En
prácticamente cualquier texto de biología donde se plantee el origen de la
célula eucariótica es frecuente encontrar frases del tipo: …es uno de los
principales problemas -misterios, retos- de la biología evolucionista;
…representa el mayor salto, la mayor discontinuidad, de la evolución biológica…
Naturalmente, el abordaje de semejante dificultad exige tomar en consideración
los principales datos disponibles, para realizar un abordaje lo más amplio
posible, y elaborar una teoría que dé cuenta de todos ellos; y no caer en la
tentación del practicismo -cada vez más frecuente- de reducir los problemas y
las interpretaciones de los datos obtenidos a la dimensión de los métodos
empleados, ignorando, además, los métodos e interpretaciones de otros
investigadores. En este sentido, el análisis que aquí realicemos sobre el
origen de la célula eucariótica, se realizará -desde una perspectiva evolutiva
lo más amplia posible- teniendo en cuenta la problemática asociada al origen de
la vida que pudo influir en las diferencias fundamentales entre los grandes
tipos celulares; (ver la entrada de 10 de marzo de 2017 de este blog: Origen
de la vida y origen de la célula eucariota). De esta manera, intentaremos
recorrer el camino evolutivo que se fue abriendo paso desde las etapas
prebióticas hasta LUCA (Last Universal Common Ancestor), y, desde esta célula, hasta
LECA (Last Eucaryotic Common Ancestor).
La
naturaleza y el sentido de las cosas
Aunque
el nivel conceptual aconsejable a los posibles lectores de este blog está por
encima de la biología de 2º curso de bachillerato, quiero repasar la
clasificación elemental de la célula -como unidad de vida y, por tanto, de su
origen- en dos tipos celulares, las denominadas células eucariota y procariota;
para llamar la atención acerca de que, frecuentemente, se dice que, a
diferencia de la célula eucariota -literalmente la célula con núcleo verdadero-,
la célula procariota carece de él. Aquí asoma un problema de índole
epistemológica: si los autores que nombraron a las células sin núcleo verdadero
querían sólo subrayar su ausencia deberían haberlas denominado acariotas;
pero sabemos bien que, con la denominación procariotas, lo que quisieron
subrayar no fue la mera descripción estructural de este tipo de células, sino
su anterioridad evolutiva respecto a las eucariotas; esto es, que son,
literalmente, anteriores en la evolución a la aparición del núcleo. De esta manera,
LUCA sería la célula ancestral, de naturaleza procariota, y LECA, como su
nombre indica, el posterior ancestro eucariota. Este orden nos puede parecer evidente
-en castellano: patente, cierto, manifiesto, sin necesidad de ser probado, como
la diferencia entre el día y la noche-, dejándonos llevar por el razonamiento
de que lo más sencillo precede a lo más complejo; pero, en rigor científico, no
podemos utilizar este razonamiento como prueba de prioridad evolutiva. Pero,
además, continuando con el modelo de evolución celular vigente, una somera
comparación de los esquemas estructurales de las células procariotas y
eucariotas nos asoma al abismo existente entre ambas clases celulares, sin tipo
intermedio alguno que sirva de puente, y permita proponer algún proceso de
evolución gradual entre ellas. Los procariotas -literalmente células anteriores
a la aparición de un núcleo verdadero- tienen en su lugar una molécula de ADN
circular, sin histonas, denominado nucleoide; tampoco tiene sistemas internos
membranosos, todo lo más unos repliegues de la membrana plasmática, de
naturaleza lipoproteica, denominados
mesosomas; ribosomas citoplasmáticos de tamaño más pequeño que los de
eucariotas; flagelos, pili y fimbrias con estructuras diferentes a los flagelos
eucarióticos; pared celular rígida de composición y estructura variable según
los grupos; y cápsula o glucocálix de naturaleza glucídica. Por su parte, la
célula eucariota presenta una estructura general muy distinta: además de un
núcleo con doble membrana y cromosomas complejos con histonas; presenta un
sistema interno membranoso complejo, con retículo endoplasmático, rugoso -por
ir tachonado de ribosomas- y liso; aparato de Golgi; vesículas de endocitosis y
exocitosis; citoesqueleto con centrosoma y las proteínas implicadas en su
organización; lisosomas y peroxisomas; mitocondrias; cloroplastos; vacuolas;
membrana plasmática de naturaleza lipoproteica; y, en algunos tipos celulares,
una pared celular, que la rodea, de naturaleza totalmente distinta a las de los
procariotas. Pero, además de esta enorme brecha estructural, sin formas
intermedias, hay diferencias funcionales esenciales, aún más importantes, entre
los dos tipos celulares: por decirlo en dos palabras, los procariotas son más
genéticos, mientras que los eucariotas son más plásticos. Aunque, más adelante,
iremos desarrollando esta primera pincelada sobre la naturaleza esencial de
ambas células, vamos a esbozar aquí que por más genético queremos señalar:
procesos más deterministas; más dependientes del azar que origina mutaciones;
proteínas más estructuradas y con funciones más específicas, asociadas a
mecanismos del tipo llave cerradura. Por su parte, los eucariotas son más
plásticos: con procesos de plasticidad adaptativa frente a la contingencia
ambiental; dependientes de la información conformacional adquirida por sus
proteínas esenciales, que exhiben un mayor o menor grado de desorden
estructural intrínseco; son, por tanto, más epigenéticos.
Siguiendo
este razonamiento, las diferencias entre procariotas y eucariotas -entre LUCA y
LECA- son tan grandes que debemos plantearnos algunas preguntas que orienten
nuestras pesquisas: ¿cómo la evolución biológica, en la Tierra, ha trazado dos
caminos tan diferentes como los que vemos en la esencia, funcional y
estructural, de procariotas y eucariotas? Realmente –además de la ausencia de
intermediarios entre procariotas y eucariotas- hay tantas diferencias entre
ellos, que resulta muy difícil imaginar cómo pudo surgir la célula eucariota a
partir de la procariota; y, sobre todo, ¿por qué? Dado que los procariotas son
los organismos mejor adaptados a todos los ambientes, controlan todos los
metabolismos, la herencia vertical y horizontal, tienen formas increíbles de
resistencia; entre otras características favorables, ¿qué presión selectiva fue
tan fuerte para que de algunos de ellos surgiera, en un considerable periodo de
tiempo, la célula eucariota? Y no me refiero ni a la mitocondria ni a los
cloroplastos –bien explicados por la teoría endosimbiótica de L. Margulis- me
refiero fundamentalmente al núcleo, al retículo endoplásmico, al aparato de
Golgi, al citoesqueleto y a todos los sistemas funcionales asociados con estos
orgánulos. Quizá deba revisarse el planteamiento de que, en la evolución
biológica, lo más simple precede siempre a lo más complejo: en este caso la
creencia –presente en todas las hipótesis actuales- de que los procariotas
precedan a los eucariotas. Pero, de momento, sigamos con este razonamiento, y
con la idea añadida de que los procariotas son “más genéticos”, mientras
que los eucariotas son “más plásticos”. Estas ideas nos llevan también a
plantearnos: ¿son los virus un tipo de procariota ancestral, extremadamente
genético? Todas estas cuestiones que surgen alrededor de las enormes
diferencias esenciales entre procariotas y eucariotas son fundamentales dado
que, la muy influyente biología molecular -y su flamante dogma central,
de información en un único sentido- se fundó sobre investigaciones realizadas
con bacterias y virus que las infectaban (bacteriófagos); dejando aparte a la
otra rama esencial de la vida, los eucariotas. Veremos cómo este acta
fundacional procariota y genético, de la nueva biología, va a condicionar al
planteamiento de sus grandes problemas marco -origen, naturaleza y evolución de
las células- y de sus contextos, anterior y posterior: la evolución pregenética
y epigenética. En definitiva, para intentar averiguar el origen, la naturaleza
y la evolución de LUCA y LECA -y sus misteriosas relaciones- debemos volver a plantearnos
algunas viejas cuestiones respecto al origen de la vida del tipo ¿qué fue
primero, el huevo o la gallina? Estas cuestiones giran alrededor de: ¿qué fue
prioritario en el origen, el ARN/ADN o las proteínas? O mejor aún, ¿qué fue
prioritario, la información conformacional de las proteínas -y también de las
ribozimas- o la secuencial del ARNm y el ADN? O, en definitiva ¿qué fue
prioritario, la estructura o la función?
Estructura
función o función estructura
La
biología surge como ciencia, en el siglo XVIII, con la idea de organización
funcional, porque saca y diferencia a los seres vivos de la medieval,
creacionista y, por lo tanto, ahistórica cadena continua de los seres;
separando, así, a los seres vivos u orgánicos de los seres inorgánicos. Buffon,
Lamarck, Cuvier, Darwin, Wallace, Huxley, Haeckel, entre otros muchos, a pesar
de sus diferencias, eran profundamente funcionalistas. Pero, en el siglo XX, la
biología plantea un nuevo enfoque estructural de los niveles de organización de
los seres vivos, y cae en el reduccionismo y en el neovitalismo del denominado
programa genético (ver la entrada de 21 de abril de 2020 de este blog: Programa
genético o interacción organismo-ambiente).
Podemos
resumir el diagnóstico de la situación actual de la biología, como delimitada
por un paradigma genocéntrico regido por el dogma central de la biología
molecular (DCBM), donde la información secuencial de la estructura primaria del
ADN está dirigida, en sentido único, hacia la formación de las proteínas,
consideradas, así, como su expresión funcional. Realmente hay un cierto
paralelismo entre esta idea moderna de la vida y la que se tenía, en el siglo
XVI, de la naturaleza como instrumento divino. Los partidarios a ultranza del
programa genético sobre las bases del DCBM, plantean una discontinuidad, una
singularidad de los seres vivos respecto a los inorgánicos en el origen de la
vida. La discontinuidad o singularidad no es material: los átomos de los seres
vivos son los mismos que los de la materia inorgánica, y muchas de las
biomoléculas sencillas también. La discontinuidad está en la organización -en
la estructura de los seres vivos- sobre la base de combinaciones singulares de
las bases nitrogenadas en los ácidos nucleicos -como biomoléculas portadoras de
la información genética- sin que la plasticidad funcional de los seres vivos,
en su interacción con el medio, tenga ningún papel. En los niveles de
integración inorgánicos las estructuras resultan de las interacciones
necesarias previas, mientras que, en el paradigma actual de la biología, las
estructuras vivas surgen del encuentro, al azar, de la información genética
adecuada, y de su paso posterior por el tamiz de la selección natural. Esta
concepción de la vida es teleológica, ya que contempla la formación de las estructuras
moleculares de los seres vivos como la adquisición, al azar, de una combinación
informativa única -y, por lo tanto, preconcebida- que posibilite la formación
de las estructuras necesarias para las funciones vitales. Es como si
estuviéramos ante un sistema de búsqueda al azar de claves vitales para
encontrar las estructuras con las que pudiera iniciarse la vida. Aquí radica la
teleología y el neovitalismo informativo de la nueva biología: las estructuras
moleculares de la vida no surgen como resultado no buscado de las interacciones
previas de moléculas inorgánicas, en un ambiente adecuado, sino como el hallazgo
al azar de la información necesaria para arrancar el proceso de la vida. En el
paradigma actual esta información estructural sería única y estaría definida
previamente: la estructura sería prioritaria sobre la función, también
concebida previamente.
En la
entrada anterior del blog, sobre Programa genético, proponíamos que,
siguiendo la metáfora lingüística asociada al código genético, podríamos
considerar a las proteínas como las palabras -con su significado y su
significante, esto es, su función y su estructura- y a los genes como los
depositarios de la información codificada de las palabras. Extendiendo la
metáfora, las proteínas se podrían identificar con la palabra hablada, más
vinculada a la acción -tanto en el origen de la humanidad y su evolución, como
en el desarrollo del niño y en la lectura de un texto-, mientras que los genes
se identificarían mejor con la palabra escrita. Así pues, del mismo modo que
los humanos fuimos los agentes que construimos un lenguaje, sobre la actividad
social, propiciando así una evolución cultural; podríamos decir que las
proteínas son los agentes que -mediante el código genético- construyen su
lenguaje molecular, genético y epigenético, su cultura molecular, tanto
en la filogenia, como en la ontogenia y en la fisiología celular. Siguiendo con
esta metáfora, en la etapa prebiótica del origen de la vida la información,
pregenética, sería conformacional: la coselección de los módulos estructurales
básicos -hidrofílicos e hidrofóbicos- de los péptidos y polipéptidos; y de los
ARN pequeños y ribozimas. Esta información conformacional pregenética, modelada
frente al medio molecular, representaría la palabra hablada en la metáfora. Con
el establecimiento de la relación, de código genético, entre las secuencias de
los polipéptidos y las de los nucleótidos del ARN y del ADN, entramos en la
etapa genética, propia de la evolución celular. Con la llegada de la genética
se logra, fundamentalmente, la invariancia y la posibilidad de combinar y
empalmar los módulos estructurales de los polipéptidos seleccionados en la
etapa anterior. Ya no hay límite para la longitud de los polipéptidos, ni para
la combinación funcional de sus dominios, tanto en estructuras terciarias como
cuaternarias. La genética se correspondería con el lenguaje escrito. Por su
parte, la evolución celular y pluricelular, fundamentalmente eucariota, se
realiza sobre la exaltación del gobierno epigenético de las conquistas
genéticas frente a los cambios medioambientales: en definitiva, la plasticidad
conformacional pregenética aplicada al manejo espaciotemporal de los módulos
genéticos. En la metáfora, esta información epigenética se correspondería con
la etapa actual de la humanidad, embebida en la cultura de las nuevas
tecnologías de la información y la comunicación.
El
problema que plantea el paradigma genocéntrico -y su dogma central- para que
arranque la vida en la Tierra, por puro azar, es similar al de colocar a un
mono delante de una máquina de escribir, y esperar cuánto tarda en escribir,
punto por punto, el Quijote. Creo que no he sido muy exigente con las
condiciones del experimento mental propuesto: sólo he incluido el Quijote, y he
puesto ya a un mono, y, además, con una máquina de escribir. Sin embargo, todos
sabemos lo que tardó un mono en hacerse humano, y que de la evolución humana
surgiese Cervantes y escribiese el Quijote. Y no sólo Cervantes, y no sólo el
Quijote. Ese tiempo es un suspiro comparado con el calvario infinito del mono
ante una máquina de escribir. La plasticidad biológica frente al medio -social,
en el caso del animal humano- es inmensa, y en ella opera la información
pregenética, genética y epigenética, sobre la base de la necesidad imperativa
de las interacciones materiales de los niveles vivos (supramolecular, celular y
pluricelular) frente a la cambiante contingencia ambiental. Así, desde Darwin, sabemos
que no hay proyecto, ni propósito en la evolución; que los seres vivos que han
sido, son o serán, pertenecen al universo de lo posible, pero que ese universo
no se va a plasmar en ningún rincón a la vez. La evolución de la vida en la
Tierra podría haber cursado sin que apareciéramos los humanos; y, por supuesto,
la evolución humana podría no haber tenido a Cervantes; o sí, pero sin ser
escritor; o ser escritor, pero sin escribir el Quijote, etc. No hay
determinismo ni en el origen, ni en la naturaleza, ni en la evolución; sólo la
necesidad y la contingencia, concatenadas, de las interacciones materiales.
Así
pues, dada la concatenación universal entre la necesidad de los fenómenos y la
contingencia de los sucesos, en cualquier historia, incluida la evolución
biológica en la Tierra; vamos a ver la importancia que tiene entender el origen
de algo, para entender su naturaleza y su evolución; y viceversa. De esta
manera, los datos que obtengamos de cualquiera de estas tres características
comunes, de los grupos de seres vivos, deben ser valorados por su coherencia
con las otras dos. Como hemos visto, en el planteamiento del origen de la vida -y
atendiendo a la, ya comentada, paradoja del huevo y la gallina- tenemos
básicamente dos modelos: el genocéntrico de estructuras formadas al azar, o el
proteocéntrico de estructuras modeladas por una actividad funcional coherente
frente al medioambiente. Pero, realmente, hay otra división más amplia en
cuanto a los modelos disponibles, que abarca a la división anterior, y que
también hemos esbozado:
· La
vida surgió por azar, en la Tierra, y quizá sea un suceso único -lo que
algunos investigadores llaman “un accidente congelado”. En este modelo estaría
el paradigma genocéntrico, actualmente representado, principalmente, por la
hipótesis del “mundo de ARN”.
· La
vida surgió -en la Tierra, como podría surgir en otros rincones del Cosmos-
como consecuencia de leyes naturales físicas y químicas; esto es, como
resultado de la necesidad imperativa de los fenómenos naturales. En este
modelo estaría alguna versión del paradigma proteocéntrico, y alguna hipótesis nueva
sobre el origen de la vida, relacionada con el desarrollo temprano del
metabolismo como punto de arranque de los procesos vitales.
Es
comúnmente aceptado, que el origen de la vida comprende un periodo de tiempo
que va desde el arranque de la evolución prebiótica molecular hasta el
surgimiento de las primeras unidades de vida: esto es, las primeras células
como unidades estructurales y funcionales de vida. Para ello, deben originarse
e integrarse tres sistemas celulares, a saber: un compartimento membranoso, un
metabolismo y un sistema de replicación de la información biológica adquirida.
Muy sucintamente, vamos a repasar algunos de estos aspectos (como ya hemos
comentado, se puede ampliar el tema en las entradas del blog anteriores citadas).
En cuanto al compartimento, tan solo decir que es el sistema que menos problema
da, ya que, por una parte, la termodinámica favorece la agrupación de lípidos
en agua formando bicapas lipídica; y, por otra, no es tan importante su
prioridad respecto al metabolismo o la replicación. El metabolismo sí plantea
ya algunas hipótesis alternativas: puede organizarse bajo la actividad
catalítica del ARN o bajo la actividad enzimática de las proteínas. Pero, ahora
también surge la posibilidad alternativa de la hipótesis “primero el
metabolismo”. Esta hipótesis ignora la posible prioridad de las proteínas,
tanto en el metabolismo como en la replicación; y se centra en disputarla, en
exclusiva, con el ARN. Los autores -J. Trefil, H. J. Morowitz y E. Smith-
argumentan, al respecto, que la hipótesis de “El mundo de ARN”, aunque
tiene a su favor el presentar una molécula autorreplicante con cierta actividad
catalítica, responde al modelo de “accidente ccongelado” producido por
azar: “Un
escenario del tipo ҅primero el ARN en el que no se explique cómo
surgieron las moléculas de ARN nos
parece una base inapropiada para establecer una teoría sobre el origen de la
vida. La molécula de ARN, demasiado compleja, requiere un primer ensamblaje de
monómeros y la concatenación posterior de monómeros para dar lugar a polímeros.
Tratándose de un acontecimiento aleatorio en ausencia de un contexto químico
estructurado, la probabilidad de que se produjera semejante secuencia de
sucesos es prohibitivamente baja; asimismo, el proceso carece de una
explicación química convincente”.
En la
hipótesis de “primero el metabolismo” plantean que “la vida fue el
resultado inevitable y progresivo del funcionamiento de las leyes de la física
y de la química”. Se originaría, así, un ciclo metabólico reductor, compuesto
por entramados sencillos de pequeñas moléculas, impulsado de forma necesaria
por la termodinámica; esto es, la tendencia de los procesos hacia estados de
menor energía libre. Las primeras reacciones podrían haberse desarrollado en
los huecos de rocas porosas llenos de geles orgánicos. El metabolismo primitivo
consistía en una serie de reacciones químicas sencillas que transcurrían por la
actividad catalítica de entramados de moléculas pequeñas, quizás ayudadas por
minerales allí presentes. El inicio pudo partir del núcleo del metabolismo
actual -el ciclo de Krebs, del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos-,
pero operando en el sentido reductor de los organismos quimiolitotrofos,
aceptando electrones energéticos para formar macromoléculas reducidas a partir
de otras oxidadas más pequeñas. En las fuentes hidrotermales profundas se originan
moléculas de hidrógeno y de dióxido de carbono. La tendencia termodinámica hace
necesario el descenso de electrones hacia niveles de menor energía, por lo que
los electrones del H2 se transfieren al CO2, produciendo
acético y agua.
Las
etapas fundamentales del origen y evolución de la vida deben explicarse
mediante largos procesos concatenados y escalonados, sin recurrir a sucesos
aleatorios altamente improbables. De esta manera, se iniciaría el metabolismo
antes de la entrada en escena del ARN. Pero, quizá las proteínas -que no tienen
las dificultades del ARN, ni para su síntesis, ni para su estabilidad- pudieron
haber intervenido en el origen del metabolismo, o coevolucionar con el mismo. En
cualquier caso, el paradigma proteocéntrico coincide con la hipótesis de “primero
el metabolismo” en salirse de la lógica del “accidente congelado”,
fruto único del azar; para considerar la vida hija legítima de la evolución de
la materia, regida por los mismos principios físicos y químicos en todo los
rincones del Cosmos. Pasaríamos así, del azar y la necesidad, que
proponía J. Monod, a la necesidad de los fenómenos y la
contingencia histórica de los sucesos.
¿Pudo
surgir la vida de las proteínas?
Distintos
motivos razonados, me llevaron a proponer un paradigma proteocéntrico del
origen y evolución de los seres vivos, que también resultan, de forma
inevitable y progresiva, del funcionamiento de las leyes de la física y de la
química (A. Ogayar, 1991), (A. Ogayar, M. Sánchez-Pérez, 1998). Este paradigma,
además, guarda coherencia con un modelo de evolución celular y eucariogénesis.
A continuación, vamos a ver, muy sucintamente, el origen de la vida según este
paradigma proteocéntrico (para una visión más detallada ver la entrada del blog
de 2017, y las de 4 de marzo y 21 de abril de 2020).
En el
paradigma funcional proteocéntrico la vida se elevaría, de forma contingente,
sobre las interacciones moleculares necesarias -mediadas por el agua líquida-
que, así, producen estructuras, que permiten un nuevo baile de interacciones
necesarias, que van siendo seleccionadas al tiempo que integran las protofunciones
vitales y las protoestructuras que las permiten y mantienen. Antes de continuar
debemos aclarar qué entendemos por necesidad (ver la entrada del blog de 3 de
abril de 2018: El azar, la necesidad y la contingencia). En la
concatenación de interacciones materiales, no programadas ni dirigidas, que
originan las estructuras vivas: necesidad-contingencia-nueva necesidad…;
debemos distinguir entre necesidad imperativa (la que no puede dejar de
ser, dadas unas determinadas condiciones) y necesidad funcional
(igualmente imperativa, pero ya encauzada en una función. Así, partiendo de unas determinadas
condiciones físicas y químicas, unas moléculas iniciales interaccionan de forma
necesaria (imperativamente), y originan unas nuevas estructuras moleculares; la
contingencia ambiental selecciona estas estructuras, que, así, interaccionaran
a su vez de forma necesaria según sus propiedades y condiciones ambientales,
físicas y químicas. En esta concatenación entre necesidades y contingencias, se
irán seleccionando protofunciones y protoestructuras que las satisfagan. La
selección natural y la conservación de estas protoestructuras funcionales hará
que sus nuevas interacciones imperativas, frente a los cambios de su medio
ambiente, parezcan seguir un programa o proyecto dirigido a cumplir una
determinada función vital; es por ello que, para subrayar el carácter de
aparente teleología, sin serlo realmente, Monod utilizó el término teleonomía;
aunque -como él pone la estructura (de origen genético) por delante de la
función-, yo prefiero denominarlas interacciones imperativas funcionales o
sencillamente necesidades funcionales. Así, con el origen de los seres vivos,
se va tejiendo una red funcional de interacciones necesarias.
Está
universalmente reconocido que, en el arranque del proceso contingente, que
condujo a la vida, tuvo una importancia fundamental la intervención de una
molécula extraordinaria: el agua líquida. Esta molécula presenta unas
propiedades, físicas y químicas, extraordinarias que la dotan de una
constelación de funciones biológicas muy importantes. Todas estas propiedades,
y las funciones derivadas de ellas, proceden de la estructura reticular del
agua líquida. Esta red dinámica se basa en la formación y rotura de puentes de
hidrógeno entre los dipolos de moléculas de agua contiguas. Entre las
propiedades más citadas del agua destacan: la acción disolvente, que la
constituye en el disolvente universal; las elevadas fuerzas de cohesión y
adhesión; el gran calor específico; el elevado calor latente de vaporización;
los usos bioquímicos del agua, en la fotosíntesis y en las reacciones de
hidrólisis; etc. Pero aquí me interesa señalar una propiedad que no se destaca
tanto en los libros de texto: la capacidad del agua para formar estructuras. La
fuerte tendencia del agua a mantener su estructura reticular, y a oponerse a
cualquier otra molécula que la altere, hace que el agua rodee a los grupos
polares y empaquete a los apolares. Esto es, se lleve bien con los
primeros, que por ello se denominan hidrófilos; y mal con los
segundos, que por ello se denominan hidrófobos. Cuando, en el agua, hay
moléculas anfipáticas -esto es, que presentan los dos tipos de grupos, polares
y apolares-; el agua empuja y empaqueta, mediante fuerzas hidrofóbicas, los
grupos apolares que le molestan y mantiene el contacto con los grupos polares.
Con este reordenamiento molecular de los grupos hidrofílicos e hidrofóbicos, en
el seno del agua, se van generando estructuras esenciales para la vida, que se
mantienen bien mediante fuerzas débiles pero cooperativas: de los grupos
hidrofílicos con el agua que los rodea, y de los grupos hidrofóbicos entre sí,
que fuertemente empaquetados, por el agua, pueden experimentar la atracción de
las denominadas fuerzas de Van der Waals.
Así
pues, del imperativamente necesario baile del agua con los grupos hidrofílicos
e hidrofóbicos de determinadas moléculas presentes en la denominada sopa
prebiótica, se irían formando y seleccionando macroestructuras moleculares
como bicapas lipídicas y polipéptidos; con los que, merced a sus nuevas
interacciones necesarias, se irían seleccionando, en coherencia funcional, las
membranas del compartimento celular; las proteínas autorreplicativas tipo
prión; y las enzimas del metabolismo primitivo: compartimento, replicación y
metabolismo, los tres sistemas básicos celulares de las tres funciones vitales
generales, nutrición, relación y reproducción. Tanto en los tres sistemas como
en las tres funciones originarias tienen un papel fundamental las proteínas.
A
diferencia del paradigma genocéntrico, aquí se presenta un paradigma funcional,
que, sobre la base de la información conformacional de las proteínas, explica
el universo de las interacciones moleculares que estructuraron a los seres
vivos -desde su origen y durante su evolución- en la Tierra. Así pues, en este
paradigma se propone que la etapa prebiótica y pregenética podría
caracterizarse por la coevolución de información conformacional de tres tipos
de proteínas, en interacción con las ribozimas -formando ribonucleoproteínas-
de la que surgiría el código genético: primero conformacional y luego
secuencial. Este triunvirato proteico puede constituir el mecanismo general de
adaptación al medio en el nivel supramolecular: las proteínas intrínsecamente
desordenadas (IDPs) se moldearían funcionalmente por unión a nuevos ligandos;
los chaperones participarían estabilizando y guardando la coherencia funcional
de las estructuras proteicas resultantes, tanto las pregenéticas como las
genéticas; y los conformones (priones funcionales) seleccionarían y propagarían,
desde las etapas prebióticas, las nuevas conformaciones.
En
este paradigma la función es prioritaria a la estructura; y, en este juego
funcional integrador, las nuevas estructuras aparecen como resultado de la
plasticidad estructural de las previas en su continua interacción funcional (necesidad)
con las contingencias de un medio cambiante. Así, los niveles de información
pregenética, genética y epigenética responderían a la acumulación de “cultura
molecular” de las proteínas en su peripecia evolutiva, desde el origen de la
vida. De esta manera, el código genético se hace funcionalmente, no se
“acierta”.
¿Cuál
es la naturaleza esencial de la vida en la Tierra?
Con
las evidentes diferencias entre procariotas y eucariotas, con brechas y
misterios insalvables entre ellos, podríamos llegar a plantearnos la
posibilidad de estar ante dos orígenes diferentes de la vida, proteocéntrico y
genocéntrico, cada uno con una naturaleza esencial diferente. Vamos a intentar
analizar este dilema desde cada uno de los dos paradigmas.
En el
paradigma proteocéntrico, la primera célula tendría una naturaleza
heterótrofa, esencialmente eucariota: sería básicamente un núcleo, con un
metabolismo elemental prácticamente limitado a la producción de proteínas y
ácidos nucleicos, y una fisiología centrada en el tránsito de información
externa, de la membrana celular al núcleo -rutas de transducción de señales-, y
de respuesta adaptativa interna, del núcleo a la membrana celular. En el inicio
y en el final de ambas rutas informativas podría estar presente la triada
formada por IDPs, chaperones y conformones. Además, este flujo de información,
entre el primordio de célula eucariota (a la que denominamos protocariota) y el
medio externo, iría reforzado por una continua y contingente producción de
vesículas de exocitosis (cargadas, en principio al azar, de proteínas y ácidos
nucleicos) que, sin propósito alguno, colonizarían el medio exterior, e
interiorizarían y seleccionarían partes de su “metabolismo” mineral abiótico.
Muchas de estas vesículas estarían abocadas a volver, por endocitosis, a las
células protocariotas. De esta manera, se iría haciendo, lentamente y de forma
exógena, el metabolismo energético. Así, en el paradigma proteocéntrico -con
este continuo baile de exocitosis y endocitosis- se formarían tanto los
eucariotas como todos los acariotas (entidades sin núcleo verdadero): las
arqueas, las bacterias y los virus.
Como
apoyo de esta hipótesis, en el análisis genómico comparado, las bacterias
aparecen como las portadoras de los genes del metabolismo, las arqueas -más
próximas a los eucariotas- portan genes del procesamiento y transmisión de la
información genética (replicación, transcripción y traducción); mientras que
los genes exclusivos de los eucariotas están implicados en la factoría del
núcleo -spliceosoma incluido-, en la transducción de señales y en los
mecanismos de exocitosis y endocitosis. Por otra parte, la creciente
acumulación de conocimiento respecto a las vesículas extracelulares conocidas
como exosomas también sustentan fuertemente esta hipótesis (nota 1).
Respecto
a la esencia de la naturaleza eucariota, conviene subrayar la importancia
funcional de las IDPs, ya que intervienen como reguladoras en procesos
celulares clave, tales como transcripción, traducción, transducción de señales
y ciclo celular; así como en muchos procesos de adaptación molecular. Así pues,
es posible que la funcionalidad esencial de la célula eucariota -y no
determinados procesos exóticos- precise del concurso de éstas y, también, de
otras proteínas -como los chaperones y los conformones- ya que, estas dos
últimas, poseen, también, tanto alguna región desestructurada como un potente
núcleo hidrofóbico (core), que les proporciona estabilidad y capacidad de
modificar a otras proteínas. Esta acción conjunta de los tres tipos de
proteínas puede estar implicada en los principales procesos celulares y etapas
biológicas, desde el origen de la vida, es decir: en la ontogenia, en la
filogenia y en la fisiología celular. A este respecto conviene resaltar que
tanto los priones-conformones como las IDPs son muy resistentes a factores
fisicoquímicos (calor, ácidos, radiaciones UV) característicos de ambientes
extremos, como los que pudieron darse en la etapa prebiótica del origen de la
vida.
Por
otra parte, las IDPs intervienen también en muchas funciones de evidente
implicación epigenética: metilaciones, acetilaciones, glicosilaciones,
fosforilaciones, factores de transcripción, regulación de la transcripción y
traducción, histonas, aminoacil-ARNt sintetasas, ensamblaje de grandes
complejos proteicos, ribosoma, citoesqueleto, etc. Los polipéptidos
desestructurados actúan como chaperones y proteínas de choque térmico (HSPs), por
ejemplo, en el estrés hidríco, y también forman parte de esta familia de
proteínas, lo cual confirmaría la relación funcional ancestral de las
HSPs-chaperones con las IDPS y priones-conformones; por lo que es probable que
las HSPs-chaperones surgieran como una familia proteica con características
funcionales y estructurales intermedias entre las otras dos.
Es
probable que la evolución de las IDPs haya ido de polipéptidos cortos
(pregenéticos) -que formarían asociaciones de miniestructuras cuaternarias- a
polipéptidos más largos (con síntesis genética), con dominios de estructura
variable en el espacio y en el tiempo; y siempre acompañados de conformones y
chaperones. Con el código genético aparece la invariancia secuencial; y, con el
spliceosoma, el baraje y la unión de dominios en polipéptidos más largos, lo
que proporciona un aumento de la heterogeneidad funcional y estructural de las
proteínas desordenadas. Gracias a la interacción de la plasticidad pregenética
con el medio, y los “pespuntes” genéticos, se va haciendo la
variabilidad de la evolución. Las mutaciones -como los virus- serían daños o
beneficios colaterales, fruto de la contingencia.
Así,
en el paradigma proteocéntrico -con este continuo baile de exocitosis y
endocitosis- se formarían tanto los eucariotas como todos los acariotas
(entidades sin núcleo definido): el resto de las arqueas, las bacterias y los
virus (ver entrada de 2017). En este
sentido, resulta interesante el que las regiones desestructuradas
(características de eucariotas) no tengan actividad enzimática. Entonces, ¿cómo
pudo formarse la actividad enzimática específica, que precisa de estructuras
proteicas más estructuradas? Las enzimas específicas pudieron originarse, en la
etapa genética, aumentando paulatinamente la afinidad desde reconocimientos de
ajuste inducido a mecanismos del tipo llave-cerradura. Además, en el interior
de las vesículas de exocitosis, tanto el material genético como las proteínas
resultantes -ambos producidos de forma contingente, y necesaria, por la
maquinaria nuclear que ya había iniciado su andadura genética- pudieron
seleccionarse, sin problemas de coherencia funcional, en su encuentro con el
premetabolismo mineral exterior. Algunas de estas vesículas alcanzarían la vida
libre como acariotas, y otras volverían por endocitosis a la célula
protocariota, proporcionando, así, los nutrientes necesarios. En algunos casos,
se podrían establecer relaciones de endosimbiosis, integrando, así, el
metabolismo exógeno conquistado. Es muy probable que se estableciese una línea
evolutiva de endosimbiosis que, en vez de tratarse de un hecho puntual, pudiese
continuar en determinados ambientes. Así, el inicio del metabolismo energético
eucariota sería por integración funcional, en una línea evolutiva de
endosimbiosis sucesivas, desde un metabolismo acariota exógeno.
En
este modelo proteocéntrico, iríamos desde la evolución prebiótica hasta el
protocariota (con lo que LUCA y LECA serían la misma célula), del que saldrían
tres ramas: una rama central, o tronco principal, que constituiría la
continuidad eucariota (es interesante recordar que los eucariotas son monofiléticos);
otra rama, que partiría próxima al protocariota, que se escindiría en los dos grandes
filos de las arqueas; y múltiples ramas entrecruzadas propias de los múltiples
filos bacterianos. Además, prácticamente, cada tipo celular coevolucionaría con
sus correspondientes virus específicos.
En el
paradigma genocéntrico, la información genética y su
variabilidad marcaría el paso de la evolución, desde un origen de la vida
procariótico. No obstante, muchos investigadores afirman estar lejos de saber
cómo eran las primeras células; cuantos más datos se acumulan más misterios
aparecen, y más difícil es casar las piezas del rompecabezas del origen de la
célula eucariota a partir de las procariotas. Los principales datos utilizados
en este enfoque son de tipo genético, comparando genes de organismos actuales,
obtenidos tanto de cultivos celulares como, de forma masiva, aplicando técnicas
de análisis metagenómico. Pero algunos investigadores opinan que los datos obtenidos
mediante este enfoque presentan ciertas limitaciones. Por una parte, los
análisis ponen de manifiesto que, en las primeras etapas de la historia de la
vida, diferentes grupos de genes cambiaron a distintas velocidades; produciéndose,
en general, una evolución inicial acelerada, por lo que no podemos evaluar
igual a unos grupos de genes que a otros. Por otra parte, el paradigma
genocéntrico se enfrenta con otras controversias: ¿cuántos dominios presenta el
árbol evolutivo, dos o tres? ¿Cómo es el proceso de eucariogénesis: gradual con
algún suceso de endosimbiosis -como el origen de la mitocondria y el cloroplasto-
o totalmente de endosimbiosis en serie? Como es bien sabido, la “Teoría de
la endosimbiosis serial” fue propuesta por Lynn Margulis (1967), y,
básicamente, dice que la célula eucariota se formó por la fusión de tres
bacterias completas que aportarían, respectivamente: los microtúbulos del
citoesqueleto, parcelas del metabolismo, y la mitocondria. La posterior
endocitosis, por parte de alguna de estas células eucariotas, de una
cianobacteria daría lugar a la célula eucariota vegetal. Por otra parte,
investigadores como Carl Woese proponen tres grandes dominios celulares: dos
procariotas -Archaea y Bacteria- y uno eucariota, Eukarya; además es partidario
de un proceso clásico de evolución gradual, con sólo dos sucesos
endosimbióticos, que darían lugar a la mitocondria y al cloroplasto, a partir
de una alfaproteobacteria y una cianobacteria, respectivamente. Otros, como J.
A. Lake, son partidarios de un árbol con dos dominios, Bacteria y Archaea, con
los eucariotas formando una rama secundaria más de estos últimos.
Mediante
análisis metagenómicos se ha visto que buena parte de los genes homólogos entre
los eucariotas y las arqueas están dentro del super filum TACK (Taumarchaeota,
Aigarchaeota, Crenarchaeota y Korarchaeota), incluyendo los genes de la actina,
tubulina, sistema de la ubiquitina y una gran parte de genes de la maquinaria
ribosómica. Los mayores parecidos entre eucariotas y el grupo TACK se
encuentran al comparar las secuencias de los genes involucrados en la
transcripción y la traducción: cuatro proteínas ribosomales, la subunidad RpoG
de la ARN polimerasa, y el factor de elongación Elf1. En 2015, el grupo
liderado por Thijs J. G. Ettema descubrió un nuevo filo de arqueas en las
profundidades del Ártico; mediante análisis metagenómico se ha visto que está
muy emparentado con el superfilo TACK, y -siguiendo la moda de poner nombre de
dioses nórdicos a estos grupos de arqueas- le han denominado phylum
Lokiarchaeota. Este grupo de arqueas es una rama monofilética que está muy
relacionada con los eucariotas, por lo que se cree que provienen de un mismo
ancestro común. En las arqueas de Loki se encontraron genes homólogos de otros
genes eucariotas implicados en la forma de las células y en el procesamiento de
las membranas: genes de la actina; genes de pequeñas GTPasas con función
reguladora relacionados con la fagocitosis; un grupo de genes denominados ESCRT
(Endosomal Sorting Complexes Required for Transport) implicados, en eucariotas,
en la formación de vesículas y endosomas. Por otra parte, las Lokiarqueas
presentan los ribosomas más parecidos a los eucariotas, de todos los grupos
procariotas. Con estos datos, los investigadores suponen que la arquea
ancestral -de Lokiarchaeota y eucariotas- tuviese algún esbozo de
citoesqueleto, la posibilidad de desplegar la formación de vesículas de
exocitosis y la capacidad de fagocitar. Esta célula ancestral podría ser
perfectamente el protocariota propuesto.
Sin
embargo, todos estos genes semejantes no se encuentran reunidos en un solo
representante del grupo TACK, sino que están repartidos entre todos ellos. Este
inquietante hecho ha recibido explicación, dentro del paradigma genocéntrico,
como posibles procesos de pérdida de genes o de transferencia genética
horizontal. En la hipótesis del protocariota formador de “semillas”
acariotas, este hecho puede explicarse considerando que, inicialmente,
tanto la reproducción del protocariota como la formación de vesículas (semillas)
propuestas, son sucesos contingentes imperfectos, sin propósito, pero sometidos
a selección natural. De esta manera podrían producirse grupos de arqueas, más o
menos viables, que portaran genes eucariotas, provenientes del protocariota,
pero sin la integración funcional que tenían en éste.
Por
otra parte, los genes implicados en procesos de transcripción y traducción no
se han visto tan frecuentemente afectados, por procesos de herencia genética
horizontal, como los genes del metabolismo. Este hecho, y su explicación, puede
ser complementaria de la anterior. Las arqueas provenientes del protocariota
ancestral que fuesen formas de reproducción imperfectas, pero viables, escaparían
pronto del baile de exocitosis y endocitosis con él; por lo que sus genes
habrían llegado más bien por herencia vertical. Sin embargo, los genes del
metabolismo son bacterianos, y están sometidos a un gran trasiego de herencia
genética horizontal por el baile continuo de exocitosis y endocitosis de los
ancestros bacterianos, ya que provendrían de vesículas (semillas) más imperfectas
(con menos carga de proteínas y genes, y menor viabilidad), y que, por lo
tanto, estarían abocadas a volver a contactar con receptores complementarios del[AOS1] protocariota. De esta manera,
paulatinamente, se iría haciendo el metabolismo eucariota, a partir de los
metabolismos exógenos conquistados por las protobacterias. Para la hipótesis
de los tres dominios, la aparición de los eucariotas ocurrió muy pronto; y,
por ello, sitúa el dominio Eukarya muy próximo al Archaea. Esta proximidad
concuerda con la hipótesis del protocariota, pero, en esta última
hipótesis, las arqueas proceden de los protocariotas y no al revés. Como ya
dijimos anteriormente, en la hipótesis de los dos dominios los
eucariotas quedan reducidos a una rama lateral de Archaea, próxima al
superphylum TACK.
Otro
problema importante por resolver, en este marco teórico, es el relativo a la
naturaleza de las membranas de bacterias, arqueas y eucariotas. Las bacterias y
los eucariotas presentan enlaces éster en los fosfolípidos de sus membranas,
mientras que las arqueas presentan enlaces éter. Dentro del paradigma
genocéntrico procariota, se abren dos alternativas para la eucariogénesis
mediante fusión de una arquea y una bacteria: que una bacteria fuera la célula
hospedadora, y una arquea el endosimbionte hospedado; o que, por el contrario,
el hospedador fuera una arquea, y el endosimbionte una bacteria. Dado que la
célula eucariota presenta fosfolípidos con enlaces éster, como la bacterias, en
el segundo caso sería más difícil explicar el cambio de membrana celular
arquea, de enlaces éter, a enlaces éster. De nuevo, creo que la posible explicación
desde la hipótesis del protocariota es más fácil: las vesículas de
exocitosis serían como las de las células eucariotas y bacterianas, y, en una
etapa muy temprana, las primeras arqueas de vida libre -seguramente por
adaptación a ambientes hipertermales- pudieron adaptarse al modificarse los
enlaces éster a éter. Esta explicación debe ir acompañada de una consideración.
En el modelo genocéntrico, está generalmente admitido que la célula eucariota
-producida por uno o más sucesos de endosimbiosis entre procariotas- presenta
genes relacionados con arqueas y bacterias, y se piensa que proceden de ellos. Se
admite, igualmente, que las arqueas aportarían, fundamentalmente, los genes
relacionados con la información genética (replicación, transcripción y
traducción), y algunos superfilos como TACK aportarían algunos grupos de genes
confusamente dispersos; por su parte, las bacterias aportarían los genes del
metabolismo, como ya vimos anteriormente. En la hipótesis del protocariota,
esto supondría que las arqueas se habrían formado, tempranamente, como
resultado de ensayos imperfectos de las primeras divisiones celulares
del protocariota, portando constelaciones muy diversas de genes; la selección
natural daría pronto cuenta de dos grandes filos de arqueas independientes y
con el sello de origen genético eucariótico. Seguramente, las arqueas
participarían menos que las bacterias en el baile de endocitosis con
posibilidades simbióticas; serían más bien fagocitosis nutricionales. Las
bacterias, probablemente menos independientes inicialmente, sí experimentarían
procesos de fagocitosis con más posibilidades de endosimbiosis en serie.
Colonizarían todos los medios que presentasen un metabolismo mineral
previo, y los protocariotas irían incorporándolo paulatinamente a su organismo,
según fuera sometido a selección natural; un paso fundamental consistiría en la
incorporación del metabolismo oxidativo, mediante endosimbiosis, de la bacteria
precursora de la mitocondria. Además de la eficiencia energética, con esta
endosimbiosis, los nacientes eucariotas comenzarían a paliar los efectos
tóxicos del oxígeno atmosférico. En consonancia, con todo esto, está el hecho
de que un grupo de investigadores ha encontrado que las proteínas más antiguas
de los eucariotas son las que, como ya hemos visto, guardan relación con las
arqueas; mientras que las de edad mediana son de origen bacteriano, pero
procedentes de muy distintos grupos de bacterias, no de uno sólo. Les llama la
atención que estas proteínas estén presentes en los sistemas de membranas
intracelulares del retículo endoplásmico y del aparato de Golgi, lo que plantea
la pregunta ¿de qué bacteria, portadora de estos sistemas membranosos, salieron
los genes que fueron a parar a los eucariotas? De nuevo, el misterio encuentra una
respuesta más fácil en la hipótesis del protocariota, ya que, con este
sistema de endomembranas se hace el sistema vesicular de exocitosis y
endocitosis con el que se produciría el continuo baile, de ida y vuelta, de las
“semillas” acariotas: bacterias y virus, fundamentalmente. Así pues,
estos sistemas membranosos no saldrían de ninguna bacteria, desconocida y
especial, sino que saldrían del protocariota para formar todas las bacterias:
exocitosis de vesículas tipo exosomas, y posterior vuelta, vía endocitosis, portando
parcelas del metabolismo mineral exterior.
En
cualquier caso, tanto la hipótesis de los dos dominios -con una arquea del
superfilo TACK, o similar, como hospedadora de una bacteria- como la hipótesis
de los tres dominios, donde sería una bacteria la hospedadora; lo que sigue
siendo muy difícil de explicar es la presencia en eucariotas, como esencia del
grupo, de 347 genes exclusivos que no están organizados funcionalmente en
ningún procariota. El salto no puede ser más abismal, pero, como ya vimos, la
hipótesis del protocariota -dentro del paradigma proteocéntrico del origen de
la vida- sí puede dar cuenta de estos genes eucariotas, y de su relativa
presencia en los acariotas. Con las últimas investigaciones se ha
reforzado este estado de la cuestión. Lo ya visto en el super filo TACK, y la
hipótesis de los dos dominios, se ha ampliado, mediante análisis metagenómicos,
a otros filos: las arqueas de Loki, ya visto, y al superfilo de las arqueas de
Asgard (Loki, Thor, Odín y Heindall), con genes similares a los eucariotas que
intervienen en el transporte, la transmisión de señales, la degradación de las
proteínas y el citoesqueleto (tubulina); pero, de nuevo, las secuencias descubiertas
no constituyen el plano de un complejo citoesquelético eucariota completo. La
distribución de los genes eucariotas resulta desigual en el superphylum de
Asgard. Ningún grupo de arqueas parece poseer el juego completo. Los
investigadores llegan a pensar que el pequeño tamaño de las células procariotas
puede hacer innecesarios estos mecanismos de tráfico intracelular.
En
enero de 2020, un grupo de científicos japoneses han logrado aislar y cultivar
arqueas del superphylum Asgard. El éxito ha sido posible gracias a que dejaron
crecer estas arqueas con otros organismos del ambiente, lo que indica posibles
procesos de simbiosis entre ellas. Esto concuerda, con lo visto hasta ahora, de
grupos de arqueas -próximas al superphylum TACK, como Loki y Asgard- con dotaciones
genéticas incompletas de genes eucariotas, algunos en apariencia innecesarios.
Curiosamente, las arqueas de Asgard aisladas se alimentaban de aminoácidos. Los
datos de este trabajo, también cuadran con la hipótesis del protocariota,
dentro del paradigma proteocéntrico, que situaría a estos grupos de arqueas,
próximos al protocariota, como células imperfectas empujadas a la simbiosis.
En 2015,
se publicó el último árbol de la vida, bastante ampliado, ya que incluye
a los microorganismos no cultivables, identificados genéticamente mediante
técnicas metagenómicas. Así, se ha construido un nuevo árbol de la vida sobre
2000 genomas completos obtenidos de bases de datos públicas, más 1011 genomas
nuevos reorganizados a partir de secuencias obtenidas en diferentes ambientes.
Con todos estos genomas se compararon las secuencias del ADN correspondiente a
16 proteínas ribosomales, y se obtuvo un árbol con 92 phyla en el dominio
Bacteria, 26 phyla en el Archaea y sólo cinco supergrupos en el dominio Eukarya.
En este árbol se aprecia que Bacteria es el dominio con más diversidad
genética. Archaea es menos abundante y diverso que Bacteria. Los autores de
este árbol interpretan que la mucha menor biodiversidad genética de Eukarya se
debe a su más reciente evolución.
Como
ya expuse anteriormente, creo que hay dos grandes naturalezas esenciales de la
vida coexistiendo en los seres vivos:
· Por un
lado, tendríamos una naturaleza -prioritaria en el origen y en la evolución de
la vida en la Tierra- claramente proteocéntrica y epigenética, que se
materializa en los eucariotas. Éstos provendrían, por línea directa, del
protocariota ancestral; identificado, a la vez, como LUCA y LECA.
· Por
otro lado, la segunda naturaleza sería la de las “semillas acariotas”:
arqueas, bacterias y virus; las dos últimas son manifiestamente genéticas. Las
arqueas tendrían su origen en un punto intermedio entre formas de reproducción
imperfecta y semillas.
Es
lógico que, como necesidad imperativa, y sin propósito alguno, se fueran produciendo
vesículas de distintos tamaños, y con más o menos carga proteica y genética;
así se irían afinando paulatinamente las formas reproductivas. El hecho de que,
también sin propósito alguno, muchas vesículas presentasen proteínas con complementariedad
geométrica o de cargas con las de la membrana protocariota, facilitaría
necesariamente la endocitosis de las vesículas. De esta forma, muchas vesículas
serían capaces con los recursos moleculares disponibles, de tomar nutrientes
del entorno, crecer y multiplicarse. Así, de esta auténtica siembra acariota,
las bacterias serían las menos perfeccionadas, y, por lo tanto, las más
proclives a acercarse de nuevo al protocariota; y, así, podrían ser fagocitadas
por él, o establecer algún tipo de simbiosis con los protocariotas, con otros
tipos celulares o con células incompletas. No obstante, paulatinamente, muchas
vesículas se irían haciendo bacterias de vida libre, que irían colonizando
medioambientes muy diversos, haciendo, poco a poco, el metabolismo energético
con los mecanismos genéticos disponibles. Este planteamiento es compatible con
la idea de que los eucariotas evolucionaron como quimeras por la vía de
fusiones endosimbióticas en las que participarían tanto bacterias como arqueas.
En este sentido, se puede explicar la aparición en el nuevo árbol de un gran número
de linajes sin ningún representante aislado, esto es, no cultivados. La mayoría
de estos se agrupan en una misma región del árbol, denominada CPR (Candidate
Phyla Radiation). Los géneros de este nuevo grupo CPR son todos portadores de
genomas pequeños, la mayoría con capacidades metabólicas restringidas, no
tienen ciclo de Krebs, ni cadena respiratoria; además, presentan problemas para
la síntesis de nucleótidos y aminoácidos, por lo que muchos son simbiontes. Los
autores se plantean si esto es debido a una pérdida progresiva de capacidades o
si, por el contrario, son características genéticas heredadas de una forma
ancestral de vida muy simple. De nuevo, pienso que son una prueba más de las “semillas”
acariotas imperfectas, en la hipótesis del protocariota propuesta.
Los virus como semillas celulares con función de agentes genéticos móviles
Los
virus -desde su posible origen, no finalista, como semillas de la célula protocariota, y su posterior papel como
agentes genéticos móviles- tienen tendencia a ser específicos del tipo celular
que los produce, y a coevolucionar con él; pero, también sin propósito alguno,
pueden interaccionar de forma cruzada con otros tipos celulares.
El
hecho de que los virus sean polifiléticos -con un origen diferente para cada
familia, y sin compartir genes entre ellas- apoyaría la hipótesis del
protocarionte formador de semillas:
cada virus coevolucionaría con su célula.
Es muy
probable que la selección natural fuese estableciendo sistemas de
coevolucionabilidad celular basados en las interacciones proteicas específicas
y en el consiguiente intercambio de material genético. Al menos con cierta
frecuencia, estos sistemas cooperativos -cooperación sin propósito alguno, de
forma involuntaria, sólo favorecida por la selección natural- podrían incluir
algún eucariota, algún acariota celular y los virus correspondientes de todos
ellos. En este sentido, parece que se exaltaría la interacción entre virus y
protocariotas en algunos ambientes extremos.
Con
estas premisas, es probable que primero apareciera el sistema protocariota-virus
ARN, primer ácido nucleico y primera célula (que derivarían directamente de la
relación inicial entre proteínas y ARN, heredada del proceso de splicing). Con
la conquista del ADN, probablemente le seguirían los sistemas: protocariota-virus
ADN-arqueas, y protocariota-virus ADN-bacterias.
Existen
relaciones evolutivas entre los virus y otros elementos genéticos móviles:
viroides, transposones, ARNs satélites y plásmidos; pero, seguramente por su
mayor simplicidad, todos estos agentes sean posteriores a la aparición de las
células protocariotas entorno al splicing y el resto de la factoría del núcleo:
gobierno proteico del ARN -con la selección de módulos proteicos- y los
mecanismos de replicación, transcripción y traducción (con ARNt, ribosomas y
aminoacil-ARNt sintetasas).
En
coherencia con lo expuesto hasta ahora, las similitudes estructurales entre
proteínas, con secuencias diferentes, de las cápsidas de varias familias
víricas; se pueden deber a procesos de divergencia (más que de convergencia)
evolutiva: se parte de los mismos módulos proteicos básicos, pero –como ocurre
con todas las proteínas- con una deriva secuencial conservadora de la
estructura.
Durante
el ciclo de infección vírica, se suele producir un significativo aumento de
variabilidad genética y de capacidad adaptativa, mucho mayor en los virus
ARN.
¿Lucha
por la existencia o cooperación en la evolución?
Con
cierta frecuencia nos encontramos, en varios dominios de la biología, con
asociaciones de ideas que siempre me han parecido faltas de rigor científico.
Una de las más frecuentes tiene que ver con la utilización de la figura de
Darwin y del darwinismo en general como apoyo de ideologías políticas y
económicas, como el nazismo y el liberalismo. Este uso espurio -y obviamente
peligroso- de la teoría darwiniana, ha calado también entre algunos
científicos, en mayor o menor medida, llegando, por una parte, a presentar al
darwinismo -sobre todo al neodarwinismo de la teoría sintética- como producto y
sustento del liberalismo; y, por otra, al neolamarckismo como estandarte del
socialismo. La realidad es que los que así piensan, tratan con poco rigor las
obras de Lamarck y de Darwin.
Para
empezar, aunque no es el tema que quiero tratar aquí, la esencia de la teoría
sintética neodarwinista tiene fuertes desencuentros con la esencia de la teoría
de Darwin. Por otra parte, en El origen de las especies por medio de la
selección natural, Darwin subraya qué entiende por lucha por la existencia:
“utilizo
el término lucha por la existencia en el sentido general y metafórico, lo cual
implica las relaciones mutuas de dependencia de los seres orgánicos y, lo que
es todavía más importante, no sólo la vida del individuo, sino su aptitud y
éxito en dejar descendencia”. Además, para Darwin la evolución es el
resultado, sin propósito ni dirección, del encuentro casual de necesidades
ciegas. Así, la selección natural no es un mecanismo, es el resultado sumario,
la acumulación, en cada momento, de las variantes afortunadas con la
supervivencia; independientemente de cómo se hayan producido esas
manifestaciones variables de la materia viva.
Por
otro lado, los humanos somos los únicos animales con capacidad para pensar,
para hacer un proyecto, para plantearse una meta. Sin embargo, en estos tiempos
aciagos, con la pandemia del coronavirus que ha originado la Covid-19, y con
otras muchas otras amenazas pendiendo sobre nuestras cabezas, nos encontramos a
científicos y políticos hablando del virus como si fuera una mente maligna que
decide estrategias de propagación, enfermedad y muerte; estrategias malvadas, a
las que tenemos que responder militarmente porque estamos en guerra contra el
virus. Se puede justificar este tratamiento con explicaciones del tipo: “es una
manera de hablar”; “así la gente lo entiende mejor”; pero yo creo que siempre
es mejor explicar las cosas como son en realidad, ya que, si se explican bien,
la gente lo entenderá; porque, quizá, son algunos de los científicos y
políticos, que así hablan, quienes no lo entienden bien. El hecho cierto es que
“la guerra” debíamos declararla contra nuestra organización -o mejor
desorganización- social y económica: la pandemia ha sido fruto de ella. No es
este el lugar de entrar en el tema, y, además, mucha gente lo ha tratado ya.
Vuelvo,
pues, al discurso de partida: la naturaleza humana y su organización social,
económica y política no pueden servir para explicar el resto de la naturaleza,
y viceversa. La diferencia fundamental es que nosotros tenemos, para bien o
para mal, propósitos, finalidades, y capacidad para corregirlos; el resto de la
naturaleza no, aunque, eso sí, mantenga una gran coherencia -que los
científicos deben intentar desentrañar- entre la necesidad reglada de los
fenómenos y la contingencia histórica de los sucesos.
Así
pues, nuestra necesidad social de cooperación, solidaridad y generosidad no
puede servir para extrapolarla al entendimiento del origen, naturaleza y
evolución de los seres vivos. Hay que mirar a la naturaleza libre de prejuicios
políticos: no podemos contraponer, de forma excluyente, relaciones y
comportamientos que observamos en la naturaleza, como, por ejemplo, lucha
y cooperación. Algunos investigadores, contraponen simbiosis a selección
natural. La simbiosis es un tipo de relación, entre individuos de diferentes
especies, que supone una discontinuidad, un salto entre las dos previas y el nuevo
individuo resultante. Se contraponen aquí el gradualismo -que se atribuye
gratuitamente a la selección natural- con el saltacionismo de la simbiosis.
Esto tiene un interés especial en procesos tan importantes como el origen de la
célula eucariota mediante simbiosis. Aunque resulta difícil de evitar, debemos
tener cuidado con la cantidad de detalles que añadimos al elaborar una teoría
interpretativa de un hecho. Aún más, el simple enunciado de un hecho ya puede
venir preñado de interpretación. Así pues, en el caso del origen de la célula
eucariota, ha podido ocurrir que se haya producido una evolución gradual del
ancestro común, hasta el eucariota, con un momento puntual de endosimbiosis; o,
también, una evolución, más gradual que la anterior, por endosimbiosis seriada;
o una mezcla de las dos. Así, los contrarios en este proceso de eucariogénesis
pueden ir de la mano; y, además, no tratarse sólo de simbiogénesis vs gradualismo
neodarwinista; también juegan aquí los opuestos lucha vs cooperación.
Algunos
biólogos piensan que ciertos mecanismos generadores de variabilidad -como la
endosimbiosis, la hibridación y la transferencia genética horizontal- unen las
ramas del árbol de la vida, a diferencia de la selección natural que las
diversifica y separa. Más bien, la selección natural debe ser entendida como el
resultado, en cada instante, de la dialéctica material ser vivo-medio; esto es,
el estado dinámico, momento a momento, de la estructura material de la
naturaleza viva, coseleccionada en su constante interacción.
En
resumen, pienso que no hay que ver estos opuestos como entes que se excluyen
como regidores principales de la evolución biológica. No todo es lucha y
selección, o cooperación y combinación; los opuestos están en las interacciones
necesarias y contingentes, como resultado dinámico de estas interacciones; esto
es, como información biológica recogida en la función y en la estructura
resultantes. Los opuestos se manifiestan en el tejido material de la realidad,
en constante interacción entre la necesidad o causalidad de los fenómenos y la
contingencia o casualidad de los sucesos. Es de estas interacciones materiales,
sin propósito, -y no de ninguna idea regidora- de donde surgen los opuestos o
contrarios. Así, en un determinado momento de la evolución prebiótica, de las
interacciones entre proteínas y ARN, van surgiendo protofunciones y
protoestructuras de las que, mediante selección natural, irán surgiendo la
relación de código genético y estructuras como el ribosoma, entre otras.
Igual ocurre con la función de corte y empalme del ARNm y el spliceosoma. Igualmente,
según las circunstancias ambientales, un evento de endocitosis, puede ser
fijado, por selección natural, como fagocitosis o como endosimbiosis; según
hemos visto que sucedió muchas veces en el proceso de origen de la célula
eucariota con las adquisiciones de la mitocondria y el cloroplasto.
Vemos
que, en determinadas circunstancias, las incesantes interacciones entre
estructuras biológicas -en principio sin propósito alguno, pero guardando la
coherencia funcional de lo ya tejido y seleccionado por la evolución-, pueden
dar lugar a una, a nuestros ojos, aparente relación de lucha o de simbiosis.
(Nota 1) LOS
EXOSOMAS COMO VESÍCULAS DE EVOLUCIONABILIDAD PROTOCARIOTA.
En una entrada anterior (2017) –Origen de la vida y origen de la célula eucariota- propuse la hipótesis
del protocarionte o protocariota, como la primera célula en el origen
de la vida. Esta célula primitiva tendría las características básicas de los
eucariotas –correspondientes a 347 genes exclusivos de ellos, relacionados con
la endocitosis, el sistema de transducción de señales y la síntesis de
proteínas en el núcleo- y un particular sistema de evolucionabilidad.
Sin entrar aquí en muchos detalles (ver entrada
citada) el propósito de esta nota es la posible relación de los exosomas –por
su universalidad, filogénica y funcional, en la comunicación intercelular- con
las vesículas o semillas de
evolucionabilidad: arqueas, bacterias y virus. Entre las principales ventajas
de estas vesículas de evolucionabilidad (el término semillas sólo es para dar fuerza expresiva a la idea de siembra de vesículas acariotas) estaría
la exaltación de mecanismos de herencia horizontal, que propiciaran una
evolución exógena al protocarionte, como la evolución exógena del metabolismo energético, a cargo de algunas de
estas vesículas que devendrían en bacterias. Las vesículas que, al azar,
portasen un equipamiento enzimático primitivo, fundamental para realizar un
metabolismo básico, podrían ir colonizando ambientes diversos, y ser
fagocitados por el protocariota.
Así pues, el metabolismo se desarrollaría desde las vesículas acariotas
(bacterias), expulsadas y, posteriormente, endocitadas, de forma sucesiva, por
las protocariotas. Sería un metabolismo externo al protocariota y realizado en
el acariota con las proteínas y genes que, al menos inicialmente, le
proporcionara el protocariota. La externalización tendría como ventaja inicial
la selección exterior, en ambientes muy diversos, de las adaptaciones más
ventajosas, y que esto fuese más fácil que el desarrollo interno de un complejo
sistema de integración de módulos en el protocariota.
Los eucariotas se formarían
mediante el baile continuo de
interacciones entre protocariotas y acariotas: los precursores protocariotas más eficaces
serían los que comenzaran una actividad fagocítica cada vez más específica, de
la que dependería su nutrición, ya que la sopa
primigenia se iría esquilmando. Es
probable que la aparición del oxígeno -tras la fotosíntesis oxigénica- y su
toxicidad para los protocariotas, promoviera en éstos el paso de la fagocitosis
a la endosimbiosis, fundamentalmente para aprovechar los sistemas enzimáticos
de adaptación al 02, de las bacterias precursoras de las
mitocondrias.
Inicialmente, al menos, todas las proteínas con especificidad
complementaria, tanto las de las membranas protocariotas como las de las
membranas acariotas, procederían de los protocariotas.
Así, durante este largo periodo, la selección natural favorecería las
variaciones de los protocariotas que lograran:
1) Producir exomódulos acariotas, englobados en
vesículas exosómicas, con un metabolismo cada vez más eficaz que interiorizara
los metabolitos ambientales más apropiados y los transformara convenientemente.
Esto constituiría una especie de cultivo celular acariota.
2) Expulsar –por exocitosis y gemación- y,
posteriormente, endocitar, de forma continua, las vesículas y exomódulos con
especificidad creciente, y seleccionarlos por su eficacia metabólica,
desarrollando así un sistema interno de transducción de señales. Este proceso
culminaría con la adquisición de mitocondrias y la consiguiente formación de la
célula eucariota.
3) Desarrollar los mecanismos genéticos que
exaltasen la variabilidad y especificidad: virus, elementos genéticos móviles y
otros mecanismos de herencia genética horizontal.
Así, paulatinamente, se produciría el origen único de la célula
eucariota (origen monofilético), con la posterior selección e incorporación
de las vesículas y exomódulos acariotas más eficaces -ya que los protocariotas
constituirían el único vórtice de esta selección- y, al mismo tiempo, una
auténtica explosión de diversidad
acariota: arqueas, bacterias y virus.
BIBLIOGRAFÍA
· Darwin,
C. El origen de las especies. Ed. Bruguera. Barcelona (1980).
· Ogayar,
A. Presentación antigénica y puzle conformacional. Una hipótesis (I y II).
Inmunología (1991) Vol. 10, nº 1, 19-23; y nº 3, 97-103.
· Ogayar,
A., Sánchez-Pérez, M. Prions: an evolutionary perspective. International
Microbiology (1998) vol. 1, nº 3, 183-190.
· Imachi,
H. et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface.
Nature (2020). Published online: 15 January 2020. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1916-6
· Zaremba-Niedzwiedzka,
K. et al. Asgard archaea iluminate the origin of eukaryotic cellular complexity.
Nature (2017). Published online: 11 January 2017. doi:10.1038/nature21031
·
Orígenes de la vida. Temas Investigación y
Ciencia, Nº 96, abril/junio 2019:
o
Szostak, Jack W. ¿Cómo nació la vida?
o
Ricardo, Alonso y Szostak, Jack W. El origen de
la vida.
o
Trefil, James; Morowitz, Harold J. y Smith,
Eric; El origen de la vida.
o
Gabaldón Toni; El origen de las células.
o
McInerney, James O. y O’Connell, Mary J. Nuevos
datos sobre el origen de la célula eucariota.
