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El azar y la necesidad (II)

24 abril, 2013

equipoComentábamos el otro día sobre ciertos fenómenos que son «como tienen que ser» en virtud a las propiedades físico-químicas del universo que habitamos. Poníamos como ejemplo los planetas esféricos, tratando de explicar porqué no pueden ser de otra manera.

Pero, ¿ocurre algo similar con la vida, la evolución y las estructuras orgánicas? ¿Son nuestros organismos producto de un cúmulo de mutaciones azarosas filtradas paciente y eficientemente por la selección natural, o existen ciertas tendencias que allanan el camino? ¿La aparición de la vida depende de un suceso afortunado o la presencia de un determinado conjunto de factores llevan inexorablemente hacia la autorreplicación y la complejidad?

Obviamente, son preguntan que exceden no solamente el ámbito de este artículo, sino los conocimientos que tenemos sobre el origen de la vida y la evolución química primigenia. Sin embargo, algunos aspectos nos inclinan a pensar que quizás también existan los planetas redondos en el ámbito biológico.

Las primeras protocélulas

Todos los seres vivos tienen la capacidad de reproducirse o, lo que es lo mismo, copiar su material genético y transmitirlo a su descendencia. De esta forma, la posibilidad de replicar las moléculas que portan la información genética supone un paso decisivo en el origen de la vida, al menos tal y como la conocemos. La mayor parte de los biólogos opinan que probablemente fuera un ARN auto-replicante el que presentó primero esta característica y que, por lo tanto, existió un «mundo ARN» donde el almacenamiento de la información, algunas funciones metabólicas básicas y la replicación, residían en esta molécula. Posteriormente, surgiría el ADN y las proteínas, que adoptaron los papeles fundamentales en la replicación y el metabolismo, respectivamente.

rna_chain

En este mundo de moléculas aisladas con cierta capacidad metabólica y reproductiva inmersas en un medio hostil, el surgimiento y posterior perfeccionamiento de una envoltura que supusiera un saco aislado donde pudieran tener lugar las reacciones químicas con un intercambio limitado y regulado con el exterior, supuso una ventaja de espectaculares dimensiones.

earlycells

Sin embargo, suponer que todo esto se realizó meramente por azar resulta muy atrevido, y representa uno de los argumentos más empleados por creacionistas y otros fanáticos antievolucionistas. Pero, ¿ciertamente las cosas ocurrieron por casualidad?

La tendencia a construir membranas

Las moléculas químicas presentan características ligadas a su composición que las llevan a comportarse de formas muy curiosas. Algunos lípidos, como los fosfolípidos, presentan dos regiones muy diferenciadas en su estructura: una «cabeza» hidrófila y una «cola» hidrófoba. Resulta curioso, pero así es: en una misma molécula, una región tiene afinidad por el agua mientras que otra tiene repulsión. A este tipo de moléculas se les denomina bipolares o anfipáticas.

Phospholipid_structure

Imaginemos cómo se comportaría una molécula de este tipo al entrar en contacto con el agua: mientras su cabeza tiende a sumergirse, la cola reacciona para permanecer en terreno seco.

auolip1

Obtendríamos así una película monocapa auto organizada, donde las cabezas hidrófilas estarían en contacto con el medio acuoso mientras las colas hidrófobas permancen orientadas hacia la atmósfera. Pero, ¿Que ocurre cuando la superficie se satura y no «caben» más moléculas lipídicas. ¿Existe alguna forma de alcanzar un equilibrio y, por lo tanto, tenderán estos lípidos bipolares a adoptar alguna organización determinada?. La respuesta es afirmativa, y la estructura se denomina «micela». Consiste en una especie de vesícula esférica donde las colas se disponen hacia el interior (sin agua) y las cabezas quedan orientadas al exterior acuoso.

auolip2

Bajo determinadas condiciones pueden adoptarse otras soluciones espontáneas de equilibrio, como las fases laminares o bicapas, donde las micelas adoptan una forma de hojas con las colas hidrófobas enfrentadas o los liposomas, una suerte de vesículas bicapa que pueden mantener agua en su interior debido a la disposición simétrica de los fosfolípidos:

auolip3

Si observamos detenidamente la estructura del liposoma, vemos que es una forma que permite separar un medio acuoso interno de otro medio acuoso externo, obtenida de forma espontánea gracias a las características anfipáticas de los fosfolípidos. Cualquiera que se encuentre familiarizado con la estructura de las membranas plasmáticas, esa envoltura que rodea a todas las células, no tardará en encontrar la base de las mismas en estas estructuras. Sin duda, todavía queda mucho para alcanzar la complejidad de una membrana celular, pero observemos que una protocélula podría consistir perfectamente en una o varias moléculas de ARN encerradas en la cavidad interna de un liposoma.

Los replicantes envueltos en estas cápsulas selectivamente aislantes (por ejemplo, el oxígeno puede difundir entre la doble capa lipídica) obtendrían una rápida y eficiente ventaja sobre sus congéneres desnudos, dado que las incipientes reacciones metabólicas tendrían lugar en un medio protegido y que podría mantenerse con una composición más favorable y sensiblemente diferente del medio externo.

Esto facilitaría la evolución relativamente rápida de la protomembrana, incluyendo otros componentes que aumentaran la funcionalidad de ésta.

Las membranas plasmáticas, liposomas complejos

Las membranas celulares de todos los seres vivos son mucho más complejas que las vesículas liposomales, pero mantienen una estructura de bicapa lipídica similar. Sobre ella, se incorporan otros componentes como colesterol (otro lípido) y proteínas de variada naturaleza, que realizan las elaboradas funciones que caracterizan a cualquier célula tanto procariota como eucariota, y que van desde el transporte activo de sustancias hacia el interior o el exterior de la célula, la iniciación de reacciones metabólicas o el reconocimiento celular. Pensándolo bien, la estructura y función de las membranas biológicas puede ser un tema interesante para otra entrada.

Membrana celular

Membrana celular

A pesar de haber realizado un repaso muy somero a la auto organización de los lípidos anfipáticos y la evolución de la membrana plasmática, creo que resulta ahora más fácil comprender una estructura tan compleja como la que envuelve todo nuestro material celular sin tener que recurrir a imaginarios diseñadores que han colocado los distintos componentes de una precisa, metódica y premeditada manera.

Para acabar tal y como empezamos, rompiendo otro tópico creacionista, espero haber ayudado a entender la diferencia entre las tendencias auto organizativas de ciertas moléculas y el arrojar un montón de ladrillos desde una avioneta esperando que al caer se dispongan formando la estructura de un edificio.

liposoma


  1. Francesc
    24 abril, 2013 en 9:12

    Tan interesante como siempre!
    Valdría la pena añadir algo sobre los autocatalizadores como paso previo a los autoreplicantes?

  2. Masklin
    24 abril, 2013 en 10:54

    Buenísimo e interesantísimo artículo, JM. Ojala escribas el de estructuras y funciones de las membranas 😉

  3. Juan de terzas
    25 abril, 2013 en 0:21

    Explicación entendida por mí, ignorante en la materia. Por tanto es auténticamente divulgativo.

  4. 25 abril, 2013 en 15:03

    ¡Excelente!

    Arthur Clarke decía que toda tecnología que no se comprenda puede confundirse con magia. Pues las fuerzas de la naturaleza, cuando no se comprenden, también se confunden con magia. O más exactamente, cuando no se conoce cómo diseña la naturaleza, a algunos se les da por inventarse un “diseñador”.

    ¿Es realmente tan difícil de entender que la ciencia no busca explicar el origen de la vida y su evolución mediante el puro azar, sino mediante estas interacciones, cuya existencia podemos verificar perfectamente? ¿Es tan difícil distinguir la diferencia que hay entre hablar de un proceso “no dirigido” (por una voluntad superior, cuya existencia no se ha comprobado) y hablar de un proceso “no direccionado” (sin rumbo, aleatorio, caótico)? ¿Cómo puede la evolución no tener rumbo, como puede no dar por resultado un diseño, con todas las leyes que operan en la naturaleza?

    Realmente hay que tener pocas ganas de entender para dejarse confundir tanto con argumentos creacionistas..

  5. 26 abril, 2013 en 8:14

    Muy bueno, gracias!

  6. 26 abril, 2013 en 14:44

    Genial JM gracias!!!

  7. 26 abril, 2013 en 14:47

    Reblogueó esto en Blog de Biología Veterinaria UNRNy comentado:

    Les dejo un artículo sobre las membranas de las células. maravilloso!!

  8. J.M.
    26 abril, 2013 en 18:27

    Gracias a vosotros 🙂

  9. chorvo
    11 junio, 2013 en 16:22

    Interesante! Una reflexión que se me ocurre sobre todo esto es que es evidente que la vida no ha aparecido por azar, porque para ello, las leyes de la física y de la química en las que se sustenta también deberían haberlo hecho. Es como decir que el Universo existe por azar, algo que a priori no tiene la más mínima lógica.

  10. 11 junio, 2013 en 16:47
  1. 24 abril, 2013 en 8:44
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