The Vital Question: Carbon Based Lifeforms

El autor de este trepidante ensayo, Nick Lane, confiesa en la segunda frase de su texto que no sabemos por qué la vida es como es.

 

Eso sí, algo creemos conocer como, por ejemplo, que todos los organismos complejos provienen de un único ancestro que se manifestó hace dos mil millones de años (el planeta tiene 4.500 millones de años de antigüedad y, por cierto, su apariencia actual es similar a la de aquel entonces).

No existe conexión entre las bacterias (procariotas, que carecen de núcleo celular) y todos los demás seres vivos (eucariotas, que posee núcleo celular). Entre ambos se abre un gigantesco agujero negro.

Descubrimos las células hace más de trescientos años, pero seguimos sin tener respuestas a por qué la vida es como es, aunque el autor apuesta por la ‘adquisición de mitocondrias’ como suceso clave. La idea, relativamente reciente (1998), es de Bill Martin: la vida compleja surge a consecuencia de una endosimbiosis con dos únicas células como protagonistas.

Las células obtienen su energía del flujo de protones. La energía resultante de quemar los alimentos en la respiración, se usa para proyectar protones a través de la membrana celular, formando una especie de embalse a un lado de la membrana. El flujo de protones que sale posteriormente de ese embalse, se puede usar para obtener fuerza (power) del mismo modo en que se obtiene de una turbina en una presa hidroeléctrica:

El uso de gradientes de protones es universal en la vida terrestre –la fuerza de protones es una parte tan integral de la vida como el código genético”.

Lane sostiene que comprender ese mecanismo energético es esencial para captar las propiedades de la vida: “(esas propiedades) surgieron, necesariamente, del desequilibrio de un inquieto planeta (…) la distinción entre un planeta vivo –geológicamente activo—y una célula viva es solo una cuestión de definición”. El ensayo desarrolla esta idea porque se encuentra en el límite de lo desconocido, es decir, donde se hace la ciencia más interesante.

La cuestión clave es que el paso de los organismos procariotas a los eucariotas sucedió en un momento puntual durante la evolución (“todos los eucariotas están relacionados”) y no tuvo nada que ver con restricciones ambientales (como la Gran Oxidación), sino con propiedades físicas intrínsecas. La variabilidad en las formas de vida que supuso la aparición de las células eucariotas es simplemente extraordinaria:

Sabemos mucho sobre cómo los genes codifican los componentes físicos de las células, pero muy poco sobre cómo las restricciones físicas dictan la estructura y evolución de las células”.

 

Para vivir, los organismos necesitan una enorme cantidad de energía. La moneda energética que usan todas las células vivas es una molécula conocida como ATP. Funciona como una moneda en una máquina tragaperras. Activa una sola vez una máquina que se desactiva a continuación. Esa máquina suele ser una proteína. Activarla de nuevo requiere otra molécula ATP:

Imagínese la célula como un gigantesco salón de juegos, repleto de proteínas alimentadas por monedas de ATP.

¡Una sola célula consume diez millones de moléculas ATP cada segundo!
La cifra te deja sin aliento
(…) solo tenemos en nuestro organismo 60 gramos de ATP, por lo que sabemos que cada molécula ATP se recarga una o dos veces por minuto
(…) la energía de la respiración –liberada por la reacción del alimento con el oxígeno—se usa para fabricar ATP

(…) respirar y quemar son equivalentes; el ligero desfase intermedio es lo que conocemos como vida”.

Los 40 trillones de células de los que está compuesto un individuo (“el maravilloso mosaico tridimensional que es un ser humano”) contienen al menos un cuatrillón de mitocondrias. La superficie equivalente a esa cantidad de mitocondrias es de cuatro campos de futbol y su tarea consiste en mover protones. Ese número de mitocondrias mueve 1021 protones cada segundo –tantos como estrellas hay en el universo. La proteína funciona como una turbina hidroeléctrica. La transferencia de protones a través de la membrana celular se resume con el término ‘quimio-osmótica’ (la respiración empuja los protones a través de una delgada membrana, en contra de un gradiente, y, por tanto, es quimio-osmótica).

El origen de la vida necesita una cesta de la compra muy pequeña: rocas, agua y CO2. Lane lo explica con un detalle que aquí está fuera de lugar, pero, en esencia, supone admitir que la vida en la Tierra se sirve de los gradientes de protones a través de membranas para impulsar el metabolismo del carbono y de la energía. Por eso la vida en la Tierra se basa en el carbono. Todos los seres vivos son ‘Carbon Based Lifeforms’.

Las eucariotas tienen 200.000 veces más energía por gen que las procariotas. Solamente el 2% de la energía de la que dispone la célula se destina a la replicación del ADN, mientras que un 80% se dedica a la síntesis de proteínas. Cuantos más genes haya en el genoma, más alto será el precio de sintetizar proteínas. A diferencia de las bacterias (procariotas), las eucariotas pudieron ganar complejidad gracias a las mitocondrias.

Las mitocondrias perdieron la mayor parte de sus genes, pero una parte se transfirió al núcleo de la célula sin que supusiese ningún coste para esa célula. Todas las mitocondrias originales del individuo humano (100.000) provienen de la madre para evitar que puedan competir con las del padre (y huir de un mal negocio molecular). El proceso respiratorio requiere de la cooperación de los genes del núcleo celular y de los genes de las mitocondrias:

Mejorar la salud del individuo adulto requiere reducir la varianza de las mitocondrias de modo que los tejidos que se crean reciban mitocondrias similares (y saludables)

(…) las mitocondrias controlan la muerte celular (apoptosis), el cáncer y los trastornos degenerativos”.

El sexo (como intercambio) es necesario para mantener la función de los genes individuales en genomas de gran tamaño, mientras que se requieren dos sexos (pero no más) para preservar la calidad de las mitocondrias. Los genes del núcleo celular se recombinan cada generación gracias al intercambio que supone el sexo, mientras que los genes de las mitocondrias (que evolucionan más rápido) pasan de la madre a la hija a través del óvulo (y raramente se recombinan). El padre no tiene ningún papel en el juego mitocondrial.

El potencial eléctrico que atraviesa la delgada membrana de la mitocondria produce una fuerza de 30 millones de voltios por metro (¡equivalente a un rayo!). Se necesitan genes para controlar esta colosal potencia en respuesta al cambio en el flujo de protones, la disponibilidad de oxigeno o el número de proteínas respiratorias:

Los genomas no predicen el futuro sino que recuerdan el pasado: reflejan las exigencias de la historia”.

Los genes del núcleo y de las mitocondrias deben actuar coordinadamente o el proceso respiratorio fallará y se producirá apoptosis. Esta muerte celular no es una cuestión de todo o nada: fallecen primero aquellas con mayor demanda metabólica (cerebro y corazón, por ejemplo). La rapidez con la que evolucionan los genes de las mitocondrias tiene ventajas adaptativas (p. e. fertilidad), pero también desventajas (enfermedades consecuencia del desajuste con los genes del núcleo celular).

Son interesantes las recomendaciones de Lane para atenuar el deterioro que se produce con la edad. Los antioxidantes no solamente no funcionan, sino que son nocivos porque reducen la disponibilidad de energía. El ejercicio aeróbico es positivo porque reduce el número de radicales libres. Finalmente, recomienda la restricción calórica y una dieta baja en hidratos de carbono porque se promueve una respuesta fisiológica de estrés que facilita la eliminación de células defectuosas con mitocondrias comprometidas:

 

Desde la simple consideración de las exigencias que impone la presencia de dos genomas, podemos suponer que nuestros ancestros aumentaron su capacidad aeróbica, redujeron la fuga de radicales libres, se auto-indujeron problemas de fertilidad y aumentaron su esperanza de vida”.

El autor considera algo demencialmente extraño la vida compleja que observamos en nuestro planeta. Por razones energéticas, la evolución de esa vida requiere la endosimbiosis entre dos procariotas y este es un “suceso aleatorio rarísimo, un ‘freak accident’, que aún se complica más por el conflicto interno de las células. Si se acepta que eso sucedió, entonces podremos recuperar la mecánica de la selección natural”.

En las frases finales de su ensayo se asombra Lane de que la máquina más improbable del universo, es decir, nuestra mente, pueda preguntarse ahora por qué la vida es como es.

Es fácil simpatizar con esa sensación de asombro.

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