Explorando los genes

Del big-bang a la nueva Biología

Nicolás Jouve de la Barreda

• Editorial: Ediciones Encuentro
• Año: 2010
• ISBN:
  9788499205274
• Edición: 1
• Categoría: Biological Sciences
• Categoría: Essays on Science

Prólogo de Mª Dolores Vila-CoroEl desarrollo de los conocimientos en todas las ramas del saber científico, y especialmente en la genética, durante el siglo XX ha sido extraordinario. Ahora bien, todos esos descubrimientos siempre han de ir acompañados de una reflexión ética si el hombre no quiere caer en un cientificismo utilitarista, capaz de ir en contra del propio ser humano.Con la objetividad y el rigor científico que le caracterizan, Nicolás Jouve ha diseñado una obra para acercar las cuestiones genéticas a una sociedad mal o parcialmente informada. A pesar de la complejidad que pueden entrañar algunos de los temas tratados, el autor ha conseguido, a través de multitud de ejemplos, notas explicativas y referencias, crear un verdadero compendio al alcance del gran público del estado de los conocimientos científicos, de los retos y las perspectivas de la llamada nueva Biología.

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¿CUÁNDO Y CÓMO APARECIÓ LA MATERIA Y LA VIDA?

El siglo XX ha sido intenso en el avance de las Ciencias en general y de la Física y la Biología en particular, que se han repartido la ardua tarea de desentrañar las grandes incógnitas que de siempre han interesado al hombre. El origen de la materia, el espacio, el tiempo, el Universo, la vida y su evolución, han protagonizado los más significativos intentos de acercamiento a los misterios que nos interesan y que han ocupado el pensamiento humano en todo tiempo y bajo diferentes enfoques y culturas. Estos problemas habían sido tratados de forma insatisfactoria y en ocasiones más filosófica que científica en tiempos pretéritos. De las grandes cuestiones señaladas, tal vez las que atañen al orden del Universo fueron las que supusieron los avances más importantes en la historia de la cultura. De este modo, un canónigo polaco, Copérnico (1473-1543), resucitó el sistema de Aristarco de Samos (310 a 230 a.C.), un astrónomo griego que propuso que el Sol está en el centro de un sistema de planetas entre los que se sitúa la Tierra, lo que fue completado más tarde por el astrónomo danés Tycho Brahe (1546-1601) y por el sabio italiano Galileo Galilei (1564-1642), y corregido por el matemático y astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630), que estimó las órbitas elípticas de los planetas. Este conjunto de conocimientos recibió un impulso decisivo con la aportación del matemático inglés Isaac Newton (1642-1727), con su descubrimiento de la gravitación universal.

De todas formas, las grandes preguntas sobre los orígenes habrían de esperar al momento en que las ciencias positivas dispusieran de métodos y tecnologías que hicieran posible su abordaje con más firmeza y el rigor de las demostraciones empíricas y las evidencias experimentales, lo que no se daría hasta el siglo XX. Hoy, gran parte de las incógnitas han sido desveladas y podemos reconstruir o al menos explicar parte del camino seguido desde el origen de la materia, aunque sigue siendo insondable para la ciencia, y punto crucial para el común de los humanos, el principio de todo. Un principio que hoy, como en la filosofía de la naturaleza de Sto. Tomás de Aquino, solo se explica desde un impulso inicial, el soplo de un Creador, fruto de una voluntad sobrenatural que se evade a cualquier explicación científica. En este capítulo y en los tres siguientes abordaremos los conocimientos y las explicaciones sobre los orígenes de la materia, el Universo, la vida y el hombre.

El origen del sistema solar

Fue en 1927 cuando un sacerdote católico belga, el físico Georges Lemaître (1894-1966), propuso la idea de que el Universo podría haberse iniciado en un determinado instante a partir de un «átomo primordial», un núcleo muy pequeño, para expandirse interrumpidamente desde entonces. Edwin Hubble (1889-1953), un astrónomo y cosmólogo estadounidense, midió las distancias de las estrellas cefeidas, unas estrellas relativamente cercanas y demostró que las galaxias se alejan de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia, confirmando la idea de Lemaître de que el Universo se expande. Poco después los astrofísicos estimaron que el origen del cosmos debió suceder como consecuencia de una gigantesca explosión conocida como «big-bang», que tuvo lugar aproximadamente hace 15 mil millones de años. En la Figura 1.1 se representan los principales acontecimientos que sobrevendrían tras la gran explosión. Los astrofísicos estimaron un lapsus inimaginablemente pequeño de 10^-43 segundos como el tiempo de formación de la materia. Para muchos científicos, la pregunta ¿y antes del big-bang, qué? es una pregunta sin sentido, ya que en el modelo cosmológico, materia, espacio y tiempo son indisociables. Con la explosión primordial se originó tanto el espacio como el tiempo, en definitiva el Universo.

Fig. 1.1. El origen, expansión y formación del Universo, desde el big-bang hasta el presente.

Al principio, la energía era tan elevada que las cuatro propiedades que se atribuyen a la materia, la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear de desintegración (nuclear débil), estaban unificadas en una sola interacción de una simetría perfecta, en una sola fuerza universal. En un instante, estimado como de 10^-30 segundos, surgió y empezó a expandirse una especie de esfera de fuego inicial, constituida por una sopa de partículas primitivas, antepasados lejanos de los quarks, electrones y fotones. Tras ello, el Universo comenzó a enfriarse y la perfecta simetría se rompió instantáneamente.

Aproximadamente 200 segundos después del instante original, las partículas elementales se empezaron a reunir para formar los isótopos de los núcleos del hidrógeno y el helio. Transcurridos unos 100.000 años, las condiciones del Universo eran similares a las que presenta hoy el interior de una estrella como el Sol. Un plasma casi uniforme de electrones, hidrógeno e iones de helio llenaba de forma densa el Universo. Transcurridos unos 300.000 años el gas empezó a enfriarse, se formaron los primeros átomos (hidrógeno, deuterio y helio), la radiación cósmica se expandió y el Universo se hizo transparente. Unos 100 millones de años después, en medio de inmensos torbellinos de gas, se constituirían las primeras estrellas en cuyo seno se irían fusionando los átomos de hidrógeno y de helio para dar origen a otros átomos, entre ellos el carbono y el oxígeno. Más tarde, las estrellas explotaron como supernovas y sus despojos se expandieron por el espacio para formar otros grupos de estrellas, entre ellos nuestro sistema solar y sus planetas, que tiene alrededor de 5.000 millones de años. Dado que el Universo sigue ampliándose desde la explosión primigenia, hoy es posible detectar una radiación procedente de esta expansión y del enfriamiento general del Universo, que es la llamada Radiación Cósmica de Fondo

Se puede decir que la Tierra surgió como un planeta de tamaño medio en un sistema estelar normal situado en el suburbio de una galaxia emplazada entre billones de galaxias. Una vez formado el planeta, los siguientes mil o dos mil millones de años de su existencia debieron ser geológicamente muy inestables, debido en parte a los grandes meteoritos que embestían contra él y que provocarían un inmenso calor en su superficie. El estudio de los cráteres de la Luna revela que los impactos de asteroides debieron ser muy abundantes hace unos 4.500 millones de años, para ir disminuyendo paulatinamente. Después nuestro planeta se iría enfriando lentamente y transformándose hasta convertirse en la «cuna de la vida». El elevado calentamiento de la Tierra primitiva sería determinante para que algunos elementos pesados, como el argón y el neón se volatilizasen y fuesen escapando al espacio, modificando paulatinamente la atmósfera que la envolvía. Algunos compuestos como el agua, el amoníaco y el metano, más ligeros que el propio argón, debieron ir pasando a la atmósfera primitiva, quedando retenidos en gran parte hasta la actualidad. En la Tabla 1.1, vemos el contraste entre la atmósfera de hace unos 3.500 millones de años y la actual. Aquella atmósfera debió ser deficiente en oxígeno y rica en dióxido de carbono (74 %), en agua (15 %) y en nitrógeno (10 %). Luego iría evolucionando hasta la actual, compuesta por un 21% de oxígeno, muy baja proporción de dióxido de carbono (0,03%), agua en estado gaseoso y una gran proporción de nitrógeno (78%).

Según el microbiólogo americano Carl Woese¹ la vida debió aparecer hace más de 3.500 millones de años en el lecho marino envuelto por una atmósfera primitiva deficiente en oxígeno. De esa edad son los primeros fósiles, los estromatolitos, que se parecen a un tipo actual de bacterias fotosintéticas, las cianobacterias. Sin embargo, antes de llegar a ese tipo de organismos, debió transcurrir un largo período de tiempo, que daría la oportunidad de organizar las moléculas constituyentes de los seres vivos y de construir sistemas con capacidad de reproducción y supervivencia en un medio ambiente caliente e inhóspito. La carencia de oxígeno de aquella atmósfera se pone de manifiesto al estudiar la composición de las rocas sedimentarias de hace unos 3.800 millones de años. Las formaciones de hierro bandeado (ión ferroso) demuestran la escasa composición de oxigeno de la atmósfera de aquélla etapa prebiótica. En el islote de Akilia, en Groenlandia se han encontrado rocas que contienen formaciones de hierro bandeado de una antigüedad de unos 3.850 millones de años, que se han asociado de forma controvertida a los inicios de la vida, por el incremento de la proporción de un tipo de isótopos de carbono cuya relación con la materia orgánica es objeto de discusión.

Tabla 1.1. Diferente composición de los gases entre la atmósfera primitiva y la actual.

Atmósfera primitiva

• oxígeno (< 1%) • dióxido de carbono (74%), • agua (15%) • nitrógeno (10%). • cantidades menores de metano, amoníaco, dióxido de azufre y ácido clorhídrico.

Atmósfera actual

• oxígeno (21%), • dióxido de carbono (0,03%) • nitrógeno (78%). • agua en estado gaseoso

Al consolidarse la corteza terrestre y formarse los océanos, poco a poco se iría enriqueciendo la atmósfera en oxígeno, a lo que contribuirían dos fenómenos. De un lado por la fotodisociación del vapor de agua en las zonas altas de la atmósfera, y de otra parte, en una etapa posterior, por la propia acción de los primeros microorganismos con capacidad fotosintética, que debió acelerar la acumulación del oxígeno atmosférico.

¿Cómo apareció la materia orgánica?

Una cuestión de gran interés, difícil de resolver dado el desconocimiento de las características físico-químicas del ambiente reinante, es la de la sucesión de acontecimientos que debieron ocurrir en los aspectos químico y molecular hasta que se formaron las moléculas de la vida. Hay que suponer que debió existir una etapa de evolución prebiótica, como precedente obligado a la aparición de las complejas moléculas ya presentes en las formas de vida más primitivas. En aquella evolución, es lógico pensar que las primeras sustancias orgánicas serían muy sencillas, apenas algunos compuestos como el agua, el metano, el amoníaco y otras sustancias básicas. Sin embargo, no estarían presentes, al menos en un principio, ni las proteínas ni los ácidos nucleicos, que son las biomoléculas más características de los seres vivos. La aparición de aminoácidos sencillos, azúcares, bases nitrogenadas y otros compuestos orgánicos se irían produciendo paulatinamente, como paso previo y obligado a las moléculas más complejas y características de los seres vivos.

Se ha demostrado que las erupciones volcánicas emiten carbohidratos que pueden reaccionar con el agua y producir acetileno y, por modificaciones posteriores a partir de este compuesto, se pueden originar otros más complejos. En 1953, Stanley Miller² llevó a cabo unos experimentos bajo la dirección de Harold Urey³, en la Universidad de Chicago, consistentes en la síntesis de componentes orgánicos en un ambiente artificial simulado, supuestamente similar al de la atmósfera primitiva. La atmósfera artificial creada por Miller en sus experimentos, contenía los gases que se supone que eran abundantes en la atmósfera primitiva: vapor de agua, metano, amoniaco e hidrógeno. Estos se introducían en una campana de gases cerrada y todo ello se sometía a descargas eléctricas. En sus experimentos, Miller observó que en las condiciones creadas, cuando se analizaba la composición de las moléculas que se condensaban, aparecían 19 sustancias orgánicas, entre ellas 4 aminoácidos. A partir de estos experimentos se han hecho otros parecidos, llegándose a sintetizar en ambientes similares los componentes básicos de los complejos ácidos nucleicos, tales como purinas, pirimidinas y azúcares, y hasta 18 de los veinte aminoácidos que actualmente forman parte de las proteínas. Incluso, a partir de estos componentes sintetizados a partir de moléculas orgánicas sencillas se llegan a formar polímeros en condiciones simuladas supuestamente similares a las prebióticas.

Otro experimento especialmente significativo lo llevó a cabo el astrobioquímico español Juan Oró⁴ en la Universidad de Houston, que en 1961 demostró que la Adenina (una de las cuatro bases constituyentes de los ácidos nucleicos) puede sintetizarse mediante una simple reacción termodinámica, que tan solo requiere amoníaco (NH4) y cianuro de hidrógeno (HCN). Al calentarse estos compuestos en disolución se llega a producir la Adenina en una cantidad apreciable (0,5%), lo que pudo haber ocurrido en una atmósfera sin oxígeno en la que aquellos compuestos primarios estuvieran presentes en cantidades significativas. Miller se refirió a esta reacción como la «piedra filosofal» de la síntesis prebiótica terrestre. El significativo papel de la Adenina en el origen de los ácidos nucleicos, ha sido puesto de manifiesto por el bioquímico americano Robert Shapiro⁵. En 1963, tras la experiencia de la síntesis de la adenina, la NASA reclutó a Oró y le puso al frente de las misiones Apolo y otras para investigar la existencia de vida en el espacio.

Los astrobiólogos Juan Oró y Carl Sagan sostenían que gran parte del material orgánico y agua a disposición de la química prebiótica procederían de los cometas y estimaron que el flujo de la materia orgánica que debió llegar a la Tierra sería suficiente para la aparición de la vida, durante el período de intenso bombardeo anterior a unos 4.000 millones de años.

Sin embargo, quedan aún por resolver una serie de incógnitas antes de considerar resuelto el problema de la aparición de la materia orgánica. ¿Qué factores físicos desencadenarían la síntesis efectiva de los compuestos orgánicos?, ¿que concentración de materia orgánica sería necesaria?, ¿en qué orden se produciría la integración de los componentes sencillos para dar lugar a otros más complejos?, ¿cuántos años serían necesarios para que en la atmósfera primitiva se llegase a acumular suficiente materia orgánica para su integración en un sistema vivo primitivo?, etc. Son muchos los enigmas y difíciles de abordar experimentalmente por la dificultad de reproducir una etapa irrepetible de la historia del planeta que no conocemos más que indirectamente. Lo único que podemos afirmar es que la vida debió surgir en un piélago de materia orgánica y energía, entre los 4.400 millones de años en que se consolidó la corteza terrestre y los 3.500 millones de años, correspondientes a los primeros microfósiles.

Concentración de componentes prebióticos

Recordemos que hay dos moléculas complejas, mutuamente dependientes, presentes en todos los seres vivos: los ácidos nucleicos, capaces de almacenar y transmitir la información genética y las proteínas, moléculas destinatarias de esta información y componentes necesarios para organizar las estructuras y dinamizar las reacciones que caracterizan todos los procesos bioquímicos propios de la vida. Por ello, la historia de la evolución orgánica debe incluir una explicación de los episodios por los que se debería haber pasado hasta llegar a la presencia simultánea de estos dos tipos de polímeros. Es necesario tener en cuenta que los polímeros pueden llegar a formarse sólo si hay una elevada concentración de los elementos básicos que los constituyen y en condiciones físico-químicas muy especiales. La aparición de los elementos bá...

Índice

• PRESENTACIÓN
• PRÓLOGO de la Dra. María Dolores Vila-Coro
• 1. ¿CUÁNDO Y CÓMO APARECIÓ LA MATERIA Y LA VIDA?
• 2. LA EVOLUCIÓN DE LOS GENES Y LOS GENOMAS: LA BIODIVERSIDAD
• 3. LA EVOLUCIÓN FRENTE AL CREACIONISMO Y EL DISEÑO INTELIGENTE
• 4. LA EVOLUCIÓN BIOLÓGICA DEL HOMBRE
• 5. ¿QUÉ APORTA LA GENÉTICA AL CONOCIMIENTO DE LA VIDA?
• 6. EL DESARROLLO MORFOGENÉTICO Y LA EVOLUCIÓN
• 7. ASPECTOS BIOLÓGICOS Y TEORÍAS SOBRE EL INICIO DE LA VIDA
• 8. GENÉTICA HUMANA
• 9. EL PORQUÉ Y EL CÓMO DEL PROYECTO GENOMA HUMANO
• 10. ¿QUÉ SUPONE EL PROYECTO GENOMA HUMANO PARA LA CIENCIA Y LA SOCIEDAD?
• 11. LA «MANIPULACIÓN GENÉTICA» EN EL HOMBRE: DESDE LA EUGENESIA DARWINIANA A LA TERAPIA GÉNICA
• 12. CLONACIÓN Y CÉLULAS MADRE
• 13. LA «TRANSGÉNESIS»: SUS FINES, PERSPECTIVAS Y POLÉMICAS
• GLOSARIO
• LECTURAS RECOMENDADAS