Toma química, agrega energía y consigue vida. Se han llevado a cabo las primeras pruebas de la hipótesis provocativa del origen de la vida presentada por Jeremy England, y muestran cómo el orden puede surgir de la nada
El biofísico
Jeremy Ingland entusiasmó al público en 2013 con su
nueva teoría , haciendo del origen de la vida una consecuencia inevitable de la termodinámica. Sus ecuaciones implican que, bajo ciertas condiciones, los grupos de átomos se reordenan naturalmente para gastar más y más energía, contribuyendo a la disipación continua de energía y la aparición de "entropía" o desorden en el universo. Ingland dice que este efecto de reestructuración, que él llama adaptación de dispersión, estimula el crecimiento de estructuras complejas, incluidos los organismos vivos. La existencia de la vida no es un misterio o una suerte,
escribió en 2014 , se desprende de los principios físicos básicos y "no debería ser tan sorprendente como las piedras que ruedan desde una montaña".
Desde entonces, Ingland, un profesor asociado de 35 años en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, ha probado aspectos de su idea en simulaciones por computadora. Dos de los trabajos más importantes se publicaron en julio de 2017: el resultado más interesante apareció en la revista
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), y el segundo en
Physical Review Letters (PRL). Los resultados de ambos experimentos parecen confirmar la declaración principal de Inglaterra sobre la adaptación bajo la influencia de la dispersión, aunque la posibilidad de su aplicación a la vida real sigue siendo cuestionada.
"Este es obviamente un estudio innovador", dijo
Michael Lässig , especialista en física estadística y biología cuantitativa de la Universidad de Colonia en Alemania, en relación con el trabajo PNAS escrito por Ingland y el post-doctorado del MIT,
Jordan Horowitz . Lassig escribe que este es "un ejemplo de estudio de un conjunto dado de reglas en un sistema relativamente pequeño, por lo que es demasiado pronto para decir si será posible generalizarlo". Sin embargo, la pregunta interesante obvia es qué significa esto para la vida ".
En el trabajo, se analizan detalles prácticamente importantes de las células y la biología, y se describe un sistema simplificado y simulado de compuestos químicos, en el que, sin embargo, es posible la aparición espontánea de una estructura excepcional: Inglaterra considera que este fenómeno es la fuerza motivadora detrás de la aparición de la vida. "Esto no significa que tenga la garantía de obtener esta estructura", explica Ingland. La dinámica del sistema es demasiado compleja y no lineal para predecir resultados.
La simulación involucra una sopa de 25 compuestos químicos que interactúan entre sí de muchas maneras. Las fuentes de energía causan algunas de estas reacciones, ya que la luz solar desencadena la producción de ozono en la atmósfera y el combustible químico
trifosfato de adenosina controla los procesos en la célula. Comenzando con concentraciones iniciales aleatorias, velocidades de reacción y “paisajes forzados”, reglas que dicen qué reacciones alimentarán fuerzas externas y cuáles, se desarrolla una
red simulada
de reacciones químicas hasta que alcanza su estado final estable o “punto fijo” ".
El sistema a menudo se calma en un estado de equilibrio con una concentración equilibrada de productos químicos y reacciones, con la misma probabilidad en ambas direcciones. El deseo de equilibrio, por ejemplo, una taza de café que se enfría a temperatura ambiente, es el resultado más familiar de la
segunda ley de la termodinámica , que postula que la energía se expande constantemente y que la entropía del universo aumenta constantemente. La segunda ley funciona porque la energía tiene más formas de distribuirse entre las partículas que concentrarse en un lugar, por lo que a medida que las partículas se mueven e interactúan, es más probable la distribución de energía entre ellas.
Pero para algunas condiciones iniciales, la red de reacciones químicas en la simulación se desarrolla de una manera completamente diferente. En estos casos, evoluciona a estados fijos que están lejos del punto de equilibrio, donde comienza a impulsar activamente los ciclos de reacción, tomando la máxima cantidad de energía disponible del medio ambiente. Estos casos pueden considerarse "ejemplos de ajuste fino" entre el sistema y el medio ambiente, como escriben Horowitz e Ingland, cuando el sistema encuentra "estados raros de compulsión termodinámica extrema".
Los seres vivos también mantienen estados estables de compulsión extrema: somos súper consumidores, quemamos una gran cantidad de energía química a través de reacciones en las células, lo que aumenta la entropía del universo. La computadora emula este comportamiento en un sistema químico más simple y abstracto, y muestra que este estado puede aparecer "de inmediato, sin un gran tiempo de espera", dice Lassig, que muestra la disponibilidad de estos puntos en la práctica.
Muchos biofísicos creen que en la historia de la vida, podría ocurrir algo similar a lo descrito por Inglaterra. ¿Pero encontró que la etapa más importante en el origen de la vida depende de cuál es la esencia de la vida? Aquí las opiniones difieren.
Forma y función
Ingland, una persona muy talentosa que trabajó en Harvard, Oxford, Stanford y Princeton antes de unirse al MIT a los 29 años, cree que la esencia de los seres vivos es la disposición excepcional de sus átomos constituyentes. "Si imagina que mezclo al azar los átomos de una bacteria (tomo, marco y mezclo en el espacio) probablemente obtendré algo de basura", escribió anteriormente. "La mayoría de las combinaciones de átomos no se convertirán en una estación de energía metabólica como una bacteria".
No es fácil para un grupo de átomos acceder a la energía química y quemarla. Para realizar esta tarea, los átomos deben alinearse en una estructura muy inusual. Según Inglaterra, la existencia misma de la relación entre forma y función "implica que el entorno plantea un problema que la estructura resultante resuelve".
Pero, ¿cómo y por qué los átomos adquieren una forma y función específicas de una bacteria, con su configuración óptima para el consumo de energía química? Inglaterra cree que esta es una consecuencia natural de la termodinámica para sistemas que están lejos del punto de equilibrio.
El químico físico, premio Nobel
Ilya Prigogine , trató con ideas similares en la década de 1960, pero sus métodos eran limitados. Las ecuaciones termodinámicas tradicionales funcionan bien solo para estudiar sistemas en un estado cercano al equilibrio, como el gas enfriado o calentado lentamente. Los sistemas alimentados por potentes fuentes externas de energía tienen dinámicas mucho más complejas y son mucho más difíciles de estudiar.
La situación cambió a fines de la década de 1990 cuando los físicos
Gavin Crooks y
Chris Jarzynski propusieron "
teoremas de fluctuación "
, que pueden usarse para calcular cómo ocurren los procesos físicos directos con más frecuencia que los inversos. Los teoremas permiten a los investigadores estudiar la evolución de un sistema, incluso lejos del equilibrio. El nuevo enfoque de Ingland, según
Sarah Walker , física teórica y especialista en el origen de la vida de la Universidad de Arizona, es aplicar teoremas de fluctuación a "problemas relacionados con el origen de la vida". Creo que es la única persona de todas las que hace esto lo suficientemente a fondo ".
El café se enfría debido al hecho de que nada lo calienta, pero los
cálculos de Ingland sugieren que los grupos de átomos alimentados por fuentes de energía externas pueden comportarse de manera diferente. Se esfuerzan por conectarse a estas fuentes de energía, alinear y cambiar lugares para absorber mejor la energía y disiparla en forma de calor. Además demostró que esta tendencia estadística hacia la disipación de energía puede
apoyar la auto reproducción (como explicó en 2014, "hacer copias de usted mismo es una excelente manera de disipar más energía). Ingland cree que la vida, y su extraordinaria combinación de forma y función, es el resultado de la adaptación, alimentada por el deseo de dispersión y autorreproducción.
Sin embargo, incluso con el uso de teoremas de fluctuación, las condiciones en la Tierra primitiva o en la célula serán demasiado complicadas para hacer predicciones basadas en estos principios. Por lo tanto, las ideas deben ser probadas en condiciones simplificadas simuladas en una computadora en un intento de acercarse al realismo.
En el trabajo de PRL, Ingland et al, Tal Kachman y Jeremy Owen del MIT simularon un sistema de partículas que interactúan. Descubrieron que el sistema aumenta la absorción de energía con el tiempo, formando y rompiendo enlaces para resonar mejor con su frecuencia de conducción. "Este es, de alguna manera, un resultado más simple" que el trabajo de PNAS en el que está involucrada una red de reacciones químicas, dice Ingland.
En el segundo trabajo, él y Horowitz crearon condiciones complejas en las que las configuraciones especiales de los átomos tendrían que conectarse a las fuentes de energía disponibles, tal como una configuración especial de los átomos de una bacteria le permite llevar a cabo el metabolismo. En la simulación, las fuentes de energía externas estimularon ciertas reacciones químicas en la red de reacción. La actividad de tal estimulación dependía de las concentraciones de varios compuestos químicos. Con el curso de las reacciones y las concentraciones crecientes, la fuerza de la estimulación podría cambiar drásticamente. Tal dureza dificultó que el sistema "encontrara combinaciones de reacciones que pudieran producir óptimamente la energía disponible", explica
Jeremy Gunawarden , matemático y biólogo de sistemas de la Facultad de Medicina de Harvard.
Y, sin embargo, cuando los investigadores permitieron que la red de reacción se desarrollara en dicho entorno, se sintonizó con precisión en ese entorno. Un conjunto aleatorio de condiciones iniciales evolucionó y asumió estados raros de actividad química vigorosa y soporte extremo cuatro veces más de lo esperado. Y cuando llegaron tales resultados, sucedió muy bruscamente. Al mismo tiempo, los sistemas pasaron por ciclos de reacciones y energía disipada en el proceso, que, desde el punto de vista de Ingland, sirve como la relación más simple entre la forma y la funcionalidad necesarias para el surgimiento de la vida.
Manejadores de información
Los expertos dicen que el próximo paso importante para Ingland y sus colegas será escalar las redes de reacciones químicas para ver si evolucionan dinámicamente a estados fijos raros de apoyo extremo. También pueden tratar de hacer que la estimulación sea menos abstracta llevando concentraciones químicas, velocidades de reacción y condiciones de apoyo a las que podrían existir en
las fábricas de mareas o al lado de los tubos volcánicos en el
caldo primordial de la Tierra primitiva (pero reproduciendo las condiciones de las cuales surgió la vida, esto es principalmente especulación y especulación). Rahul Sarpeshkar, profesor de ingeniería mecánica, físico y microbiólogo en Dartmoor College, dijo: "Sería bueno obtener información física específica sobre estas construcciones abstractas". Espera ver cómo se reproducirán estas situaciones en experimentos reales, posiblemente utilizando productos químicos relacionados con la biología y fuentes de energía como la glucosa.
Pero incluso si puede ver los estados afinados muy parecidos a las condiciones que supuestamente desencadenaron el nacimiento de la vida, algunos investigadores creen que la disertación de Ingland describe las condiciones "necesarias pero insuficientes" para explicar el surgimiento de la vida, como dice Walker. No pueden describir lo que algunos consideran el verdadero atributo de los sistemas biológicos: la capacidad de procesar información. Desde la
quimiotaxis más simple (la capacidad de las bacterias para moverse hacia la concentración de nutrientes o en la dirección de los compuestos tóxicos) hasta la comunicación humana, las formas de vida toman y responden a la información sobre su entorno.
Walker cree que esto nos distingue de otros sistemas que caen dentro del alcance de la teoría de adaptación de dispersión de Inglaterra, como
la Gran Mancha Roja de Júpiter . "Esta es una estructura de dispersión sin equilibrio que ha existido durante al menos 300 años, y es muy diferente de las estructuras de dispersión sin equilibrio que existen hoy en la Tierra y han evolucionado miles de millones de años", dice ella. Comprender lo que distingue la vida de tales estructuras, "requiere una definición explícita de información que vaya más allá del proceso de dispersión". Desde su punto de vista, la capacidad de responder a la información es la clave para esto: "Necesitamos una red de reacciones químicas que puedan ponerse en pie y alejarse del entorno en el que se originó".
Gunawardena señala que, además de las propiedades termodinámicas y las capacidades de procesamiento de la información que existen en las formas de vida, también almacenan y transmiten información genética sobre sí mismos a sus descendientes. El origen de la vida, dice, "no es solo la apariencia de la estructura, es la aparición de un cierto sentido dinámico y darwiniano. Esta es la aparición de estructuras reproductivas. Y la posibilidad de la influencia de las propiedades de estos objetos en la velocidad de reproducción. Cuando cumpla con ambas condiciones, se encontrará en una situación del comienzo de la evolución darwiniana, y los biólogos creen que este es el punto ".
Evgeny Shakhnovich , profesor de química y biología química en Harvard, quien dirigió el estudio de Inglaterra, comparte claramente el trabajo de su ex alumno y los problemas de biología. "Comenzó su carrera científica en mi laboratorio y sé cuán capaz es", dice Shahnovich, "pero el trabajo de Jeremy presenta ejercicios potencialmente interesantes en la mecánica estadística sin equilibrio de sistemas abstractos simples". Todas las afirmaciones de que están relacionadas con el origen de la vida, agrega, "son especulaciones puras y desvergonzadas".
Incluso si Ingland está en el camino correcto desde el punto de vista de la física, los biólogos necesitan cosas más específicas, por ejemplo, la teoría de qué
protoceldas primitivas provienen de las primeras células vivas y cómo apareció el código genético. Ingland acepta que sus hallazgos no tienen respuesta a estas preguntas. "A corto plazo, no me dicen mucho sobre el trabajo de los sistemas biológicos, ni siquiera digo que me dirán exactamente de dónde viene la vida que conocemos", dice. Ambas preguntas son un "desastre deprimente" basado en "evidencia fragmentaria" de la cual "tiene la intención de mantenerse alejado por ahora". Simplemente sugiere que en el kit de herramientas de la primera vida, "tal vez haya algo que pueda obtenerse sin razón y luego optimizarse utilizando el mecanismo darwiniano".
Sarpeshkar, aparentemente, consideraba la adaptación bajo la influencia de la dispersión como el primer acto de la historia del origen de la vida. "Jeremy muestra que si eres capaz de extraer energía del medio ambiente, el orden aparecerá espontáneamente y se autoajustará", dice. Señala que los organismos vivos realizan muchas más acciones que la red de reacciones químicas de Ingland y Horowitz. "Pero estamos hablando de cómo apareció la vida por primera vez: cómo el orden podría surgir de la nada".