Calculando las probabilidades de que la vida comenzara por azar

Visto en Ciencia Kanija

Mucha gente, tal vez la mayor parte, odian la idea de que la vida pueda depender de procesos aleatorios. Es una tendencia humana buscar significado y, ¿qué podría tener más significado que la creencia de que nuestras vidas tienen un propósito superior, que toda la vida está, de hecho, guiada por una inteligencia suprema que se manifiesta a sí misma incluso al nivel de las moléculas individuales?

Los defensores del diseño inteligente creen que los componentes de la vida son tan complejos que no sería posible producirlos a través de un proceso evolutivo. Para apoyar su argumento, calculan las posibilidades de que una proteína específica pueda ensamblarse por azar en el entorno prebiótico. Las probabilidades contra tal ensamblaje por azar son tan astronómicamente inmensas que una proteína requerida para que se iniciara la vida posiblemente no podría haberse ensamblado por azar en la joven Tierra. Por tanto, continúa el argumento, la vida debe haber sido diseñada.

No es mi propósito argumentar contra esta creencia, pero el diseño inteligente usa una herramienta de la ciencia – la estadística o cálculo de probabilidades – para hacer tal mención, por lo que usaré otra herramienta de la ciencia, que es proponer una hipótesis alternativa y probarla. En las células vivas, la mayor parte de los catalizadores son enzimas proteínas, compuestas de aminoácidos, pero en la década de 1980 se descubrió otro tipo de catalizador. Estas moléculas de ARN compuestas de nucleótidos son actualmente conocidos como ribozimas. Debido a que una ribozima puede actuar como catalizador y portador de información genética en su secuencia de nucleótidos, se ha propuesto que la vida pasó a través de una fase de Mundo de ARN que no requería ADN y proteínas.

Para el propósito de la columna de hoy, abordaré el cálculo de probabilidades de que una ribozima específica se ensamblase por azar. Supongamos que la ribozima tiene 300 nucleótidos de largo, y que cada posición podría estar cubierta por cualquiera de los cuatro nucleótidos presentes. Las probabilidades de que se ensamble tal ribozima son de 4 elevado a 300, un número tan grande que tal vez no se diera por azar ni siquiera una vez en 13 000 millones de años, la edad del universo.

¡Pero la vida se inició! ¿Podría ser que no estemos saltando algo?

La respuesta, por supuesto, es sí, lo estamos haciendo. El cálculo asume que una ribozima específica debe sintetizarse para que se inicie la vida, pero no es esta la forma en que funciona. En lugar de esto, vamos a hacer la plausible suposición de que un número enorme de polímeros aleatorios se sintetizan, los cuales están sujetos a la selección y evolución. Esta es la hipótesis alternativa, y podemos probarla.

Ahora voy a recordar un experimento clásico de David Bartel y Jack Szostak, publicado en la revista Science en 1993. Su objetivo era ver si un sistema completamente aleatorio de moléculas podía pasar por la selección de tal forma que especies definidas de moléculas surgieran con propiedades específicas. Empezaron sintetizando muchos billones de moléculas distintas de ARN de unos 300 nucleótidos de largo, pero los nucleótidos eran todos de secuencias aleatorias. Los nucleótidos, por cierto, son monómeros de los ácidos nucleicos ADN y ARN, así como los aminoácidos son monómeros, o subunidades, de las proteínas, y hacer secuencias aleatorias es fácil con los métodos de la biología molecular moderna.

Razonaron que enterrados entre esos billones habría unas pocas moléculas catalíticas de ARN llamadas ribozimas que catalizarían una reacción de unión, en la que una hebra de ARN se vincula a otra. Las hebras de ADN a ligarse quedaban fijadas en pequeñas cuentas en una columna, y luego fueron expuestas a los billones de secuencias aleatorias simplemente liberándolas de la columna. Este podría obtener cualquier molécula de ARN que tuviese la mínima capacidad de catalizar la reacción. Entonces amplificaron esas moléculas poniéndolas de nuevo para una segunda ronda, repitiendo el proceso durante 10 rondas. Hay que mencionar que es la misma lógica básica que los criadores usan cuando seleccionan una propiedad tal como el color de un perro.

Los resultados fueron sorprendentes. Tras sólo cuatro rondas de selección y amplificación comenzó a verse un incremento de la actividad catalítica, y tras 10 rondas el índice era 7 millones de veces más rápido que el índice no catalizado. Incluso fue posible observar evolución en el ARN. Los ácidos nucleicos pueden separarse y visualizarse mediante una técnica llamada electroforesis de gel. La mezcla se pone sobre un gel entre dos placas de vidrio y se aplica un voltaje. Las moléculas pequeñas viajan más rápido a través del gel, y las más grandes se mueven más lentamente, por lo que quedan separadas. En este caso, las moléculas de ARN con una longitud específica producen una banda visible en el gel. Al inicio de las reacciones no podía verse nada, debido a que todas las moléculas eran diferentes. Pero con cada nuevo ciclo aparecían nuevas bandas. Algunas llegaron a dominar la reacción, mientras que otras se extinguieron.

Los resultados de Bartel y Szostak han sido repetidos y extendidos por otros investigadores, y demostraron un principio fundamental de la evolución a nivel molecular. Al principio del experimento, cada molécula de ARN era distinta del resto debido a que fue ensamblada por un proceso de azar. No había especies, sólo una mezcla de moléculas distintas. Pero entonces se impuso un obstáculo selectivo, una reacción de ligado que sólo permitía que sobrevivieran ciertas moléculas y se reprodujeran enzimáticamente.

En unas pocas generaciones empezaron a emerger grupos de moléculas que mostraban una función catalítica cada vez mejor. En otras palabras, las especies de moléculas surgieron de esta mezcla aleatoria en un proceso evolutivo que refleja fielmente la selección natural que Darwin esbozó para poblaciones de animales superiores. Estas moléculas de ARN se definen por la secuencia de bases en sus estructuras, lo cual causó que se plegaran en conformaciones específicas que tenían propiedades catalíticas. Las secuencias fueron, básicamente, análogas a los genes, debido a que la información que contenían se pasaba entre generaciones durante el proceso de amplificación.

El experimento de Bartel y Szostak refuta de forma directa el argumento de que las probabilidades se acumulan contra el origen de la vida por procesos naturales. La ineludible conclusión es que la información genética puede, de hecho, surgir a partir de una mezcla de polímeros aleatorios, siempre que las poblaciones contengan un gran número de moléculas poliméricas con secuencias de monómeros variables, y una forma de seleccionar y amplificar una propiedad específica.

Terminaré con una cita de Freeman Dyson, físico teórico de la Universidad de Princeton que también disfruta pensando sobre el origen de la vida:

Tenías lo que yo llamo el modelo de la bolsa de basura. Las células iniciales eran poco más que pequeñas bolsas de algún tipo de membrana celular, la cual podría haber sido oleosa o un óxido de metal. Y dentro tenías una colección más o menos aleatoria de moléculas orgánicas, con las características de que las moléculas pequeñas podrían difundirse hacia dentro a través de la membrana, pero las moléculas grandes no podían salir a fuera. Al convertir las moléculas pequeñas en grandes, podías concentrar el contenido orgánico dentro interior, por lo que las células se harían más concentradas y la química se haría gradualmente más eficiente. Por lo que estas cosas podrían evolucionar sin ningún tipo de replicación. Es simple herencia estadística. Cuando una célula se hace tan grande que puede partirse por la mitad, o puede desprenderse de una mitad, mediante alguna perturbación tormentosa o ambiental, entonces podría producir dos células que serían sus hijas, las cuales heredarían, más o menos, pero sólo estadísticamente, la maquinaria química interna. La evolución podría funcionar bajo esas condiciones.

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