La teoría de que las primeras células surgen a partir de procesos físico-químicos, hoy plenamente aceptada, surgió a partir de las siguientes ideas. C. Darwin propuso en el "Origen de las Especies" que los organismos proceden de otros organismos y que las diferencias entre ellos, que potencialmente pueden dar lugar a especies nuevas, se consiguen con la selección natural actuando sobre la variabilidad fenotípica de tales organismos. Es decir, las células pueden evolucionar de simples a complejas (y al revés). La teoría celular dice en uno de sus postulados que toda célula proviene de otra célula, y L. Pasteur aportó evidencias en contra de la generación espontánea en las células actuales, incluso para los organismos más simples. Todo ello conduce a que la primera célula, que se originó hace más de 3000 millones de años, y como no había células previas, tuvo que surgir a partir de moléculas orgánicas, una especie de generación espontánea, pero no la que estudió L. Pasteur, aparición desde la nada, sino por un proceso largo, progresivo y complejo a partir de moléculas simples que irían ganando complejidad en sus estructuras, en su composición y sobre todo en las interacciones de unas con otras.
En la sucesión de etapas que llevaron desde las moléculas más simples hasta las primeras células hubo un momento en el que aparecieron moléculas o conjuntos de moléculas que tuvieron la capacidad de autorreplicarse y de sufrir selección natural. Una vez esto, el resto se podría explicar por selección darwiniana !a nivel molecular!
Las moléculas candidatas para ser las primeras protagonistas de la evolución podrían ser dos de las principales moléculas que componen hoy en día las células: ADN y proteínas. Pero se les ha dejado de lado por las dificultades que presentan. El ADN es un buen soporte para almacenar información, es muy estable y permite variabilidad, pero prácticamente es inerte y no tiene capacidad de autorreplicarse. Las proteínas tienen una alta capacidad catalítica, es decir, "hacen cosas", pero autorreplicar su secuencia de aminoácidos parece hoy en día inabordable. Entonces, ¿quién podría ser el candidato?
R. Woese y L.E. Orgel proponen que esa molécula insólita debió ser el ARN. Pero fue W. Gilbert en 1986 quien formuló la hipótesis en su forma actual de que el ARN era la molécula clave (Gilbert fue premio Nobel por una técnica de secuenciación del ADN, también acuñó los términos de exones e intrones). La biología molecular fue colocando en los siguientes años al ARN en una posición protagonista en el funcionamiento de la célula. ¿Cuáles son los datos que apoyan al ARN como molécula importante en el origen de la vida?:
1.- Tiene capacidad catalítica. Las ribonucleoproteínas (proteínas más ARN) son capaces de procesar los transcritos primarios en el núcleo y el ARN ribosómico participa de manera crítica en la síntesis de proteínas en los ribosomas. La evidencia de que el centro catalítico de los ribosomas es ARN apoya la idea de que las primeras proteínas se sintetizaron gracias al ARN. De manera que las primeras proteínas u oligopéptidos fueron seleccionados en función de su afinidad por interactuar con el ARN y estabilizarlo o facilitar su replicación. Además, esta interacción favorecería la estabilidad del propio oligopéptido. Estas interacciones ARN-péptido serían eléctricas y débiles, por lo que debieron darse en ambientes no muy calientes. Hay un problema con esta teoría: los aminoácidos que mejor interaccionan con el ARN son la arginina y lisina, pero éstos no se han encontrado en los meteoritos y su síntesis abiótica parece difícil.
2.- Transporta información. El ARN mensajero recoge la información del ADN y lo lleva hasta los ribosomas donde es leído para la síntesis de las proteínas.
3.- Ribonucleótidos como el ATP (trifosfato de adenosina) son las moléculas energéticas por excelencia de los seres vivos. Cofactores como el NAD+ o el FAD son cruciales en muchas reacciones bioquímicas.
4.- Moléculas de ARN sometidas a condiciones controladas son capaces de evolucionar: variabilidad más autorreplicación. Es difícil pensar que algo parecido a una célula se hubiera formado espontáneamente sin una gran serie de pasos moleculares previos. Y dentro de esa larga serie de pasos se tuvo que inventar un replicador suficientemente eficiente, pero con la propiedad de cometer errores en su funcionamiento, y así poder evolucionar. Ese replicador se denomina como el ancestro inicial Darwiniano. El ARN podría haber sido ese replicador inicial, bien en solitario o bien asociado a pequeños péptidos.
5.- Los ARN de transferencia son los encargados de reconocer a los aminoácidos y colocarlos en una secuencia determinada cuando leen una cadena de ARNm.
6.- La replicación del ADN requiere la presencia de pequeños segmentos de ARN denominados cebadores.
7.- La mayor parte del ADN que codifica para ARN no lo hace para ARNm sino para ARN que no se traducirá a proteínas y que realiza numerosas funciones celulares. Parece que la proporción de ADN que se transcribe a ARN mensajero es mínima comparada con la que se transcribe en ARN no codificante. Estos ARN pueden regular la expresión génica, la compactación del ADN, la metilación del ADN, la diferenciación celular, etcétera.
Todas estas observaciones hacen que el ARN pueda ser esa molécula versátil necesaria en el origen de la vida, pero no concluyen que lo haya sido. Algunos autores ven la gran cantidad de funciones que desempeñan los distintos tipos de ARN en la célula como una consecuencia del papel preponderante del ARN en la química prebiótica. Incluso algunos autores sugieren que hoy en día existen ddescendientes directos de aquellos ARN primigenios: los viroides. Los viroides son cadenas simples y circulares de ARN que tienen entre 250 y 430 nucleótidos. Son capaces de infectar y replicarse en las células de plantas superiores, con la particularidad de que no codifican para ninguna proteína. Los virus suelen tener al menos un gen que codifica para la RNA polimerasa dependiente de ARN. Los viroides, por tanto parecen ser reconocidos por las células como ARN propio. Se ha propuesto que estos viroides son descendientes de moléculas de ARN presentes en la tierra primigenia, antes de las proteínas y del ADN. Estos viroides pueden tener capacidad catalítica.
Hay sin embargo puntos débiles en esta propuesta y argumentos alternativos. Por ejemplo, es difícil reconstruir todos los pasos de la formación una célula simulando condiciones primigenias. Además, los ribonucleótidos son difíciles de sintetizar y sus componentes se degradan con facilidad, aunque se ha demostrado que en presencia de minerales con boro y bajo ciertas condiciones plausibles en la Tierra de aquella época se pueden formar ribonucleótidos y con cierta estabilidad, pero se producirían en muy pocas cantidades y las condiciones serían muy improbables. Y aún quedaría el enorme problema de ensamblarlos de manera útil. Sin embargo, experimentos recientes con proto-ribonucleótidos, es decir, las moléculas a partir de las cuales se formaron los ribonucleótidos, podrían formar de forma rápida y sin intervención de catalizadores, cadenas largas y helicoidales. Es decir, podría haber habido un suministro importante de estas moléculas produciendo una gran diversidad de longitudes y secuencias. Aún nos quedaría otro obstáculo: la probabilidad de que por azar se forme un polímero con capacidad de autorreplicación es tan baja que algunos científicos desechan esta posibilidad. Algunos científicos no aceptan esta teoría por la alta improbabilidad de que se den todos estos pasos de forma consecutiva.
Por todo lo anterior se ha retomado la propuesta de Oparin de los coacervados o complejos metabólicos. La base de esta teoría radica en que las primeras entidades que fueron capaces de replicarse o dividirse fueron unos conjuntos de moléculas que sufrían una serie de reacciones de manera que se establecía un ciclo de reacciones químicas. Así, no sería una única molécula. Sin embargo, hoy en día la necesidad de conseguir compartimentos cerrados donde producirse las reacciones está ganando atención, y las membranas ganan protagonismo. Antes de que el ARN tomara un papel preponderante en el origen de la vida habría todo un proceso previo para generar las condiciones necesarias para que el ARN pudiera actuar.
Bibliografía específica
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