Genética 101: ¿Cómo Surgió la Vida? La Historia de las Primeras Células en la Tierra

En la última entrega de Genética 101, exploramos el origen de la vida y revisamos múltiples teorías acerca de cómo surgió la primera célula en nuestro planeta. Desde el Big Bang hasta la formación del sistema solar y la Tierra, llegamos a la teoría clave: la sopa primordial. Según esta idea, los mares arcaicos de la Tierra estaban cargados de químicos, que, impulsados por fuentes de energía, como la de la radiación del nuevo Sol, las tormentas eléctricas o las erupciones volcánicas, pudieron combinarse para formar biomoléculas, los bloques de construcción de la vida. 

Hoy, continuaremos este viaje para descubrir cómo, a partir de esos elementos dispersos y un poco de química, se dieron los primeros pasos hacia la aparición de las primeras células y la vida como la conocemos.

La Tierra arcaica

Repasemos brevemente la Tierra arcaica y la teoría de la sopa primordial. Tras su formación, el medioambiente terrestre era radicalmente distinto al actual. La atmósfera no estaba compuesta de oxígeno y nitrógeno, sino por dióxido de carbono, metano y vapor de agua. Esta atmósfera se formó gracias a las continuas erupciones volcánicas que experimentó el planeta. Conforme el planeta se enfrió, el vapor de agua se condensó, dando lugar a los primeros océanos, donde quedaron disueltos diversos elementos químicos. 

El experimento de Miler y Urey recreó, en un pequeño frasco, las condiciones de la Tierra arcaica. Al simular las descargas eléctricas (como las tormentas) en una mezcla de gases y agua, demostraron que era posible que compuestos químicos simples se combinaran para formar biomoléculas. Aunque los seres vivos somos el resultado de complejas reacciones químicas, nuestros compuestos fundamentales son sorprendentemente simples. De hecho, solo se requieren seis elementos constituirlos:

C: Carbono 

H: Hidrógeno 

O: Oxígeno

N: Nitrógeno

P: Fósforo

S: Azufre

Estos elementos se combinan para formar biomoléculas. Por ejemplo:

• Azúcares y grasas: Carbono, Hidrógeno y Oxígeno (CHO).

• Proteínas: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre (CHONS).

• ADN y ARN: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Fósforo (CHONP).

La teoría de la sopa primordial señala que en los océanos arcaicos se formaron las primeras biomoléculas gracias a impulsos energéticos, como los de un rayo. 

¿Primero el ADN o primero la célula?

¿Qué fue primero el ADN, que contienen las instrucciones para formar un ser vivo o la célula, que tienen la maquinaria para seguir tales instrucciones? Volvamos a los mares arcaicos para responder esta pregunta. 

En los océanos primitivos, los compuestos químicos y la energía disponible permitieron la formación de las primeras biomoléculas, entre ellas los aminoácidos, los bloques de construcción de las proteínas. Este hallazgo fue el resultado de Miller y Urey. En nuestras células, los aminoácidos se ensamblan en proteínas gracias a los ribosomas. Sin embargo, el científico Sidney Fox comprobó que los aminoácidos pueden formar proteínas espontáneamente. No obstante, las proteínas por sí solas no constituyen vida.

Otros estudios han revelado que otras biomoléculas pueden formarse espontáneamente bajo ciertas condiciones fisicoquímicas. Entre ellas están los azúcares, los grupos fosfato, y las bases nitrogenadas. ¿Qué se forma al combinar estos tres componentes? La respuesta es el ADN. En el 2009, el equipo de John Sutherland llevó el experimento de Miller y Urey un paso más allá. Al añadir más parámetros, como radiación ultravioleta, consiguieron sintetizar un ribonucleótido, el bloque fundamental del ADN. 

El ADN está compuesto por dos cadenas de ribonucleótidos. Aunque las células utilizan proteínas para ensamblarlo, una sola cadena puede formarse espontáneamente sin necesidad de células, proteínas ni vida. Los científicos Ferris y Orgel descubrieron que, en la bentonita, un tipo de arcilla, los ribonucleótidos podían unirse en cadenas al ser sometidos a ciclos repetidos de hidratación y deshidratación, similares a los que ocurren en las playas: el sol deshidrata la arcilla cuando baja la marea, y el agua la rehidrata al subir. Por lo tanto, es posible que en esas antiguas playas aparecieran cadenas de ribonucleótidos, que no son ADN, pero son algo similar. Una sola cadena de ribonucleótidos forma ARN. 

El ciclo de la marea pudo permitir que se formara el ARN en playas y rocas cercanas al mar. 

¿Antes de las células hubo virus?

¿Cómo se pasó del ARN a una célula? La respuesta de nuevo está en el océano. 

Las células son unidades individuales de vida, delimitadas por una membrana celular que actúa como una barrera entre su interior y el mundo exterior, similar a nuestra piel.  Esta membrana está compuesta de fosfolípidos, moléculas grasas formadas por la unión de glicerol, ácidos grasos y un grupo fosfato. ¿Pueden estos compuestos formarse espontáneamente? La respuesta es sí: en las calderas hidrotermales, en las profundidades del océano, las condiciones de la temperatura, minerales y composición química permiten la formación espontánea de ácidos grasos. En el agua las grasas forman micelas, que, si has observado cómo se comporta la grasa en el agua, recordarás que forman algo similar a burbujas. 

Se cree que una micela pudo atrapar ARN y proteínas en su interior, dando lugar a una estructura que ya se asemejaba a un protoorganismo. Esta idea es fascinante, porque los virus, que no se consideran seres vivos al no estar compuestos por células, son un ejemplo de lo que podría formarse con una micela, ARN y proteínas, ya que básicamente son material genético envuelto en una capa de grasa y proteína. Los virus, tales como el COVID-19 o la influenza, pueden operar con ARN en vez de ADN, dado que el ARN posee una habilidad singular: almacenar y transferir información genética

¿Existieron los virus primero en el planeta? El consenso científico es que no. Los virus dependen de las células para replicarse, por lo que es poco probable que existieran antes que ellas. Sin embargo, las protocélulas, las primeras estructuras similares a células pudieron haber sido muy parecidas a los virus.

¿El huevo o la gallina?

El ADN y el ARN tienen la capacidad de replicarse, es decir, pueden hacer copias de sí mismos. Sin embargo, para lograrlo necesitan proteínas. Aquí surge una paradoja: para replicar el material genético se requieren proteínas, pero para fabricar proteínas se necesitan las instrucciones del material genético. Es el clásico dilema del huevo o la gallina: ¿qué fue primero? Aunque las proteínas pueden formarse espontáneamente, eso no garantiza que cumplan una función específica. En nuestro cuerpo, cada proteína está codificada y expresada por el ADN, y todas tienen un rol concreto.

El científico Crick, en 1976, bromeó diciendo que el ARN era “el intento de la naturaleza por hacer proteínas”. Aunque el ARN no es una proteína, puede actuar como una. Cuando el ARN no encuentra ribonucleótidos para seguir creciendo, hace una extrañeza: se dobla sobre sí mismo, formando una ribozima. Las ribozimas, dependiendo de su secuencia de nucleótidos, puede realizar funciones de proteínas como romper el ARN, combinar aminoácidos para formar proteínas o ensamblar nucleótidos para formar más ARN. En los océanos arcaicos, este proceso desencadenó una explosión de formación de ARN, un momento vital en la historia de la vida.

Si el ARN puede transformarse en una ribozima y actuar como una proteína, entonces llega el punto donde el ARN se replica así mismo, aunque no de la misma manera que una célula moderna. En este escenario, ¿por qué hacer el trabajo tú mismo si otro puede hacerlo? La primera proteína con una función específica que debió surgir fue la ARN polimerasa, una enzima capaz de generar más ARN. Una vez que esta proteína existió, el ARN pudo alargarse, mutar y diversificarse. Con el tiempo, los patrones más funcionales y estables desde el punto de vista químico dieron lugar a organismos de ARN: estructuras con una membrana celular primitiva y la capacidad de replicarse, sentando las bases de la vida. 

Cuando el RNA no puede seguir creciendo, se dobla sobre sí mismo y se transforma en una ribozima y adquiere capacidades similares a las de una proteína. 

La célula y el ADN

Se cree que la vida arcaica estaba basada en el ARN y no en el ADN. Como hemos visto, el ARN tiene múltiples ventajas: es versátil, puede actuar como enzima y, en gran medida, funciona casi de manera autónoma, siguiendo leyes fisicoquímicas. Pero entonces, ¿por qué necesitamos el ADN?

A pesar de que el ARN tiene capacidades asombrosas, no es infalible. La vida inició en el agua, pero el ARN no es tan estable en ella, mientras que el ADN sí lo es. Además, el ARN es impreciso: puede crecer y replicarse con facilidad, pero esto conlleva un alto riesgo de acumular errores (mutaciones, en términos genéticos). Recuerda, que en sus inicios, el ARN también almacenaba la información genética. Si esta presentaba errores graves, la protocélula resultaba disfuncional. En cambio, gracias a su estructura de doble hélice, el ADN al estar formado por dos cadenas complementarias, puede identificar y corregir errores, reduciendo así el riesgo de mutar. 

Otro problema del ARN es su fragilidad, ya que se degrada con el tiempo debido a un cambio químico en uno de sus nucleótidos, lo que destruye la secuencia y afecta la información que almacena. Por otro lado, gracias a su forma de doble hélice, el ADN es hasta 10 veces más resistente a la degradación. 

Finalmente, el ARN es muy sensible a la luz ultravioleta, proveniente del Sol. La radiación UV provoca mutaciones (cambios en las secuencias genéticas), lo que lo hace menos confiable como almacén de información. La capacidad de reparación del ADN es mucho más ventajosa en la Tierra primitiva, donde las condiciones eran más hostiles: el Sol emitía más radiación UV y la atmósfera era más “delgada” porque carecía de la capa de oxígeno y ozono. 

Por estas razones, el ADN resultó más conveniente guardar la información genética: muta menos, recibe menos daño, no se degrada fácilmente y es estable en agua, el sitio donde comenzó la vida.

El ADN tiene ciertas ventajas sobre el ARN. Tolera mejor la radiación, el agua y se degrada con menos facilidad. 

Referencias

Koonin E. V. (2014). The origins of cellular life. Antonie van Leeuwenhoek, 106(1), 27–41. https://doi.org/10.1007/s10482-014-0169-5

Lazcano, A. (1986). PREBIOTIC EVOLUTION AND THE ORIGIN OF CELLS. The Royal Society. https://publicacions.iec.cat/repository/pdf/00000097/00000053.pdf 

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