Del vitalismo de la generación espontánea al origen de la vida

En la Ilíada, Homero nos cuenta que Aquiles une al tormento de la muerte de Patroclo la preocupación por mantener el cadáver de su pupilo libre de moscas, para evitar, así, que sus larvas lo devoren y descompongan.

Para Homero estaba clara la conexión entre las moscas –con los huevos que depositan en la carne– y sus hambrientas larvas vermiformes.

Homero fue un Aedo jonio –del siglo VIII a. C.– autor de la Ilíada y la Odisea, dos conocidas epopeyas griegas.

En Jonia, la ciencia alcanza su cenit hace más de 2500 años (entre el 600 y el 400 a. C.), para languidecer hasta su violenta desaparición en el año 415 de nuestra era con el asesinato de Hipatia y la posterior destrucción de la gran Biblioteca de Alejandría. Su quema supuso la pérdida de lo mejor del mundo clásico y la vuelta a la ignorancia irracional –en lo relativo a las ideas filosóficas– que caracterizó a la Edad Media.

Quizá el filósofo más representativo de este momento de esplendor sea Demócrito de Abdera que expone un pensamiento muy próximo al de la mejor ciencia actual: “Nada existe, aparte de átomos y el vacío”. Demócrito era un filósofo materialista: para él todo se podía entender objetivamente como propiedades de la materia en constante interacción dinámica. No hay ningún fenómeno natural inteligente ni finalista: los movimientos de la materia y sus choques son resultado del azar y la necesidad.

Al parecer Platón –quien creía que “todas las cosas están llenas de dioses”– propuso quemar las obras de Demócrito y de Homero, quizá porque el filósofo materialista no aceptaba la existencia de almas inmortales o porque creía en un número infinito de mundos, algunos habitados.

La paulatina influencia de la religión en el pensamiento nos llevó al Medievo, donde, hasta finales del siglo XVI, la naturaleza volvió a ser caprichosa e impredecible, mero agente de la voluntad divina: no se distinguían bien los organismos vivos ni entre sí ni entre la totalidad de los seres; se contemplaba toda la realidad como una cadena continua de entes creados por Dios.

Como señala Carl Sagan, pasamos del universo ordenado y comprensible de los jonios, al que por ello denominaron Cosmos, al milenio de oscuridad de la Edad Media, donde, al revés de lo que ocurrió con estos antiguos filósofos, en la idea del mundo retrocedimos del Cosmos al Caos. Así llamaban los primitivos griegos al primer ser: creían que Caos no tenía forma y le atribuían la creación de un universo de naturaleza impredecible bajo el dominio de dioses caprichosos. Cuesta creer que hace más de 2500 años la racionalidad filosófica en Jonia llevase a plantear que se puede conocer el orden interno del universo, la regularidad de sus procesos y la necesidad reglada de sus fenómenos, incluida la naturaleza y el origen de la vida. En aquel momento, pasaron de un universo caótico a otro ordenado, predecible y experimentable: el Cosmos.

Este es el legado cultural que hemos heredado de los antiguos griegos: somos Cosmos inteligente, Cosmos consciente del Cosmos.

 

El penoso camino hacia la refutación de la generación espontánea

A la luz de los conocimientos actuales, resulta casi inconcebible la idea del siglo XVI de que los seres vivos eran engendrados por generación divina. Por una parte, animales y plantas superiores podían engendrar semejantes mediante la unión, por la acción de Dios, de la materia y la forma; aunque en este caso los padres no fuesen más que la sede de las fuerzas ‒el alma y el calor innato del líquido seminal‒ que unían la materia con la forma. Por otra parte, los seres que eran considerados inferiores (gusanos, moscas, serpientes, ratones...) no nacían de la simiente, sino por generación espontánea desde la materia en putrefacción, la suciedad y el barro bajo la acción del calor del sol.

En el siglo XVI todo aparece embrollado, caprichoso, resultado del designio divino. Todo ser se explica mediante la unión singular de materia y forma. Aquí reaparecen las ideas aristotélicas, pero teñidas de las creencias de la escolástica.

La idea de generación espontánea se puede incluir entre los planteamientos vitalistas como los que encontramos ya en la Grecia clásica con Anaximandro (610-545 a.C.), el cual planteaba que los seres vivos procedían de un “lodo primordial”, mientras que Aristóteles (384-322 a.C.) consideraba la existencia de la “psyque” o “principio vital” que se manifestaba de modos diversos en plantas, animales inferiores, superiores y en el hombre. Este filósofo –materialista, pero dualista y teleológico– proponía además concepciones como la identidad entre materia viva y materia inerte, no reconociendo un límite muy claro entre lo vivo y lo no vivo. Admitía, por tanto, la posibilidad de generación espontánea de vida, esto es, que la materia denominada inerte, no organizada e incapaz de cambio, podía adquirir una psique o principio vital más o menos superior que le proporcionara naturaleza de ser vivo, es decir, capacidad de cambio. Esta idea, aunque vitalista, dejaba abierta la conexión con la concepción de un origen de la vida desde lo inorgánico.

Posteriormente, asistimos a un largo periodo (desde el siglo XVI hasta la segunda mitad del XIX) en el que la idea de generación espontánea se resiste a desaparecer, con manifestaciones diversas y frecuentemente acompañada de otras ideas coherentes con el vitalismo como la teleología.

En el siglo XVII, Francesco Redi (1626-1698) empleó el método experimental y logró demostrar fehacientemente que la carne putrefacta protegida por una gasa no “criaba gusanos por sí misma” sino que –como ya sabía Homero–, más bien, aquellos eran larvas que procedían de los huevos previamente depositados por una mosca. Estos experimentos supusieron un fuerte revés para la idea de la generación espontánea. Pero el avance de la microscopía con R. Hooke (1635-1703) y A. van Leeuwenhoek (1632-1723), no solo abrió el campo de la observación de tejidos y microorganismos, sino también la posibilidad de que estos últimos pudiesen surgir de forma espontánea.

En el siglo XVIII, Lázaro Spallanzani (1729-1799) calentó agua en un recipiente tapado hasta su ebullición y posteriormente la dejó enfriar evitando su contaminación. Demostró así que estos microorganismos proceden de huevos y esporas. Los partidarios de la generación espontánea objetaron que la fuerza vital no podía entrar con el aire en un recipiente tapado. Con esta argumentación la idea duró otros cien años. 

En 1861, Louis Pasteur (1822-1895) ideó unos experimentos para demostrar que los microorganismos solo aparecían como contaminantes del aire y no espontáneamente. Utilizó unos matraces en cuello de cisne que permitían la entrada de oxígeno que se consideraba necesario para la vida, pero que con sus cuellos largos y curvos atrapaban las bacterias, las esporas de los hongos y otros microorganismos evitando que su contenido se contaminase. Demostró así que, si hervía el líquido del interior para matar los microorganismos ya presentes y se dejaba intacto su cuello, no aparecería ningún microorganismo. Alguno de sus frascos, estériles todavía, siguen exhibiéndose en el Instituto Pasteur. Solo si se rompía el cuello del matraz, favoreciendo la entrada de gérmenes contaminantes, aparecían microorganismos. Pasteur proclamó: “La vida es un germen y un germen es vida”.

Además de refutar la idea de la generación espontánea, estudios posteriores de Pasteur contribuyeron junto a los de Robert Koch (1843-1910) ‒en una feliz conexión‒ al alumbramiento de la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. Estos grandes eventos supusieron el nacimiento de la Microbiología como ciencia experimental.

 

La conexión del vitalismo celular con el reduccionismo bioquímico abre el camino a la investigación del origen de la vida

Hemos visto como la idea de generación espontánea de vida ha ido siempre acompañada de un “principio, fuerza o impulso vital”, de carácter más o menos divino y no sujeto a las leyes de la física y de la química, que transformase la materia inanimada en materia viva. Para los vitalistas ninguna parte aislada de un organismo estaba viva; por el contrario, las propiedades de la materia viva eran de alguna manera compartidas por todo el conjunto del organismo. El fin de la generación espontánea y el establecimiento de la teoría celular, que situaba a la célula como unidad elemental de vida, acabaron definitivamente con esta versión del vitalismo, pero no del todo con él. Antes de continuar, conviene recordar que el vitalista Aristóteles mantenía, sin embargo, una concepción muy avanzada sobre la identidad entre materia viva y materia inerte.

En este estado de cosas y de forma paradójica, Schwann y Pasteur se convierten en abanderados de una nueva formulación vitalista donde sostienen que las actividades químicas que realizan los tejidos vivos no se pueden realizar en condiciones experimentales de laboratorio, y establecen así dos categorías de reacciones: las “químicas” y las “vitales”.

Frente a los nuevos vitalistas se alzaban los reduccionistas, así llamados porque creían que los complejos procesos de los sistemas biológicos podrían reducirse a otros más simples. El primer éxito de los reduccionistas vino de la mano del químico alemán Friedrich Wöhler (1800-1882) cuando convirtió una molécula inorgánica, el cianato de amonio, en una orgánica, la urea.

No obstante, las afirmaciones de los vitalistas se fortalecieron porque, a medida que los conocimientos químicos mejoraban, se hallaron en los tejidos vivos muchos compuestos nuevos que jamás se habían visto en el mundo de lo no vivo o inorgánico. A finales de la década de 1880, el principal vitalista era Louis Pasteur, quien sostenía que los maravillosos cambios que tienen lugar al transformar el jugo de las frutas en vino eran “vitales” y solo podían realizarlos células vivas como las de levadura.

Con la refutación experimental de la idea de generación espontánea, Pasteur reforzaba el aforismo omnis cellula ex cellula, con el que Virchow puso el broche de oro a la teoría celular, pero al mismo tiempo se alejaba del planteamiento científico del origen de la vida, quizá imposible de abordar en ese momento. Años después escribió esto, refiriéndose a la generación espontánea de vida:

“La he estado buscando durante veinte años sin encontrarla, pero no creo que sea una imposibilidad.” 

El opositor más importante a la teoría vitalista de Pasteur fue Justus von Liebig (1803-1873), considerado el “padre” de la química germana.

En 1898, otros alemanes –los hermanos Eduard Büchner (1860-1917, Premio Nobel de Química en 1907) y Hans Büchner (1850-1902)– demostraron que una proteína extraída de las células de levadura podía producir fermentación fuera de la célula viva. A esta sustancia se la denominó enzima (de la palabra griega zyme) que significa “levadura” o “fermento”. Se demostró que una reacción “vital” era química, cesando así la polémica con los vitalistas y sentando las bases de la Bioquímica como ciencia.

No obstante, a pesar de la victoria de los reduccionistas sobre el vitalismo, la escuela francesa –que enarbolaba la bandera de la célula como unidad vital– y la alemana –más reduccionista y que veía a las proteínas como protagonistas de las reacciones químicas en los seres vivos– mantuvieron el enfrentamiento en diversos temas.

Si bien la biología comenzó como ciencia experimental dentro del marco teórico proporcionado por la teoría de la evolución y la teoría celular, los primeros resultados de este desarrollo fue el surgimiento en los albores del siglo XX de dos grandes ramas, la bioquímica y la genética, alrededor del aislamiento y caracterización química de las sustancias celulares, y del estudio de la herencia de los caracteres de animales y plantas, respectivamente.

Este despliegue de las ramas de la biología fue preparando las conexiones para el abordaje científico del problema del origen de la vida, una vez superados tanto el planteamiento vitalista original de la idea de generación espontánea como el neovitalismo de Pasteur. Así pues, hacía falta un planteamiento inicialmente reduccionista del problema para imaginar el posible camino recorrido desde el nivel molecular al celular o, dicho de otra forma, desde el mundo de lo inorgánico al organismo vivo.

Una vez que la bioquímica ha caracterizado los principales tipos de biomoléculas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) y sus monómeros constituyentes, uno de los primeros problemas es el de cómo se pudieron formar estas biomoléculas a partir del escenario geológico inorgánico de la Tierra primitiva. Después de la formación de monómeros orgánicos, y en su caso de los biopolímeros correspondientes, debemos reconstruir el camino de la coevolución que condujo a la formación de los sistemas celulares esenciales y la célula primitiva.

 

 

 

 

LA CIENCIA AVANZA EN TÁNDEM

 

En el nacimiento y desarrollo de la biología molecular se dieron muchos avances en tándem. Podemos destacar el de Watson y Crick y el de los franceses Jacob y Monod, que trataremos con más profundidad.

La biología molecular nace muy poco después (en algunos aspectos casi a la vez) que la teoría sintética neodarwinista de la evolución biológica, llamada así por la síntesis (para algunos, ecléctica, por atentar contra la esencia del darwinismo) entre la teoría de la selección natural de Darwin y las leyes de Mendel sobre la herencia genética. Así pues, aunque no llegaron a conocerse, sus epígonos hicieron un tándem con las ideas de ambos genios.

En su libro, El origen de las especies, Darwin eleva el Sistema Natural de clasificación de Linneo de esquema genealógico a árbol evolutivo. En el primero, las especies se relacionan por parentesco filiativo, aunque con un trasfondo creacionista; en el segundo, vemos un único origen del ancestro común de los seres vivos y una ramificación progresiva que lleva hasta los organismos actuales. Así, en su obra cumbre, Darwin plantea, como uno de sus conceptos principales, lo que denomina descendencia con modificación, mediante evolución por selección natural, donde el medio ambiente juega un importante papel en la información biológica.

Con Mendel nace la Genética, que se desarrolla minimizando el papel del medio, en aras de una herencia interna codificada en secuencias de ADN denominadas genes, que están en los cromosomas de las células.

El gran mérito de Mendel fue el desentrañar el fenómeno de la herencia considerando un supuesto mecanismo de transmisión a través de unos desconocidos factores de herencia (posteriormente denominados genes), a los que otorgó una dimensión particulada, como si fueran dados o monedas.

Mendel eligió muy bien los organismos y los caracteres heredables observados, y, a ciegas, sin saber qué tipo de “dado” o “moneda” tenía entre manos, realizó sus cruces y observó. Así, sacó sus leyes, y la universalidad de estas tuvo que ver con su hipótesis de que cada carácter estaba determinado por dos factores hereditarios (paterno y materno) que, más tarde, se vio que eran transmitidos de la misma forma que los cromosomas durante la meiosis gametogénica. Con la posterior determinación de que el ADN de los cromosomas es el material genético, se averiguó la naturaleza química del “dado” o “moneda” genética, y su estructura ‒lo que Watson y Crick llamaron el secreto de la vida‒, aunque pronto se vio que todo era más complejo que un simple juego de azar.

 

Control genético de la síntesis de enzimas y la síntesis de virus

Este enunciado se corresponde con el del Premio Nobel de Fisiología o Medicina que en 1965 les fue otorgado a François Jacob, Jacques Monod y André Lwoff.

La primera explicación de la vida a nivel molecular vino del mundo microscópico de las bacterias y los virus, material fundamental en la naciente biología molecular alrededor de la Segunda Guerra Mundial. En ambos acontecimientos participaron muy activamente ‒incluso de una forma cuasi legendaria, que marcaría sus vidas‒ dos jóvenes franceses, François Jacob y Jacques Monod. Estos dos ejemplos de compromiso con la ciencia y la libertad cruzaron en 1956 sus respectivas preocupaciones biológicas, en el laboratorio de André Lwoff, relacionadas ambas con la inducción génica. Encuentro trascendental, de la que surgió el modelo del operón de regulación de los genes, ya que las investigaciones de Jacob sobre virus complementaron las de Monod sobre bacterias.  

Pero en este tándem, Jacob y Monod mostraron grandes divergencias. Según afirma Jacob, en su libro autobiográfico La estatua interior (1987), “por diferencia de caracteres y una distinta actitud ante la naturaleza”.

Siempre me ha sorprendido que en sus dos principales libros, ambos de 1970: El azar y la necesidad (Monod) y La lógica de lo viviente (Jacob) no se mencionen mutuamente en sus respectivas interpretaciones sobre la filosofía de la naturaleza viva. Las derivas intelectuales suelen ser curiosas, pero Jacob, con una terminología menos alambicada que la de Monod y aun centrado en el programa genético, se abre a ciertas consideraciones frente al reduccionismo molecular: presenta una evolución “chapucera” a partir de la utilización de estructuras previas, otorga un papel importante al medioambiente, a la integración creciente de los niveles estructurales y a la contingencia.

Por otra parte, tenemos el paradigma biológico de Monod, magistralmente plasmado en su libro El azar y la necesidad, donde el juego del azar conduce a la vida en la Tierra, como un acierto único en la ruleta cósmica. Hipótesis que, de forma teleológica, supone la prexistencia de una fórmula o clave informativa que acertar. Es decir, la adquisición de una información secuencial que nos lleva a unas estructuras y performances teleonómicas acertadas (el equivalente a logros funcionales, en la jerga de Monod), que logran satisfacer unas necesidades vitales, también finalistas.

Con este planteamiento, bastante objetivo, del pensamiento de Jacob y Monod vamos a recorrer sucintamente el proceso que los llevó a formar tándem y a llegar a la meta. En este sentido, resulta interesante seguir los pasos que siguieron para desentrañar la lógica de la doble negación a nivel molecular. Monod estudiaba las curvas del crecimiento bacteriano en medios con distintas combinaciones de azúcares, y observó que algunos de estos requerían de un periodo de tiempo para inducir mediante su presencia la síntesis de la enzima que los descomponía; estos azúcares actuaban como inductores de la producción de sus respectivas enzimas degradadoras. Por su parte, Jacob estudiaba el extraño comportamiento de algunos virus que infectan bacterias (bacteriófagos) cuando, en vez de multiplicarse y salir de ellas mediante lisis, se quedan ocultos y silentes en su interior hasta que algún fenómeno (la luz ultravioleta, en este caso) induce su multiplicación y la consiguiente lisis celular. Ambos interpretaron inicialmente sus respectivos fenómenos de inducción desde la sencilla lógica de una regulación positiva, pero tras una serie de fracasos experimentales de esta hipótesis terminaron encontrando la solución aplicando la lógica de la doble negación.

Centrándonos en el problema de Monod, el control positivo del inductor (el azúcar lactosa) sobre la síntesis de la enzima que lo descompone en sus dos componentes (glucosa y galactosa), es de una lógica arrolladora: la economía de la naturaleza procura la producción de algunas enzimas solo cuando su sustrato está presente. Pero esta lógica sencilla y directa responde más bien a voluntades proyectivas, como las de los humanos. Por el contrario, la lógica evolucionista debe atender a los resultados sin propósito de las interacciones entre los individuos de un nivel y a la selección natural. Así, en ambos casos se pone de manifiesto que detrás de la apariencia de un sencillo control positivo estaba la lógica de la doble negación. Aunque para llegar a la explicación molecular faltaba el auténtico agente, el represor, una proteína que en el caso de la regulación del metabolismo de la lactosa reprime (primera negación) la síntesis de la enzima; la apariencia de inducción positiva por la presencia de lactosa viene de que en realidad esta molécula inhibe (segunda negación) al represor y, por lo tanto, este cesa de reprimir la síntesis de la enzima.  

En su libro autobiográfico, La estatua interior, Jacob cuenta algunos detalles del proceso. Ya en las primeras páginas nos confiesa su idea sobre la ciencia, los científicos y su método:

«Mucho, mucho he tardado en descubrir la verdadera naturaleza de la ciencia, de su modo de proceder, de los hombres que la producen […] la ciencia no recorre el camino real de la razón humana […] He encontrado en este campo un mundo de juego e imaginación […] Para mi sorpresa, quienes conseguían lo inesperado e inventaban lo posible no eran simplemente hombres de saber y de método. Eran sobre todo espíritus insólitos, aficionados a la dificultad, seres dotados de una visión descabellada. […] curiosas combinaciones de indiferencia y de pasión, de rigor y de extravagancia, de voluntad de poder y de ingenuidad. Triunfaba la singularidad.»

Al acabar la guerra, con graves lesiones que le dificultaban llegar a ser cirujano y una montaña de asignaturas de la carrera de medicina por delante, tras dar algunos tumbos y consciente de sus carencias se aproxima tímidamente a la investigación biológica; era el momento de los audaces pioneros…, sin títulos. Tras varios intentos en distintos centros, tiene la suerte de ser admitido en el Instituto Pasteur. Allí se incorpora al laboratorio dirigido por André Lwoff, donde trabajaba Jacques Monod; diez años antes de la célebre publicación (1960) sobre los mecanismos genéticos que regulan la síntesis de proteínas, que llevaría a los tres a obtener el Premio Nobel en 1965.

Tras unos primeros años de cierta zozobra, pero un ambiente estimulante, Jacob se va afianzando en la investigación de los virus bacterianos (bacteriófagos) y en el fenómeno reciente de la inducción del profago mediante luz ultravioleta. Así llega a ser admitido en el grupo del fago, formado por investigadores internacionales –con una denominada “iglesia del fago”, fundamentalmente americana, cuyo papa era el físico de origen alemán Max Delbrück– y, en Francia, Lwoff. En esos primeros años Jacob obtiene la licenciatura en Biología y el doctorado en Genética.

Junto a Lwoff, Monod era la figura dominante del grupo en el Pasteur. Diez años menor que el primero y diez mayor que Jacob, el final de la guerra le pilló bien formado y con cierto poder. Había estudiado zoología en la Sorbona y, poco antes del inicio de la guerra, a instancias del célebre Boris Ephrussi, fue a hacer unas prácticas en el laboratorio de T.H. Morgan (uno de los padres de la genética clásica) en el Caltech. Allí, se dedicó a fondo a la biología y a la música, llegando incluso a dudar hacia dónde dirigir su futura carrera profesional.  Durante la guerra, además de presentar su tesis sobre el crecimiento bacteriano, luchó activamente en la resistencia: tiempo de clandestinidad, partido comunista, francotiradores y partisanos… Mandaba sobre muchos hombres y mujeres, cuyas vidas, en buena parte, dependían de él. Cuando la Liberación, Monod formó parte del estado mayor del general De Lattre de Tassigny. Al acabar la guerra, se instaló en el Instituto Pasteur, en el servicio de Lwoff, donde dedicó todo su tiempo y esfuerzo a la adaptación enzimática, a la que él rebautizó con el nombre de inducción enzimática, mucho más acorde con los nuevos tiempos de predominio de la genética. Jacob lo describe como un personaje de unas dimensiones fuera de lo común: multifacético, intelectual, polímata; con una vasta cultura, tanto artística como científica; un absoluto rigor en la crítica y un gran encanto personal, con fuerte tendencia a querer gustar…, una disponibilidad total con sus amigos y estudiantes; una alegría inmensa, acompañada de una risa característica: muy comunicativa y escandalosa, que permitía identificarlo a distancia; una voluntad de dominación intelectual, y a veces de terrorismo intelectual, que hacía que se sentara en primera fila durante los seminarios para bombardear a preguntas a los ponentes y explicarles lo que habían hecho, o lo que hubieran debido hacer…

En el laboratorio de Lwoff estaba Elie Wollman que acababa de volver de una estancia de dos años en el laboratorio de Max Delbrück en Pasadena, la meca del grupo del fago. Muy pronto Jacob hace amistad e inicia sus investigaciones con él. En ese momento, en el Pasteur había mucho flujo entre los investigadores franceses y los americanos –que utilizaban a capricho, exclusividad y horario nocturno incluso sus lugares más sagrados, como la biblioteca y la cripta que alberga la sepultura de Pasteur–; algunos ellos, con gran confianza, pedían cepas a sus colegas franceses para realizar los mismos experimentos… Jacob cuenta que tanto movimiento solo fue posible gracias a la ayuda de las fundaciones americanas, que subvencionaban las investigaciones de Lwoff y Monod.

Recordando sus investigaciones sobre la inducción en el fago, Jacob saca algunas conclusiones:

«El proceso de la ciencia experimental no consiste en explicar lo desconocido por lo conocido… Se trata de rendir cuentas de lo que se observa a través de las propiedades de lo que se imagina […] En cualquier caso, explicar un fenómeno consistía en considerarlo como el efecto visible de una causa oculta, en conexión con el conjunto de fuerzas que, se supone, rigen el mundo.

Existe un estilo en ciencia. Y no solo se trata de una manera de mirar el mundo, sino también de interrogarlo. De una forma de actuar frente a la naturaleza y de hablar de ella […] 

Jacques Monod tenía un estilo muy peculiar, muy personal. Brillante y correoso a la vez. Una mezcla de lógica y apasionamiento […] Aquel ateo ocultaba un creyente […] Más que confianza, tenía fe en la naturaleza, en su coherencia, en su unidad».

En otoño del 57, la colaboración con Monod se había hecho ineludible. Elie Wollman y Jacob habían puesto a punto una herramienta que permitía analizar genéticamente cualquier función o sistema, y el de Monod pedía a gritos un análisis genético. Mientras Wollman se retira a escribir su tesis, Jacob y Monod deciden colaborar, junto a Arthur Pardee (bioquímico californiano con un año sabático en el Pasteur), en el estudio del sistema del colibacilo y su metabolismo de la lactosa. Jacob veía que, a Monod, lo que más le importaba era unificar los diferentes tipos de regulación. Manifestaba una confianza inquebrantable en la lógica de la naturaleza y en su unidad. Tenía que encontrar una hipótesis única para explicar los dos sistemas de regulación que aparentemente eran contradictorios: la inducción y la represión. Monod era partidario de la inducción generalizada. Otros, como Leo Szilard (uno de los padres de la bomba atómica) se inclinaban por la represión generalizada. En un seminario que impartió sobre el tema en el Pasteur, no convenció a Monod. Como ya hemos visto anteriormente, la conclusión la aportó la experimentación: la hipótesis de la represión se imponía con el mecanismo de la doble negación.

A finales de julio de 1958, estando una tarde en el cine con su mujer, Jacob tuvo un destello… ¿Cómo no se me había ocurrido antes? Jacob ha visto una unidad de actuación en los dos sistemas, el de la lactosa y la inducción del fago: en ambos casos, un gen ordena la formación de un producto citoplásmico, de un represor que bloquea la expresión de otros genes, impidiendo de este modo ya sea la síntesis de la galactosidasa, ya la multiplicación del virus. Pero, ¿dónde actúa entonces el represor para detenerlo todo de golpe? Jacob acaba de visualizar la respuesta: ¡en el mismísimo ADN!

A partir de ese momento, Jacob pasa por un gozoso y a la vez angustioso momento de soledad: sabe que ha encontrado una síntesis teórica sobre sus experimentos, pero en esas fechas no encuentra a nadie con capacidad para contrastarla.  

Por fin, una tarde de septiembre de 1958, Jacob entra en el despacho de Monod dispuesto a convencerle. Se sentía excitado y agotado a la vez. No había pegado ojo en el avión de vuelta de Nueva York… Todavía no le había explicado su hipótesis a nadie, pero estaba convencido de su coherencia y le parecía difícil de refutar. Cuando empezó a hablar los ojos le escocían y se caía de sueño… Monod apenas le prestaba atención…, una sonrisita, seguida de una de sus enormes carcajadas. ¡Pueril! Monod vomitaba argumentos contra la hipótesis de Jacob sin asimilar ni pensar en ella. A Monod no le gustaba cambiar de hipótesis y menos si no era por iniciativa propia.

A este respecto, Jacob creía que, en un hombre tan excepcional, como Jacques Monod, «coexistían multitud de facetas diferentes, algunas opuestas. Dos, sobre todo, considerando al científico.   La primera, llamémosla Jacques, era la de un hombre encantador y generoso, interesado por todo… La segunda faceta, llamémosla Monod, era la de un hombre dogmático, seguro de sí y dominador; que busca acaparar la atención, los honores y la admiración. Un hombre que emitía juicios definitivos sobre todo y sobre todos, al que gustaba enseñarles a sus colegas el verdadero significado de sus propios trabajos, pero que desechaba cualquier objeción, tachándola de estupidez. Trabajar con Jacques era un placer. Tener que debatir una cuestión con Monod podía convertirse en una dura prueba. Muy felizmente, en aquellos tiempos Jacques dominaba casi siempre».

Así, después del primer desafortunado encuentro aquella tarde de septiembre, con Monod, a la mañana siguiente, Jacob se reunió con un Jacques receptivo que le escuchaba con curiosidad y atención… La hipótesis de un mecanismo común se volvía inevitable y, por lo tanto, se imponía la complementariedad experimental entre los dos sistemas. Jacques se concentraría en el sistema lactosa y Jacob trataría de tener presentes ambos sistemas a la vez, por sus semejanzas: cualquier novedad en uno de ellos implicaba la posibilidad y búsqueda de lo mismo en el otro. Jacob, confiesa estar maravillado de verse metido de lleno con Jacques Monod, un héroe y modelo para él: “muy pronto, Jacques retomó el modelo por su cuenta, apropiándoselo y modificándolo en algunos puntos en función de unos datos determinados”.

Al fin llegó la hora de escribir el artículo científico con los resultados y conclusiones de todo el trabajo realizado: se trata de inmovilizar las ideas en movimiento del trabajo científico en una instantánea. Jacob dice que «en este juego, Jacques no tenía rival. Su inglés era limpio y brillante –el mío pesado y torpe–, él escribió la totalidad de la última versión».

Y, así, llegamos a las divergencias frente a la lógica de la naturaleza que señalamos al comienzo de este relato. Jacob concluye que “Jacques pretendía ser lógico, exclusivamente, mientras pensaba que él era intuitivo. Cosa que no le molestaba de no ser por la pizca de ironía, de desprecio incluso, que traslucían sus observaciones y comentarios. No tenía bastante con ser él lógico. Quería que la naturaleza lo fuera también. Para él, la selección natural había alcanzado una perfección que acababa por confundirse con la perfección que otros reconocían como la expresión de la voluntad divina. De ahí su preferencia por las soluciones únicas. Sobre este punto, Jacques no transigía”.

 

 

 

 

 

EUCARIOGÉNESIS: UNA NUEVA PERSPECTIVA

 

Tomando el reciente artículo del equipo de Toni Gabaldón en Nature como referencia de la revisión del estado actual del conocimiento sobre la formación de la célula eucariota, podemos subrayar que la eucariogénesis no ocurrió en uno o dos actos puntuales de endosimbiosis entre una bacteria y una arquea sino, más bien, del continuo intercambio genético gradual entre muchas especies de estos grupos procariotas. También se aprecia la participación de ciertos virus en estas oleadas de transferencia genética horizontal. En todo este proceso gradual, la endosimbiosis mitocondrial es considerada como un suceso tardío que afectaría a algún precursor de LECA (último ancestro común de los eucariotas). Así pues, la endosimbiosis mitocondrial (propuesta por Margulis) vendría precedida de la formación de ancestros pre-LECA (huéspedes protoeucariotas), en ecosistemas microbianos complejos, mediante procesos de transferencia genética horizontal entre especies procariotas asociadas de formas diversas. A continuación, vamos a ver algunas de las dificultades pendientes de la eucariogénesis.

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…

Para abordar este reto es preciso movilizar ingentes cantidades de datos genómicos y proteómicos, pero también ponderar la prioridad o precedencia, y la naturaleza de los agentes moleculares y celulares del proceso de origen. Además del abismo entre los procariotas y los eucariotas, sin intermediarios evolutivos, también encontramos una brecha dentro de los procariotas entre arqueas y bacterias, ya que curiosamente las arqueas están más cerca de los eucariotas, con los que presentan ciertos rasgos comunes. En una primera aproximación al problema de la naturaleza diferencial de unos y otros tipos, podríamos decir que los procariotas son más genéticos (con información secuencial que codifica proteínas ordenadas con una estructura y función únicas) y los eucariotas más plásticos (con un buen número de proteínas dotadas de estructuras intrínsecamente desordenadas, que les permite manejar una información conformacional tanto pre como epigenética). Veremos más adelante la importancia de dilucidar si el origen y evolución de las proteínas va de desorden a orden o al revés.

Las diferencias entre arqueas y bacterias también presentan ciertas paradojas relativas a su relación con los ancestros de los eucariotas. Por un lado, tenemos un problema con la composición de la membrana celular de LUCA (el último ancestro común de todas las células): sabemos que las membranas de las arqueas actuales están compuestas de isoprenoides, mientras que las de bacterias y eucariotas están constituidas por ácidos grasos. Por otra parte, LUCA se muestra exento de proteínas implicadas en la división celular y en la regulación del ciclo celular, denotando una carencia de respuesta adaptativa frente a un medio que, independientemente de su estabilidad, era totalmente novedoso frente a la vida emergente. Además, en las oleadas de adquisiciones génicas pre-LECA (anteriores a la endosimbiosis mitocondrial) por parte de donantes procariotas, predominan las contribuciones bacterianas frente a las arqueanas.

Los investigadores que intentan poner orden en este rompecabezas genómico y proteómico se enfrentan a grandes dificultades y dilemas: la tarea de recomponer las posiciones relativas de LUCA y LECA en el árbol filogenético está basada en una concepción de herencia vertical, y aquí vemos múltiples eventos de transferencia genética horizontal, incluyendo la endocitosis, que complican enormemente el trabajo. Los investigadores se plantean la posibilidad de que muchas de las piezas del rompecabezas se hayan perdido para siempre o experimentado grandes cambios que dificulten su ubicación. En este orden de cosas, quizá convenga plantearse otras alternativas sobre el flujo de información biológica para este intrincado rompecabezas.

 

¿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, aunque conectados: proteocéntrico y genocéntrico, cada uno con una naturaleza esencial diferente.

Ya comentamos anteriormente que, en sentido amplio, 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 y dependientes del azar que origina mutaciones, y proteínas más estructuradas y con funciones únicas, asociadas a mecanismos del tipo llave cerradura. Por su parte, los eucariotas son más plásticos: con procesos de flexibilidad adaptativa ‒mediante proteínas que exhiben un mayor o menor grado de desorden estructural intrínseco‒ frente a la contingencia ambiental. Los eucariotas adquieren información conformacional estable cuando sus proteínas esenciales interaccionan con distintos ligandos, vulnerando el dogma de Anfinsen: una secuencia, una estructura y una función. Así, sobre su herencia genética, despliegan una evolución eminentemente epigenética.

Siguiendo este razonamiento, las diferencias funcionales y estructurales entre ambos tipos celulares –entre LUCA y LECA– son tan grandes que debemos plantearnos algunas preguntas que orienten nuestras pesquisas: ¿cómo ha trazado la evolución biológica en la Tierra dos caminos tan diferentes? 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, también, ¿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 lo más simple precede siempre a lo más complejo: en este caso la creencia –presente en todas las hipótesis actuales– de que, en la evolución biológica, 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 esta 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? Recordemos, igualmente, que 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 síntesis, ¿qué fue prioritario, la estructura o la función?

En el modelo proteocéntrico, que defiendo, 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 proteínas intrínsecamente desordenadas (IDPs), chaperones y priones (o proteínas funcionales, tipo prión, que denomino conformones). Además, este flujo de información, entre el primordio de célula eucariota ‒a la que denomino protocariota (o quizá mejor arqueocariota, para evitar confusiones con otras denominaciones semejantes) ‒ 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 del “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 modelo 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.

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 modular 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 básicamente monofiléticos); otra rama, que partiría próxima al protocariota (o arqueocariota), 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 (o arqueocariota) propuesto aquí.

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 mi 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 sin propósito e imperfectos, pero sometidos a selección natural. De esta manera podrían producirse grupos de arqueas más o menos viables, que portaran genes eucariotas provenientes del protocariota (o arqueocariota), 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 o arqueocariota 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 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 mi hipótesis del protocariota, pero en esta última las arqueas proceden de los protocariotas o arqueocariotas 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 las 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. También se admite 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, ejerciendo de 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 rasgo esencial del grupo, de un buen grupo de 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 de mi modelo 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, y las aparentes o incipientes adaptaciones cooptadas podrían ser consideradas exaptaciones. 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. Como vemos, los datos de este trabajo también cuadran con la hipótesis del protocariota dentro de mi modelo proteocéntrico, que situaría a estos grupos de arqueas, próximos al protocariota (o arqueocariota), 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 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 vitales esenciales 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 vemos materializada en los eucariotas. Éstos provendrían, por línea directa, del protocariota o arqueocariota 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 celular imperfecta y semillas vesiculares, en buena parte adaptadas posteriormente a ambientes extremos.

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 estructural 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 pregenéticos y 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, solo 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. 

 

Bibliografía

·    Bernabeu, M. et al. (2026). «Gene ancestries reveal diverse microbial associations during eukaryogenesis». Nature. 2026 Jun 10. Doi:10.1038

·       Ogayar, A. y Sánchez-Pérez, M. (1998). «Prions: an evolutionary perspective». International Microbiology 1 (3): 183-190.

·       Ogayar, A. (2024). Evolución. Del árbol de Darwin al telar de la vida. Caligrama. Sevilla.

·       Ogayar, A. Blog: http://estructuraeinformacionbiologica.blogspot.com/