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¿Fueron las Bacterias las Primeras Formas de Vida en la Tierra?

Daniel Jeffares y Anthony Poole

February 2009

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Micrografía de un electrón de la bacteria de Escherichia coli bacteria. Fuente: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

Desde que se ha sabido acerca de ellas, los científicos han pensado que las bacterias simples son el eslabón con las formas de vida más tempranas. Sin embargo, una evidencia cada vez mayor sugiere que lo tenemos al revés - ¿sería posible que los secretos acerca del origen de la vida estén escondidos dentro de nosotros?

Cuando la mayoría de nosotros pensamos acerca de la evolución, nos inclinamos a pensar en ella en términos de organismos simples que evolucionan hacia organismos más complejos. Reacciones químicas simples que evolucionaron hacia células simples, las cuales mas tarde evolucionaron hacia organismos más complejos, y así sucesivamente hasta llegar a los humanos. Ya no se cree más en que los humanos están en la cima de la escala evolutiva, pero la evolución sí tiene tendencia a dirigir a los organismos hacia una complejidad mayor, ¿o no?

Sin embargo, este no es siempre el caso. Mas bien, aquellos organismos que producen la mayor cantidad de descendencia, simple o compleja, son más exitosos. Una mayor complejidad es a veces resultado de la evolución, pero la simplificación también puede ser una estrategia exitosa - todo depende del medio ambiente. Sin embargo, la mayoría de los científicos sostienen que los primeros organismos de la tierra fueron muy similares a las bacterias de hoy en día. Pero varias características de la bioquímica de la vida sugieren que después de todo, las bacterias no son tan antiguas. De hecho, en cierta forma, las células de nuestros propios cuerpos nos dicen más acerca de la evolución de la vida que lo que lo hacen las bacterias. La clave está en el descubrimiento que llevó a que Sidney Altman y Tom Cech se ganaran el Premio Noble de Química en 1989.

La gallina y el huevo

  • En los organismos modernos la información genética es almacenada en el ADN (acido desoxirribonucleico) en unidades llamadas genes.
  • Los genes codifican las proteínas las cuales son responsable de las diferentes actividades que hacen que una célula funcione.
  • Algunas proteínas llamadas enzimas llevan a cabo las reacciones químicas que gobiernan la célula. Un grupo de enzimas, las polimerasas del ADN, fabrican el ADN.
  • La información para fabricar estas enzimas es almacenada en el ADN como un gen.

Por lo tanto, es difícil encontrar el origen evolutivo de las proteínas y del ADN dado que requieren el uno del otro para sus respectivas síntesis -¿cual se dio primero? Aquí es donde Cech y Altman entran a jugar un papel. Ellos estudiaron el ARN (ácido ribonucleico), un pariente químico cercano del ADN:

  • Cuando las proteínas son hechas con base en la información contenida en el ADN, una copia funcional del ARN del gen es hecha para ser usada por los ribosomas, los cuales son las fábricas de proteína de la célula. Por lo tanto, el ARN al igual que el ADN almacena información genética, y al igual que las proteínas, también lleva a cabo reacciones químicas.
  • Al incorporar el ARN al análisis se resuelve el problema del huevo y la gallina. El ARN puede ser tanto la gallina como el huevo.
  • Lo que esto significa para los biólogos evolutivos es que la vida bien ha podido INICIARSE con organismos hechos en gran parte de ARN.
  • Esta idea de un “mundo de ARN” ha sido debatida desde los sesenta, pero el descubrimiento de Cech y Altman ha convencido a la mayoría de los científicos de que por lo menos ello es posible.
  • Se sabe que el ARN es el centro de muchas de las funciones básicas de la célula y probablemente evolucionó en el mundo del ARN.

Todero (o Hazlo-todo)

¿Pero si el ARN es tan versátil qué pasó con el “mundo del ARN”? Como lo dice el dicho “aprendiz de todo, maestro de nada”, el ARN no es tan bueno como las proteínas en llevar a cabo reacciones químicas, ni tampoco es tan bueno como el ADN en almacenar información genética. No es sorprendente que desde el mundo del ARN las proteínas han reemplazado gradualmente la mayoría de las enzimas del ARN, y ahora el ADN almacena la información genética.

La mayoría de los investigadores están de acuerdo en que el ARN tuvo un rol más importante porque resolvió el problema de la gallina y el huevo acerca de qué ocurrió primero en la evolución: las proteínas o el ADN. ¿Pero fuera de ser una idea lógica ordenada, hay alguna base para esta hipótesis? Puesto que no podemos viajar hacia atrás en el tiempo, es imposible probar rotundamente la existencia del mundo del ARN, pero podemos hacer la siguiente mejor cosa que consiste en reconstruirlo a partir de los “fósiles moleculares” que han permanecido en las células modernas.

En búsca de “fósiles moleculares”

Al ahondar en nuestro pasado rico en ARN podemos darnos una idea de cómo era la vida al principio, y esto a su vez nos puede ayudar a entender cómo evolucionó la vida hacia las muchas formas que existen hoy en día. La “excavación” de fósiles moleculares no es un ejercicio trivial. No todos los ARNs van a ser fósiles de ARN genuinos, pero es posible establecer cuáles son probablemente antiguos y cuales son más recientes.

  • Una de las máquinas más importantes de la célula es el ribosoma, el cual traduce el código genético almacenado en el ADN al lenguaje de las proteínas.
  • El núcleo del ribosoma está hecho de ARN donde las proteínas proveen un andamiaje para mantener el ARN en su lugar. Incluso cuando la mayoría de las proteínas han sido removidas sigue pudiendo hacer proteínas.
  • El hallazgo de que el núcleo del ARN es la sala de máquinas de la fábrica de síntesis de proteínas es un argumento de peso a favor de que la síntesis de proteínas fue inventada en el mundo del ARN.

Ciertamente, el ribosoma es solo una de las varias máquinas del ARN que le dan a los científicos una visión sorprendentemente clara de las primeras formas de vida. El cuadro se ve más completo en los eucariotes (plantas, animales, hongos, amibas), los cuales dependen más del ARN que los procariotes (bacterias y células relacionadas); los eucariotes retienen más claves de nuestro rico pasado de ARN. Puesto que el ARN es un “hazlo-todo” esperaríamos que fuese reemplazado en forma gradual a través de la evolución.

La idea mas aceptada acerca de la evolución de los eucariotes y procariotes desde un antiguo “último ancestro universal común” (el UAUC , o LUCA en ingles), es que una criatura de tipo procariote fue la primera en aparecer, y que un antiguo eucariote surgió de algún procariote:

Mundo del ARN → LUCA → organismo tipo procariote → organismo tipo eucariote

Puesto que se encuentran muchos más fósiles antiguos de ARN en eucariotes, el gráfico tiene mucho más sentido de la siguiente manera, con una pérdida gradual de ARN:

Mundo del ARN → LUCA → organismo tipo eucariote → organismo tipo procariote

Haciendo copias de seguridad del disco duro

Además de la información que podemos deducir a través del estudio del ARN, también podemos aprender acerca de nuestro pasado evolutivo a través del análisis de cómo ha evolucionado el almacenaje de la información genética. La información genética es como cualquier otro tipo de información: se almacena en un medio específico, se copia, se lee, se transmite, y, a través del tiempo pueden aparecer pequeños errores.

Los procariotes y los eucariotes emplean mecanismos muy diferentes para asegurarse de que la información genética no se corrompa. Las diferencias son las siguientes:

  • Los procariotes mantienen su genoma en una sola copia, en general un cromosoma con solo un ADN, con tanta información almacenada en él como le es posible.
  • Muchos eucariotes tienen dos copias y dividen la información entre varios cromosomas de ADN, con los genes almacenados en forma poco densa. A diferencia de los procariotes, los eucariotes conservan copias de seguridad.
  • El tener una sola copia de un gen implica que si se comete un error el daño es permanente pues no hay copia de seguridad disponible para rescatarlo.

¿Pero qué diferencia hay que los genes estén separados o mantenidos en un solo cromosoma? Considere este ejemplo:

  • El genoma 1 tiene dos genes, A y B. Estos están localizados en un solo cromosoma y hay dos copias de este cromosoma. En una de las copias, el gen A se daña y en la otra, el gen B se daña. El organismo puede sobrevivir pues todavía tiene una copia funcional del gen A y una del gen B. Sin embargo, también tiene que acarrear las copias dañadas puesto que están físicamente ligadas (en el mismo cromosoma) a las copias funcionales.

  • El genoma 2 también tiene dos genes, A y B. Sin embargo, cada gen esta albergado en su propio cromosoma, y como antes, hay dos copias de cada cromosoma. Como en el caso anterior, se daña una copia del gen A y una copia del gen B. Sin embargo, el genoma 2 puede descartar las copias dañadas de los genes A y B sin perder las copias funcionales puesto que cada gen tiene su propio cromosoma.

La “arquitectura” de los genomas nos da una clave acerca del estrés informativo de un genoma: entre más sean los genes mantenidos en un solo cromosoma, mayor es la precisión que se necesita para mantenerlos.

  • En los sistemas genéticos tempranos la estrategia descrita para el genoma 2 era probablemente la usada porque los daños eran frecuentes, y esto suministraba una buena forma de deshacerse de los genes dañados pero manteniendo las copias no dañadas.

  • Esto funciona mejor entre más copias haya de un genoma y menos genes por cromosoma.

  • Los procariotes no parecen usar ninguno de estos mecanismos de seguridad, por lo tanto pueden ser considerados arriesgados.

  • Así parece que los genomas de los procariotes son una invención reciente —los organismos sólo podían darse el lujo de guardar una copia de su información en un solo cromosoma si estaban seguros de que no la perderían.

  • Las formas de vida temprana no eran buenas almacenando información, en especial porque tenían ARN como su material genético. Necesitaban desarrollar cuanto truco pudieran para minimizar las mutaciones; los genomas, tales como aquellos en los procariotes, hubieran sido desastrosos!

  • Tal vez los eucariotes (como por ejemplo las plantas y los animales) nunca perdieron muchos de esos antiguos rasgos, vestigios de cuando copiar era rudimentario, de tal manera que a sus genomas se les puede considerar como fósiles de este periodo temprano de la evolución de la vida.

  • Curiosamente, muchos eucariotes unicelulares mantienen su ADN como copia única. Por lo tanto, es difícil saber si los eucariotes ancestrales mantuvieron una o más copias de su genoma.

  • Conservar copias de de seguridad fue sin embargo un rasgo esencial en los sistemas genéticos muy tempranos.

La tortuga y la liebre

La observación, tanto de las reliquias del ARN en los eucariotes como del diseño de su genoma, sugiere que los eucariotes han mantenido el status quo, guardando muchos fósiles moleculares, mientras que los procariotes han perdido muchos de ellos.

  • Algunos organismos (por ejemplo los robles) crecen lentamente y dependen de un suministro estable de nutrientes, haciendo así que sus poblaciones sean también bastante estables.
  • Otros organismos (por ejemplo la langosta) crecen muy rápido y compiten por nutrientes que son extremadamente variables en su suministro. Cuando un nutriente está disponible, es imperativo crecer y reproducirse tan rápido como sea posible. Cuando la disponibilidad de alimentos se reduce, las poblaciones sufren grandes pérdidas y tan sólo unos pocos logran sobrevivir hasta que haya una nueva fuente de nutrientes.

Para algunos organismos la velocidad lo es todo —la habilidad para reaccionar rápidamente a la presencia de una nueva fuente de alimentos es muy importante. Esto significa que si un organismo es más rápido en responder que el resto de ellos, éste se beneficiará a expensas de sus competidores. Pensando hacia atrás en la antigua maquinaria del ARN, habría habido gran selección sobre los organismos para reemplazar la maquinaria ineficiente de ARN por maquinaria de proteínas más rápida.

En los organismos modernos, los eucariotes como grupo caen dentro del grupo de la “Tortuga”, mientras que los procariotes toman la vía rápida de la “liebre”. Sin embargo, dentro de estos grupos también hay un espectro. Por ejemplo, la levadura de cerveza, un organismo eucariótico, tiene un estilo de “vida de bacteria” cuando se le compara con los robles. Sin embargo, incluso los eucariotes, que son de rápido crecimiento, tienen cantidades de maquinaria de ARN lenta, por lo tanto, este argumento por sí solo no puede explicar cómo surgieron los procariotes. ¿Si un estilo de vida rápido por sí solo no se deshace del ARN, entonces como explicamos la falta de ARN en los procariotes?

Eliminación del exceso en el sauna de la vida

El “empuje” evolutivo que ocasionó el surgimiento de los procariotes puede muy bien haber sido una adaptación a la vida en altas temperaturas. Patrick Forterre, de la Universidad de Paris Sûd ha propuesto una hipótesis que él llama la “hipótesis de termoreducción”. Mantiene que los procariotes surgieron de un ancestro parecido a un eucariote como resultado de la adaptación a la vida en altas temperaturas, y durante este proceso se deshicieron de muchas de sus antiguas características. El trabajo de Forterre sugiere que incluso las bacterias que hoy viven en temperaturas moderadas mantienen vestigios de su historial de calor.

El argumento de Forterre yace en la observación de que el ARN es muy inestable a altas temperaturas:

  • Los organismos que viven en temperaturas muy altas deberían usar el ARN en forma limitada.
  • En los procariotes muchos fósiles de ARN parecen haber sido reemplazados.
  • Numerosos procariotes viven en las temperaturas hirvientes típicas de los manantiales termales y de los respiraderos termales de los mares profundos, las cuales a menudo superan los 100°C!
  • Muchos ARNs están todavía en uso en los eucariotes.
  • En la actualidad no hay ejemplos conocidos de eucariotes que vivan en temperaturas extremas. Si se encuentran algunos, se esperaría que hubieran perdido mucho de su ARN.

Otra evidencia de la termoreducción proviene de los genomas de los procariotes:

  • En los eucariotes los cromosomas están hechos de ADN linear.
  • En los procariotes el genoma está hecho de ADN circular.
  • El ADN circular es mucho menos vulnerable al daño por calor que el ADN linear al cual se le empiezan a “abrir las puntas” a temperaturas elevadas.
  • Los cromosomas circulares están ausentes en los eucariotes, y su incidencia de amplia distribución únicamente en los procariotes tiene una mejor explicación a través de la hipótesis de la termoreducción.

Pare que los eucariotes mantengan genomas de ADN linear se requiere un sistema especial para mantener sus puntas:

  • Una enzima llamada telomerasa, la cual tiene tanto una proteína como un componente de ARN, hace este trabajo.
  • Parece poco probable que los eucariotes con sus genomas lineares, y varios ARNs, incluyendo la telomerasa, hubieran podido surgir del “sauna” de la vida.
  • Lo más probable es que los primeros organismos en desafiar las temperaturas elevadas se deshicieron por el camino de mucha de la evidencia de su mundo ancestral de ARN, como de su genoma de ADN linear y su telomerasa.
  • Los procariotes modernos parecen tener una ” historia de calor” aunque muchos viven ahora en temperaturas moderadas e incluso frías.

Pistas sobre el origen de la vida en nuestro propio cuerpo

Los biólogos evolutivos han estudiado tradicionalmente los organismos más simples que pueden encontrar para así poder aprender más sobre el origen de la vida. Pero simple no significa necesariamente antiguos, por lo tanto no deberíamos restringir nuestra búsqueda solamente a organismos simples. Todos los organismos han estado evolucionando por 350,000 millones de años o algo así, y la idea de que existe un bicho oculto que el tiempo olvidó, el cual se asemeja a la vida temprana en la tierra, está pasada de moda.

Tal como lo muestra el trabajo de Forterre, la simplificación tiene sus méritos, y parece que las bacterias han perdido muchos de los fósiles moleculares de nuestro antiguo pasado. Tenemos un enorme conocimiento acerca de la bioquímica de nuestras propias células, y aunque hay muchísimos niveles de complejidad, debajo de todo ello hay pistas sobre el origen de las primeras células. Qué tan irónico que las células humanas alberguen tantos, si no más, secretos sobre el origen de la vida que las simples bacterias! No es sorprendente que los biólogos evolutivos estén tan excitados acerca del Proyecto del Genoma Humano como los demas!

Es importante tener presente que las células eucarióticas han continuado evolucionando a través del tiempo. Aunque es posible sacar a la luz mucho acerca del mundo del ARN, y de cómo los procariotes y eucariotes evolucionaron, observando los “fósiles moleculares”, la mayoría de las características de la célula eucariótica son innovaciones “recientes”. Por ejemplo, las mitocondrias (las plantas de energía de la célula eucariótica) y los cloroplastos (los organelos que la luz solar convierte en azúcar en las plantas) son reliquias de antiguos procariotes que fueron absorbidos por antiguos eucariotes. Otra innovación mayor es la evolución de organismos multicelulares. Esto trajo consigo el fruto de la división del trabajo, permitiendo así la evolución de órganos y tejidos complejos.

La mayoría de los investigadores añadirían el núcleo a la lista de “nuevas” características eucarióticas , pero es interesante observar que todos los fósiles de ARN en el mundo se encuentran en el núcleo. La suposición de que el núcleo es reciente está basada en el argumento de que la evolución conduce hacia la complejidad, pero sabemos que esto no siempre es así. Es emocionante considerar la posibilidad de que el núcleo es antiguo, y que los procariotes lo han perdido. Antiguamente hubiéramos estado en peligro de que nos quemaran en la hoguera por decir cosas tan heréticas, pero hoy en día los biólogos ya no consideran la evolución de la vida como una progresión de lo simple hacia lo complejo, con los humanos como el pináculo del éxito evolutivo. Brindemos por los fósiles moleculares!