podía explorar diferentes nichos e iniciar su largo recorrido hacia la vida celular. Pero, ¿qué era la vida?

No existe una definición de vida comúnmente aceptada. Ni resulta fácil establecer la frontera entre lo inerte y lo vivo. Un sistema para cuyo desarrollo todos los nutrientes requeridos estuvieran presentes en el medio, ahorrando todo metabolismo, recordaría el mundo de los virus, que dependen del citoplasma de una célula para reproducirse. Los virus, no obstante, pueden evolucionar.

Hasta el más simple de los microorganismos encierra una extraordinaria complejidad. Por eso, suelen esbozarse un conjunto mínimo de propiedades asociadas con todo sistema vivo: consta de polímeros (ácidos nucleicos y proteínas), que se sintetizan e interaccionan en el interior de un recinto delimitado por una membrana (con función de confinamiento, transporte de nutrientes y transducción de energía); los ácidos nucleicos poseen una capacidad única para almacenar y transmitir información genética, en tanto que las enzimas son proteínas con capacidad única para actuar como catalizadores; polímeros genéticos y catalíticos se incorporan en un sistema cíclico controlado por retroalimentación, en el que se utiliza la información de los polímeros genéticos para dirigir la síntesis de polímeros catalíticos y estos intervienen en la síntesis de aquellos.

Los sitios plausibles para el origen de la vida se caracterizan por una o varias propiedades que, se supone, han facilitado los procesos químicos y físicos obligados. Hace ya bastantes años, Desmond Bernal sugirió la arcilla. Abundando en ello, Graham Cairns-Smith propuso un mecanismo en cuya virtud la evolución podría haber producido cambios en el sustrato genético de los organismos; podría haberse dado un remplazamiento genético a medida que los compuestos orgánicos fueran adsorbidos en la arcilla y organizados por esta. El grupo encabezado por James Ferris realizó un estudio exhaustivo de la montmorillonita y demostró que los mononucleótidos químicamente activados en forma de ésteres imidazol se adsorbían en la superficie del mineral. Cuando se concentraban en la vecindad, se producía la polimerización en oligómeros de una longitud de hasta 15 o más nucléotidos.

Debemos a Gunther Wächtershäuser un modelo interesante de reacción de superficie. En su opinión, la vida pudo haber empezado en forma de química bidimensional sobre la superficie de pirita, mineral cristalino compuesto de sulfuro de hierro. La pirita posee una carga positiva de superficie; adsorbe solutos negativamente cargados (carbonato o fosfato). Además, cuando el sulfhídrico reacciona con el hierro en solución para formar pirita, la reacción puede ceder electrones a los compuestos enlazados y activar energéticamente una serie de reacciones que de otra forma no podrían darse en solución. Wächtershäuser contempla en esas reacciones el comienzo del metabolismo, que ocurren en una superficie mineral plana, no en el volumen de una célula. A diferencia de los experimentos de Urey-Miller, que dependían de fuentes externas de energía (distintos tipos de radiación), los sistemas de Wächtershäuser vienen con la fuente de energía incorporada, la pirita. La energía liberada a partir de las reacciones redox de esos sulfuros metálicos estaba disponible para la síntesis de moléculas orgánicas y para la formación de oligómeros y polímeros. Esos sistemas podrían evolucionar y formar conjuntos autocatalíticos de entidades autorreplicantes y metabólicamente activas, que podrían ser precursores de las actuales formas de vida.

En la hipótesis defendida por Jeffrey Bada y Stanley Miller, la Tierra primitiva podría hallarse recubierta de una capa de hielo global. Bajo esas condiciones, se conservarían los compuestos orgánicos durante intervalos mucho más prolongados; la fusión ocasional producida por los impactos liberaría las moléculas orgánicas e iniciaría reacciones químicas necesarias para el origen de la vida.

Todas esas propuestas implican reacciones de compuestos bastante simples. Sin embargo, para que la evolución tome la iniciativa, debe existir un punto en el que sistemas complejos interaccionantes de moléculas poliméricas queden confinados en el interior de membranas delimitantes. El sitio más plausible para el origen de la vida no sería el océano abierto, ni tierra firme. Más propicios se nos antojan lugares donde el agua líquida y la atmósfera primitiva formaron una interfaz con superficies minerales, como las rocas volcánicas. Las interfaces poseen propiedades especiales, pues permiten que se desarrollen estos procesos esenciales que no se dan en otros sitios: ciclos de humedad-sequedad, concentración y dilución, formación de compartimentos y química combinatoria.

La vida empezó cuando algunas protocélulas, del altísimo número de las que había, encontraron el camino no solo para crecer, sino también para incorporar un ciclo que implicaba funciones catalíticas e información genética. De acuerdo con esta hipótesis, los sistemas celulares de moléculas, y no moléculas individuales, constituyeron las primeras formas de vida.

Iniciada la evolución, ¿podemos ahormarla? ¿Podemos dirigirla? La evolución dirigida estriba en aplicar el mecanismo de selección para encauzar a los sistemas moleculares o celulares hacia determinados objetivos de interés. En general, requiere un sistema genético en el que se cifre la información, heredable y mutable; requiere también un medio para seleccionar entre variantes fundándose en diferencias en sus capacidades funcionales; y requiere la capacidad de multiplicar las moléculas u organismos seleccionados. La evolución dirigida de moléculas y células se ha realizado durante decenios, aunque los métodos empleados han ganado en refinamiento técnico y se ha ampliado la gama de sistemas con los que se puede trabajar. Si incluimos la mejora vegetal y animal, admitiremos que la evolución dirigida ha acompañado a la misma evolución de la sociedad humana.

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