La arquitectura de la vida

Tabla de enlaces

Resumen e introducción

Parte I. Una definición de vida

Parte II. El primer milagro: El surgimiento de la vida es una transición de fase esperada – TAP y RAF.

Parte III. El segundo milagro: La evolución de la biosfera es una construcción propagable, no deducible, no una deducción implícita. No hay ley. La evolución es siempre creativa.

Parte IV. Nuevas observaciones y experimentos: ¿Hay vida en el cosmos?

Conclusión y agradecimientos

Figuras y referencias

Parte I. Una definición de vida

No tenemos una definición consensuada de vida. Aquí nos basamos en lo siguiente: la vida es un sistema de reacción química autorreproductor que no está en equilibrio y que logra: i. autocatálisis colectiva, ii. cierre de restricciones, iii. cierre espacial; iv. como tales, las entidades vivientes son totalidades kantianas. Explicamos estos conceptos a continuación.

Conjuntos autocatalíticos colectivos

Un conjunto autocatalítico colectivo, CAS, es un sistema de reacción química abierto alimentado con bloques de construcción moleculares y energéticos exógenos, que tiene la propiedad de que un último paso de reacción química que forma cada molécula del conjunto es catalizado por al menos una molécula del conjunto o por una molécula del conjunto de alimentos. La figura 1a muestra un ejemplo simple, (2). La figura 1b muestra un ejemplo más complejo (3).

El concepto de que la vida debe basarse en polinucleótidos replicantes molde ha dominado el campo del origen de la vida durante unos 50 años (4,5). Sin embargo, aún no se ha logrado la replicación de un “gen de ARN replicante desnudo” (6). No obstante, este objetivo puede alcanzarse.

El concepto conocido de una secuencia de ARN bicatenario replicable como plantilla es un ejemplo específico de un conjunto autocatalítico colectivo. Cada hebra es un catalizador de plantilla para la síntesis de la otra hebra. Sin embargo, el concepto de autocatálisis colectiva es mucho más amplio.

En claro contraste con las esperanzas de una secuencia de ARN replicante, se han construido conjuntos autocatalíticos colectivos de ADN, ARN y péptidos. El primero, un conjunto autocatalítico colectivo de ADN, fue construido por G. von Kiedrowski (7). Un conjunto autocatalítico colectivo de ARN fue logrado por N. Lehman y colegas (8). Este conjunto se autoorganiza espontáneamente dados sus bloques de construcción. Un conjunto autocatalítico colectivo de nueve péptidos construido por G. Ashkenasy (9) se muestra en la Figura 2. También se han considerado conjuntos autocatalíticos de lípidos (10).

Estos resultados son de importancia fundamental. Se logra crear sistemas de reacciones químicas abiertas que se reproducen por sí mismas.

Ahora, una evidencia sorprendente demuestra la presencia de conjuntos autocatalíticos de moléculas pequeñas que no contienen ADN, ARN ni polímeros peptídicos en los 6700 procariotas (Figura 3, 11, 12). Estos conjuntos de moléculas pequeñas que se reproducen por sí solos contienen desde cientos hasta varios miles de moléculas pequeñas y reacciones entre ellas. Estos conjuntos autocatalíticos sintetizan varios aminoácidos y ATP. Los conjuntos se identifican computacionalmente. Queda por demostrar que se reproducen in vitro.

La presencia de conjuntos de moléculas pequeñas que actúan colectivamente como catalizadores en los 6700 procariotas sugiere firmemente que los primeros sistemas químicos capaces de autorreproducirse en el universo fueron precisamente conjuntos de este tipo. Mostramos a continuación que se espera la aparición de tales conjuntos.

La identificación de conjuntos autocatalíticos de moléculas pequeñas tiene que ver con el debate en curso sobre la necesidad de polinucleótidos replicantes de plantilla en el origen de la vida. Un “gen de ARN desnudo” de este tipo tendría que desarrollar secuencias de ARN para catalizar un metabolismo conectado para crear y mantener sus propios componentes básicos. Sin embargo, no hay ninguna razón por la que un metabolismo conectado de este tipo por sí mismo también sea colectivamente autocatalítico. Esta consideración aumenta la confianza en que el origen de la reproducción molecular se debió a la aparición de conjuntos autocatalíticos colectivos de moléculas pequeñas.

Vida: totalidades kantianas, cierre catalítico, cierre por restricciones, cierre espacial

Totalidades kantianas

En la década de 1790, el filósofo Immanuel Kant introdujo un concepto fundamental: un ser organizado tiene la propiedad de que las Partes existen para y por medio del Todo (13). La idea de Kant ha permanecido latente durante 230 años. Todos los seres vivos son Todos kantianos que existen para y por medio de sus Partes. Tú eres un Todo kantiano. Existes por medio de tus Partes: corazón, hígado, riñones, pulmones, cerebro. Tus Partes existen por medio de ti, el Todo. Te reproduces y tus hijos heredan tus Partes.

Todos los organismos vivos son conjuntos kantianos. Esto incluye la dudosa clase de los virus. Dentro del entorno de la célula, los virus son conjuntos kantianos que se reproducen. Las partes del virus, en el contexto de la célula, crean múltiples copias de las partes del virus que se autoensamblan para formar el conjunto maduro del virus. Es interesante que una definición de vida que incluya la de un conjunto kantiano clasifique a los virus como vivos.

Los conjuntos kantianos son una clase especial de sistemas físicos dinámicos. Un cristal no es un conjunto kantiano. Los átomos del cristal pueden existir sin ser partes del cristal. Un ladrillo no es un conjunto kantiano. Una célula es un conjunto kantiano.

Cierre catalítico

Un conjunto autocatalítico colectivo, como el conjunto de 9 péptidos de la Figura 2, logra el cierre catalítico. Cada reacción en el sistema es catalizada por al menos una molécula del sistema. Todas las células vivas logran el cierre catalítico. Ninguna molécula en una célula viva cataliza su propia formación. El conjunto de moléculas en una célula viva, un Todo, logra el cierre catalítico a medida que la célula se reproduce (14,15,16).

Los sistemas que logran un cierre catalítico también son totalidades kantianas. Cada uno de los péptidos del conjunto autocatalítico colectivo de nueve péptidos de la Figura 2 es una Parte que existe para y por medio del conjunto Total de nueve péptidos cuya catálisis mutua permite que existan todas las Partes.

Cierre de restricción

Las células vivas, incluyendo un conjunto de moléculas pequeñas que se autocatalizan colectivamente, del tipo que se encuentra en los 6700 procariotas, logran una propiedad recientemente reconocida y profunda: el cierre por restricción (17). El trabajo termodinámico es la liberación restringida de energía en unos pocos grados de libertad (18). Un ejemplo es un cañón con pólvora en su base y una bala de cañón situada junto a la pólvora. Cuando la energía explota, el cañón, que es a la vez una condición de contorno y una restricción, restringe la liberación de energía para hacer estallar la bala de cañón por el cañón. El trabajo termodinámico se realiza sobre la bala de cañón. Por lo tanto, en ausencia de restricciones sobre la liberación de energía en un proceso de no equilibrio, no se puede realizar ningún trabajo termodinámico (19).

Newton no nos dice de dónde vienen las condiciones de contorno. El cañón del ejemplo es la condición de contorno. Pero ¿de dónde vino el cañón? La respuesta crítica es que se requirió trabajo termodinámico para ensamblar el cañón. Podemos concluir: no hay constantes, no hay trabajo. Pero a menudo se requiere trabajo para construir la restricción relevante. Por lo tanto: no hay restricciones, no hay trabajo. No hay trabajo, no hay restricciones. Este ciclo de trabajo-restricción es un tema nuevo (19).

Maël Montévil y Matteo Mossio definieron por primera vez el cierre por restricciones en 2015 (17):

Consideremos un sistema con tres procesos de no equilibrio, 1, 2 y 3. Consideremos tres restricciones, A, B y C. Sea A el que restrinja la liberación de energía en el proceso 1 para construir una B. Sea B el que restrinja la liberación de energía en el proceso 2 para construir una C. Sea C el que restrinja la liberación de energía en el proceso 3 para construir una A (véanse las figuras 1a, 1b y 2).

El sistema anterior logra una propiedad notable: el cierre por restricciones. El conjunto de restricciones, aquí A, B y C, restringe la liberación de energía de un conjunto de procesos, aquí 1, 2 y 3, a unos pocos grados de libertad que, por lo tanto, realizan el trabajo termodinámico para construir el mismo conjunto de restricciones, A, B y C. Este sistema literalmente realiza el trabajo termodinámico para construirse a sí mismo al construir sus propias restricciones de condiciones de contorno sobre la liberación de energía que construyen las mismas condiciones de contorno.

El cierre por restricciones es un concepto completamente nuevo. Construimos nuestros automóviles. Un automóvil es un complejo conjunto de piezas que limitan la liberación de energía de las piezas que inciden sobre otras piezas. El gas explota, los pistones se mueven, las ruedas giran. Pero los automóviles no construyen sus propias condiciones de contorno que limitan la liberación de energía.

Todos los sistemas de reacción molecular colectivamente autocatalíticos logran tanto el cierre catalítico como el cierre por restricción. Todos son Totalidades kantianas. Por ejemplo, en el conjunto colectivamente autocatalítico de 9 péptidos de la figura 2, cada péptido actúa como una ligasa uniendo los dos fragmentos del siguiente péptido. Al orientar los dos fragmentos, el péptido como ligasa reduce la barrera de activación para la ligación de los dos fragmentos para hacer una segunda copia del siguiente péptido. Se realiza un trabajo termodinámico para construir el siguiente péptido a medida que se forma un enlace peptídico. Debido a que esto es cierto para todas las reacciones en este sistema peptídico colectivamente autocatalítico, el sistema, como un Todo, logra tanto el Cierre Catalítico como el Cierre por Restricción. El sistema se construye a sí mismo. Y el sistema también es una Totalidad kantiana.

Es de suma importancia que todas las células vivas logren el cierre de restricciones. Las células construyen las condiciones límite sobre la liberación de energía que construye las mismas condiciones límite. Las células se construyen a sí mismas. Las computadoras y las locomotoras no se construyen a sí mismas.

Las células que se reproducen no son, en esencia, los autómatas autorreproductores de von Neumann (20). Se basan en un “Constructor Universal”. Para construir algo específico, el Constructor Universal requiere “Instrucciones” específicas. Estas están codificadas en un sistema físico colocado dentro del Constructor Universal. Las instrucciones incorporadas físicamente desempeñan una doble función: se utilizan para construir una copia del Constructor Universal en la que se construye y luego se inserta una copia física de las Instrucciones físicas. La doble función de las Instrucciones físicas constituye precisamente la distinción entre software y hardware. En contraste, una célula viva, mediante un cierre catalítico y de restricción, se construye específicamente a sí misma. Una célula no es un constructor universal que requiera Instrucciones separadas. El conjunto de 9 péptidos autorreproductores de la figura 2 no tiene “Instrucciones” separables que codifiquen su formación. Los conceptos de software y hardware aquí son nulos.

Paul Davies (21) señala que, en el contexto de una célula viva, los genes, junto con el aparato de transcripción y traducción, son, de hecho, un constructor universal para todos los posibles polipéptidos codificados. Los genes pueden considerarse como un conjunto de instrucciones. Sin embargo, la célula viva en la que se encuentran los genes no es en sí misma un constructor universal. Se construye específicamente a sí misma. Si cada uno de sus miles de genes fuera sustituido por una secuencia aleatoria de ADN que codificara algún polipéptido aleatorio, la célula que sintetiza estas nuevas proteínas casi seguramente perecería.

Los organismos vivos han evolucionado para formar conjuntos kantianos anidados. Un procariota es un conjunto kantiano de primer orden. Una célula eucariota, un simbionte con mitocondrias y cloroplastos (22, 23), es un conjunto kantiano de segundo orden que contiene conjuntos kantianos de primer orden. Un organismo multicelular es un conjunto kantiano de tercer orden que contiene conjuntos kantianos de segundo y primer orden.