El origen de la vida ¿causado por fluctuaciones termodinámicas?

En el campo de la abiogénesis, los científicos están investigando en la actualidad varias maneras en que podría haber surgido la vida a partir de la materia inerte

En general, toda teoría de abiogénesis debe tener en cuenta dos aspectos importantes de la vida: la replicación (la capacidad de transmitir sus características a su descendencia) y el metabolismo (las reacciones químicas requeridas para actividades vitales tales como asimilar el alimento). Aunque estas dos características ayudan a aportar una definición con la cual trabajar con la vida, hace poco los científicos han enfatizado la importancia de otra característica clave que requiere la evolución darwiniana: la selección, o la replicación de las mutaciones que proporcionan ventaja evolutiva.

«El problema básico de la abiogénesis es encontrar la primera entidad viva que fue generada a partir de la materia inerte”, le dijo a PhysOrg.com Doriano Brogioli, físico de la Universidad de Milán-Bicocca. “Pero, ¿cuál es la definición de la vida: es la replicación, o el metabolismo, o simplemente la autocatálisis? Creo que no es sólo una cuestión de definición: lo necesario es «evolución», incluso si la entidad que está bajo evolución (o la sufre) no es una clásica entidad viva. Luego de que empieza la evolución, puede alcanzar las estructuras complejas: a partir de una célula la evolución crea árboles, pájaros, ballenas, hormigas y todo el prodigioso mundo viviente actual».

Los sistemas puramente químicos pueden tener la capacidad de replicarse y metabolizar, pero los científicos han encontrado que los sistemas químicos no pueden realizar selección por sí mismos; las moléculas más activas no se replican más que otras, y las mutaciones individuales útiles no son transmitidas a la descendencia. Por lo tanto, los investigadores han sugerido que es posible que se requiera algún tipo de proceso físico para introducir competencia entre los sistemas químicos y generar la presión selectiva que requiere la evolución.

«Se necesitan tres características para la evolución: herencia, mutación y selección», dice Brogioli. «Las moléculas simples pueden replicar otras moléculas, incluyendo copias de sí mismas, y pueden experimentar mutaciones. Pero en una solución con réplicas, cada una repite lo que encuentra, incluyendo moléculas no activas o réplicas menos activas. La selección no está activa. La razón de esto es que la química (tradicional) favorece a las moléculas egoístas: la molécula que tiene más probabilidad de replicarse acrecienta su concentración. Para que tenga lugar una selección, debe haber un proceso físico. La forma actual usada por los organismos vivos es la confinación mediante membranas. Pero es difícil creer que se pueda formar espontáneamente una estructura compleja como una célula, ya que los polímeros de replicación deberían formarse junto con las membranas en sí. Este problema lo tienen todas las teorías de abiogénesis, incluyendo el mundo de ARN y las teorías de primero el metabolismo».

Brogioli ha adoptado un enfoque único para satisfacer los requisitos de selección, proponiendo que la respuesta puede estar en las fluctuaciones termodinámicas. Estas fluctuaciones, que son cambios en la cantidad de moléculas en un volumen dado a causa del movimiento térmico, puede permitir que se haga efectiva la selección, llevando a un incremento de las moléculas que tienen una ventaja evolutiva. Investigando algunos sistemas químicos que poseen una característica a la que llama «estabilidad marginal química», Brogioli ha demostrado que las fluctuaciones termodinámicas inducen no sólo un camino aleatorio, sino una deriva en dirección hacia el incremento de la eficiencia en la replicación.

A la izquierda autocatálisis, contra replicación a la derecha, con herencia en términos de cinética: En el caso de autocatálisis, todos los estados iniciales finalmente llevaron al mismo estado estacionario. En el caso de la replicación con herencia, los estados iniciales llevaron a a distintos estados estacionarios en la curva de estado estacionario. Las flechas azules muestran que el movimiento por la curva de estado estacionario es una lenta marcha hacia el incremento de la réplica más activa, R2. Crédito: Doriano Brogioli. 2010, The American Physical Society

Brogioli sugiere que esta deriva representa una forma inicial de evolución que tuvo lugar antes de que las membranas empezaran a englobar los sistemas químicos; luego de esa época, las membranas habrían asumido la responsabilidad de definir entidades en competencia entre sí, permitiendo que se diese la selección. Si las fluctuaciones termodinámicas desempeñaron un papel en la selección de la vida primigenia, se superaría el problema de la necesidad de que surjan simultáneamente la química de replicación y las membranas que la encierra.

En este artículo, Brogioli ve a la replicación desde una perspectiva cinética, en la que la contraparte cinético de la herencia de mutaciones es la presencia de múltiples estados estacionarios, es decir, las diferentes líneas de mutación pueden estar presentes simultáneamente, y sus descendientes heredan las mutaciones. El autor demuestra que los sistemas químicos que pueden pasar mutaciones a su descendencia se pueden pensar como sistemas con múltiples estados estacionarios, por lo tanto tienen la propiedad de la estabilidad química marginal. Estos sistemas se diferencian de un sistema «auto-catalítico» simple (por ejemplo, un sistema químico puro) en que sólo producen descendencia sin transmitir mutaciones; la contraparte cinética sería estados iniciales que conducen a un único estado estacionario.

Como analogía de un sistema marginalmente estable, Brogioli considera el ejemplo mecánico de una canica en una superficie plana, donde cualquier punto de la superficie es un punto estacionario. Si se perturba la canica, ésta alcanza un punto estacionario diferente en lugar de retornar a su posición original, dado que no hay una fuerza de restauración. Del mismo modo, fluctuaciones espontáneas de la concentración pueden permitir que un sistema químico herede una variedad de mutaciones desde su sistema progenitor, y cualquiera de estas mutaciones se puede considerar estable.

Brogioli descubrió el movimiento de deriva estudiando matemáticamente las fluctuaciones termodinámicas en el tiempo. Encontró que, si se presentan dos réplicas R1 y R2, la réplica más eficiente, digamos R2, empieza a acrecentar su cantidad y a hacerse dominante. En volúmenes con mayor concentración de R2, se producirá más replicación, y habrá una fracción mayor de R2. Después, puede surgir una réplica aún más eficiente a causa de mutaciones aleatorias, y su concentración crecerá, y así continuamente.

Por el momento, se ha confirmado deriva sólo con cálculos numéricos, y debe considerarse una teoría aún. Brogioli señala que la mayor parte de los sistemas químicos que tienen una réplica no tienen estabilidad marginal química, y por lo tanto no se ven afectados por las fluctuaciones termodinámicas. Sin embargo, su estudio muestra que es posible que exista un sistema químico marginalmente estable y que éste puede ingresar a una evolución espontánea. Investigar estar teoría podría llevar a revelaciones muy importantes. La demostración de un sistema químico marginalmente estable en laboratorio no sólo sería el primer experimento en el que un sistema químico sufra una evolución espontánea, sino también el primer modelo in vitro de reacción química hacia la vida.

«En la actualidad no se ha creado ninguna réplica que pueda autosostener su replicación, pero se puede obtener la replicación de polímeros de ARN por medio de la unión de oligonucleótidos cortos», dice Brogioli. «Esta es una forma [de encontrar un sistema químico que podría tener estabilidad marginal]. Otra posibilidad es crear un sistema más abstracto, en el que la replicación se logre mediante una enzima, y la actividad de la enzima sea afectada por la presencia de uno de los polímeros replicados. Obviamente, esto es sólo una prueba del principio de estabilidad marginal y de deriva evolutiva, pero no es una reproducción realista del origen de la vida. La posibilidad más interesante es considerar las reacciones propuestas por las teorías de ‘primero el metabolismo’. En esas teorías, no estuvo implicado ningún polímero replicante en la abiogénesis, sino sólo pequeñas moléculas formando algún tipo de red metabólica. El objetivo es encontrar una reacción muy simple que pueda ser marginalmente estable”.

Referencia de publicación: Doriano Brogioli. Marginally Stable Chemical Systems as Precursors of Life«. Physical Review Letters 105, 058102 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett105.058102

Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti

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