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Los cimientos de la vida (entrevista a Michael J. Russell)

escrito por Germanico 8 julio, 2011

En la película de animación Horton, un simpático y bonachón elefante descubre por casualidad que dentro de una pequeñísima mota de polvo adherida a los pétalos de una flor existe una civilización. Tras lograr contactar con la máxima autoridad de la misma, su alcalde, hace todo lo que está en su trompa para poner la mota en un lugar seguro, lejos del alcance de los variados avatares del azar que podrían destruirla.

Los Quienes, así llamados los habitantes de tan diminuto lugar, son una peculiar réplica de los humanos a escala molecular. Contradicen con su imaginaria existencia lo que la ciencia conoce sobre los fenómenos que acaecen a dicha escala, pero no mucho más de lo que contradice la realidad de las formas de comunicación animal el hecho de que puedan hablar y comunicarse en un mismo lenguaje con un elefante que, cómo no, también habla.

En una de las escenas de esta divertida película, repleta de esos fantásticos contrasentidos del gusto de los niños y de los no tan niños, el alcalde de la comunidad cuasi-infinitesimal pasea por su pueblo y se cruza con un jefe de obra, que en esos momentos se encuentra dirigiendo la construcción de un edificio. Mientras, el elefante Horton, que sostiene la flor portadora de la mota de polvo sobre la que viven, da un salto juguetón impensable en un elefante, para caer sobre su panza. Él no sabía –nos cuenta el narrador- que una pequeña panzada ahí arriba abajo era un terremoto.

-“Hola Jou, ¡no te canses mucho!”
–le estaba diciendo el alcalde al jefe de obra.

Y mientras este le respondía -“¡Bah, estas casas de lujo no se construyen solas!” un temblor brutal de su pequeño mundo elevaba por los aires todos los materiales de construcción, que caían instantes después en perfecto orden con la forma de una casa de lujo ya construida.

El jefe de obra, Jou, exclama: “¡Eh, fíjate! ¡Pues sí que se construyen solas!” A lo que el alcalde repone: “¡¡¡Ooooooh, claro!!! ¡¿Cómo no?!!”.

Y quien lea esto se preguntará por qué cuento este auténtico cuento, y qué podría tener que ver esta fantasía desbocada con la vida. Lo ilustrativo es lo que no tiene que ver. El hecho cierto, que vienen comprobando los científicos desde hace décadas, es que las cosas no se ensamblan solas. No sólo es que no exista la denominada generación espontánea –esto es, que los bichitos no vengan de otros bichitos sino que se formen a partir de una mugre abiótica- es que tampoco en una escala molecular, que es la que está en el cimiento de toda cosa que se precie de llamarse vida, los átomos y moléculas sencillas se juntan alegremente sin que medie una fuerza externa para formar moléculas orgánicas complejas, y, estas últimas, tampoco se unen, como si de sexos opuestos se tratara, para bailar la danza de los procesos celulares, si no tienen un fuego alrededor del cual hacerlo. Las casas de lujo no se construyen solas. Tampoco es cuestión de mucho tiempo y un feliz acontecimiento, ni de que un viento huracanado convierta un depósito de chatarra en un Boeing 747, por utilizar la famosa metáfora contra la selección natural. Es necesario algún proceso físico-químico recurrente en marcha y un contexto en el que se encuentren los átomos y moléculas apropiados en cantidades suficientes y debidamente protegidos de un ambiente termodinámicamente hostil, como la mota del elefante Horton lo estaba sobre la trompa de este.

Una charca en medio de un mundo volcánico, sometida a toda clase de shocks térmicos, o un caldo molecular en un mar inmenso, donde la disolución es máxima, no parecen los lugares más apropiados para que empiecen a combinarse los elementos microscópicos para formar agregados que se repliquen y evolucionen.

La célula viva, con sus membranas externas y sus procesos internos tiene trazas, en sus moléculas de elementos minerales. Sin duda estos estuvieron presentes en el origen de esa la más pequeña unidad de vida (descartemos a los virus, que son sus parásitos y necesariamente vinieron después). Parece plausible que el contenedor de los complejos procesos energéticos y metabólicos de la célula fuera, antes de una membrana fosfolipídica, algún pequeño recoveco rocoso, en algún lugar termodinámicamente activo. Y dicho nicho sin duda proporcionó catalizadores y átomos para la construcción en marcha de lo que en un futuro sería un organismo independiente de dicho sustrato mineral.

¿Pero dónde encontrar dicho recoveco, dicho nido para que eclosionara el huevo de la vida, ese que necesariamente precedió a la gallina? Hubo alguien que predijo el lugar, con una aproximación enorme en cuanto a sus características físico-químicas, pero con muy poca en cuanto a su posición en el espacio. Michael Russell, que hoy trabaja para la NASA, propuso en los años 80 del pasado siglo que la vida tenía que haberse originado en una chimenea hidrotermal del fondo marino. La existencia de chimeneas tales era conocida, así como la floreciente vida que alrededor de ellas se agolpaba, en ecosistemas verdaderamente peculiares. Pero el tipo de chimenea propuesto por Russell no se había visto en ninguna parte, aunque se dedujera su pasada existencia a partir de algunos depósitos de fósiles. Debía de tratarse de una chimenea alcalina, tal como la define Nick Lane al hablarnos de ello en su libro sobre los hitos evolutivos. En dichas chimeneas la temperatura no es tan alta como en el otro tipo de chimeneas conocida, las negras y, por supuesto, el ambiente químico en ellas no es ácido, sino básico. Dentro de ellas se forma una intrincada red de celdillas interconectadas por las que fluyen el hidrógeno y el dióxido de carbono sobre una base mineral. El pastel de la vida pudo cocinarse ahí para luego, pues eso, adquirir vida propia.

La trompa que mantuvo vivos pues a los Quienes bioquímicos que llegarían ser una exuberante biosfera repleta de variadas especies, de auténticos Quienes, dotados de motivaciones y sensaciones, fue rocosa, y se encontraba en las profundidades del océano.

Volviendo a los elefantes, podríamos contar resumidamente el famoso cuento oriental del elefante y los seis sabios ciegos, que puede considerarse una crítica velada al reduccionismo en ciencia, visto desde cierta perspectiva perversa. En dicho cuento 6 sabios ciegos examinan un elefante, cada uno una parte, y luego dictaminan separadamente en qué consiste exactamente semejante animal. Obviamente quien toca el cuerno tiene una idea distinta de quien manosea la trompa o de quien salta sobre su grueso lomo. Si los sabios ciegos fueran capaces de comunicarse entre sí, abandonando sus compartimentos estanco como la célula abandonó, hace miles de millones de años el suyo, dentro de una chimenea, acaso, el cuadro que obtendrían de sus múltiples observaciones sin duda sería más rico y ajustado a la realidad de un elefante. En ciencia, hoy, las distintas parcelas se van uniendo para ofrecer una imagen cada vez más veraz de las cosas, de cómo surgieron, de cómo evolucionaron, de cómo son y cómo funcionan. Michael Russell, geólogo él, ha colaborado con otros muchos eminentes científicos de otras disciplinas para desentrañar los misterios de la construcción de la vida a partir de los ladrillos atómicos y termodinámicos. El resultado es un cuadro de una riqueza de matices y una belleza que asombra a quien lo ve. De una celda dentro de una chimenea en los abisales fondos marinos a un paquidermo terrestre hay, ciertamente, un abismo. Pero el paso de uno a otro no se debe a ningún sortilegio.

El Profesor Russell ha tenido la inmensa amabilidad de respondernos unas preguntas, puestas en inglés por José Miguel, cuyas respuestas tradujo Marzo.

El original inglés de esta entrevista lo pueden leer en La Nueva Ilustración Evolucionista.

1. ¿Qué es la vida?

Esta pregunta es más bien una trampa; es como preguntar “¿qué es el jazz?”. En mi opinión, lo mejor es preguntar: “¿qué hace la vida?”.  Mayormente la vida hidrogena (con H2) dióxido de carbono (CO2), como puede apreciarse mirando al fondo de la cadena trófica y a la base del árbol evolutivo. La reacción entre el hidrógeno (un donante de electrones) y el dióxido de carbono (un aceptor de electrones), mucho más rápida que las meras reacciones geoquímicas acuosas, resuelve las tensiones termodinámicas entre el CO2 atmosférico y el H2 liberado del agua ya geoquímica, ya fotoquímicamente. Así hace al mundo un poco más probable, esto es, lo lleva un poco más cerca del equilibrio global, una predilección del Universo como un todo. Como dijo Bernal: “La vida, geológicamente hablando, consiste en la interferencia con reacciones secundarias litosfera-atmósfera de manera que se produce una cantidad pequeña pero constantemente renovada de moléculas orgánicas” (Bernal 1960 The problem of stages in biopoesis, p. 34). Una fórmula aproximada de la vida es C70H130O65N10P junto con los vitales oligoelementos Fe, Mn, Ni, Co, Zn, Mo, W y S. Mediante el procesamiento metabólico de hidrógeno y dióxido de carbono se generan productos de desecho como metano (CH4), acetato (CH3COO-) y oxígeno (O2). Un resultado de la vida es oxidar la superficie sólida de nuestro planeta, un estado que evidencia una plétora de minerales que no habría en ausencia de vida.

Y vea http://journalofcosmology.com/Abiogenesis111.html

2. ¿Podría explicar su hipótesis sobre el origen de la vida?

La Tierra se aglomera y se calienta mediante flujo con fricción y radiogénesis.

Las celdas de convección del interior del planeta comienzan el proceso de enfriamiento.

Los volcanes exhalan dióxido de carbono, óxido nítrico y pirofosfato.

En el eón hádico se condensa un océano ligeramente ácido a partir del cielo de dióxido de carbono.

Los esmogs estratosféricos absorben una proporción de los rayos solares.

El océano carbónico, ahora frío, se infiltra en la agrietada corteza y sufre convección.

Manantiales ácidos de alta temperatura, acoplados a plumas de magma emergente, emiten al océano hierro ferroso y otros metales de transición.

Del suelo oceánico profundo emanan aguas alcalinas más frías, que contienen hidrógeno, ácido fórmico, metano, amoníaco e hidrosulfuro, moléculas reducidas a partir de agua y óxidos de carbono y nitrógeno por reacciones con el silicato ferroso, el hierro niquelífero residual y el sulfuro ferroso de la corteza oceánica en el importantísimo proceso de serpentinización.

Donde rezuman estas aguas alcalinas (que también contienen molibdeno y tungsteno) surgen en la oscuridad del océano montículos hidrotermales, que constan de capas de sulfuro de níquel-hierro y floculantes y películas de hidróxido ferroso.

En las zonas de filtración crecen intermitentemente burbujas de sulfuro e hidróxido de hierro.

Así, los fluidos hidrotermales se ven frustrados en su intento de mezclarse completamente con su fuente oceánica por la precipitación espontánea de estas barreras “biomórficas” que constan de compuestos de hierro microcristalinos.

Aunque la solución hidrotermal está contenida, a través de las capas conductoras de monosulfuro de hierro escapan electrones del hidrógeno adsorbido, atraídos para reducir el dióxido de carbono y el óxido nítrico que hay en estas barreras inorgánicas.

Protones procedentes del océano carbónico se abren paso hasta los interiores alcalinos de los compartimientos que forman la superficie exterior del montículo, donde generan pirofosfato (un precursor del ATP) a partir de acetil fosfato y ortofosfato.

El pirofosfato, una entidad de almacenamiento de energía, actúa para condensar y polimerizar las primeras moléculas orgánicas.

Es en el montículo hidrotermal, que actúa como una incubadora compartimentada, donde se obtiene la ulterior reducción del dióxido de carbono a acetato mediante catálisis por sulfuros metálicos.

Filtrados, adsorbidos y concentrados, y con la adición de amoníaco hidrotermal, estos productos protometabólicos reaccionan entre sí para formar aminoácidos, péptidos y los componentes de los nucleósidos.

Los cortos péptidos resultantes se apropian del papel de integrantes de membrana, secuestran fosfatos así como acúmulos de sulfuro de hierro recién formados, produciendo así protoferredoxinas, las ubicuas proteínas con el linaje evolutivo más antiguo.

En este momento se ensamblan en la membrana ribonucleótidos, que se fosforilan y condensan para formar los primeros coenzimas, los cuales pueden replicarse por apareamiento de bases Watson-Crick, un preludio del código genético.

Las cadenas laterales de aminoácidos concretos se ajustan a hendiduras de tripletes de nucleótidos en las cuales encajan.

Así codificados, los aminoácidos son polimerizados a proteínas, mediante catálisis ácido-base, por el pirofosfato, que es recargado por los protones que siguen entrando.

Estas proteínas primitivas se apropian del trabajo de secuestrar los acúmulos inorgánicos sustituyendo en él a los péptidos no codificados como enzimas y coenzimas, y por tanto promueven el progreso de la quimiosíntesis y así sostienen a la incubadora, el reactor electroquímico, de la que salieron.

Reacciones e interacciones se ajustan entre sí según se van recorriendo trabajosamente las primeras vías metabólicas.

A partir de estos bullentes orígenes, los emergentes procariotas se desacoplan del sistema hidrotermal inmediato.

Esta circuitería hidrotermal ofrece una provisión continua de electricidad y proticidad a un voltaje adecuado para el surgimiento de la vida en la oscuridad.

La primera correría exploratoria de la vida es a la corteza subyacente, para iniciar la “biosfera profunda”, que es hasta hoy el archivo de muchos de los microorganismos que forman la raíz del árbol evolutivo.

Se explotan también otros donantes y aceptores de electrones, algunos ahora disponibles gracias a la evolución geoquímica y bioquímica del planeta.

Y se adoptan también otros metales de transición como centros apropiados para potenciales particulares.

A esto sigue la contención, aunque se intercambian genes.

Se colonizan nichos de temperaturas más bajas y más altas.

Se vislumbra amenazante la guerra de la quiralidad.

Aparece atrayente la fotosíntesis.

Se reclutarán simbiontes a partir de complejos y bien poblados consorcios de procariotas, y se concebirán los eucariotas.

Todas las superficies húmedas del planeta acabarán colonizadas por organismos.

Y vea http://www.youtube.com/watch?v=j_flx26bU0Q

3. Debido al muy dudoso registro microfósil (Schoppf, Brasier et al.) ha habido considerable debate acerca de cuándo empezó la vida sobre la tierra. ¿Cuándo piensa usted que surgió la vida?

Los sistemas lejos del equilibrio (bien ordenados), de los que la vida es sólo un ejemplo, tienden a surgir tan pronto como están disponibles las energías adecuadas. El comienzo de la convección hidrotermal que alimenta los manantiales calientes es un buen ejemplo. Si conocemos la permeabilidad de la roca, el espesor de la capa permeable, el contraste de temperaturas entre la cima y la base de la celda hidrotermal y ciertas constantes físicas, podemos predecir si arrancará una celda de convección que sustituirá a la simple conducción térmica. Dadas condiciones de desequilibrio, también es probable un parecido inicio temprano, fácil y rápido del metabolismo. En verdad, el origen de la vida habría estado acoplado a la convección. Así, desde la perspectiva de abajo arriba considero que la vida surgió tan pronto como se hubo condensado y enfriado el primer océano (carbónico), en algún momento entre hace 4.400 y 4.300 millones de años. Los primeros indicios fósiles se ven en los sedimentos metamórficos más antiguos del planeta. Tienen 3.800 millones de años de edad y la evidencia incluye moléculas orgánicas con la clase de firma isotópica que se esperaría de un origen microbiano (Schidlowski 1988 Nature 333, 313; Rosing 1999 Science 283, 674).

4. ¿Qué huellas piensa que ha dejado la forma de vida primordial en la composición, estructura y funcionamiento de nuestras células?

Los cubos de sulfuro de hierro alojados en proteínas como las ferredoxinas de las mitocondrias que ocupan nuestra membrana externa (nuestra piel) son fósiles vivientes estructuralmente comparables a los minerales de sulfuro de hierro que desempeñaron un papel similar en el alba de la vida.

La vida funciona mediante las operaciones de la fuerza protón-motriz a través de la membrana celular, una fuerza que recuerda a la incubadora de la vida, donde un montículo hidrotermal alcalino estaba bañado en un océano carbónico ligeramente ácido (“rico en protones”).

Y vea http://journalofcosmology.com/Abiogenesis100.html

y http://journalofcosmology.com/Abiogenesis118.html

5. ¿Qué condiciones geológicas, climáticas, físicas y químicas había en la Tierra primitiva? ¿Cuáles son en su opinión las condiciones óptimas para que surja la vida?

Los modelos geoquímicos muestran que la Tierra primitiva fue un tormentoso mundo acuático con poca o ninguna tierra firme y cuya atmósfera consistía principalmente en dióxido de carbono y nitrógeno, con algo de óxido nítrico y diversas formas de azufre oxidado. Los metales de transición, vitales para la catálisis, los suministraban al oceáno ligeramente ácido manantiales submarinos más ácidos a unos 400°C. Sobre manantiales submarinos alcalinos que manaban a unos 100°C a este oceáno levemente ácido se precipitaban minerales inorgánicos. Estos precipitados minerales inorgánicos dieron montículos compartimentados, con el océano ácido parcialmente separado del interior alcalino. La mezcla de los dos fluídos estaba inhibida, de manera que había entre ellos una diferencia de potencial electroquímico de aproximadamente 1 voltio. Es el consumo de esta energía potencial electroquímica lo que dio origen a la vida. En verdad, la vida sólo pudo surgir donde las condiciones geoquímicas estaban lejos del equilibrio termodinámico.

Y vea http://journalofcosmology.com/Abiogenesis109.html

6. ¿Cree usted que la vida en otros planetas es probable o improbable? Si es lo primero, ¿cree usted que es probable que surja vida compleja multicelular, incluso vida consciente?

La vida habrá surgido, como consecuencia de la convección, en cualquier planeta húmedo y rocoso lo bastante grande como para haber tenido una atmósfera de dióxido de carbono. Dados tiempo, el inicio de la fotosíntesis oxigénica y la sedimentación (soterramiento) de una parte de los detritus orgánicos, la vida tendrá el efecto de secuestrar dióxido de carbono y liberar oxígeno, proporcionando un potente aceptor de electrones de fácil acceso, uno que permite el aumento de la complejidad metabólica y del tamaño de los organismos eucariotas.

La consciencia, desde un punto de vista evolutivo, abre a la explotación la cuarta dimensión, en particular respecto a las moléculas orgánicas de alta energía depositadas en estratos geológicos de hasta cientos de millones de años de antigüedad que habían escapado a la oxidación tras la muerte de sus hospedadores. Así pues, la vida consciente aprende a extraer y quemar como combustible un almacén de sobras de energía solar, y lo hace tan rápidamente como puede, siguiendo lo que se ha llamado la cuarta ley de la termodinámica, la ley de máxima producción de entropía. Si los seres conscientes de nuestro planeta podrán o no pasar de usar energía química a energía fotosintética (un paralelo con la evolución misma) a tiempo para evitar un excesivo calentamiento global y el agotamiento de los depósitos de hidrocarburos es un experimento en curso. Por supuesto, los planetas secos carecerán de vida.

Y vea http://journalofcosmology.com/SearchForLife121.html

y http://journalofcosmology.com/Abiogenesis107.html

7. Carl Sagan dijo que somos “polvo de estrellas”. ¿Qué más somos?

Pero somos más que polvo de estrellas; somos polvo de supernova porque la vida requiere al menos molibdeno, el elemento 42 (la “Respuesta Definitiva a la Cuestión Definitiva sobre la Vida, el Universo y Todo” del superordenador de Douglas Adams), mientras que el polvo de estrellas sólo puede ofrecer elementos hasta el 26 (el hierro). En verdad, los microorganismos hipertermófilos requieren aun el elemento 74 (el tungsteno).

Somos un sistema altamente ordenado (de baja entropía) entregado a generar desorden (maximizar la producción de entropía) obedeciendo la segunda ley de la termodinámica.

Y vea http://journalofcosmology.com/Abiogenesis101.html

8. ¿Cuándo empieza la evolución? 

La evolución empieza en los sistemas metabólicos aun antes de que surja el mundo de ARN. Opera mediante la retención de reactivos aniónicos producto de reacciones de condensación. Por ejemplo, péptidos cortos que puedan plegarse de manera tal que secuestren cationes inorgánicos para producir protoenzimas que promuevan ulteriores reacciones tenderán a ser retenidos (seleccionados) dentro de los compartimientos inorgánicos, mientras que moléculas más sueltas, no cargadas, tenderán a ser expelidas a la solución hidrotermal eluyente. La evolución es el motor de búsqueda de energías y materiales compatibles con los primeros que usó la vida emergente. 

Y vea http://journalofcosmology.com/Abiogenesis104.html 

9. ¿En qué trabaja ahora? ¿Cuál es su máximo reto? ¿Cuál el misterio que soñaría con desvelar? 

El problema que nos hemos planteado es entender, mediante experimentación, los primerísimos pasos del metabolismo; esto es, cómo la lenta reducción (hidrogenación) del dióxido de carbono atmosférico se volvió “crítica” mediante un suministro adicional de energía electroquímica; una consecuencia de la precipitación espontánea de una membrana inorgánica que permitió el flujo particular de protones y electrones para avivar las reacciones meramente químicas que tenían lugar en el montículo hidrotermal. Así pues, aspiramos a contribuir a la resolución de este misterio y de esta manera añadir a la maravilla de nuestro estimulante y notable Universo.