La química de la vida

Imaginemos un rústico laboratorio del siglo XVII, una pequeña ventana que apenas ilumina la habitación es testigo de la primera nevada del año. Una figura encorvada sobre la mesa central observa y se maravilla con aquel mundo que le ha sido revelado a través de la combinación precisa de lentes y luz. Pequeños seres danzan bajo la mirada de un microscopio primitivo; estos animálculos representan los cimientos de la biología moderna. El hombre que investigaba la vida durante ese frío amanecer en Delft no era otro que Antoine van Leeuwenhoek, bien conocido por realizar mejoras a los microscopios de la época y por ser precursor de la microbiología y biología celular. Si bien el científico holandés no estableció vínculos entre la naturaleza de sus observaciones y la naturaleza celular de la materia viva, sí reafirmó la importancia de estudiar al mundo microscópico de la misma forma en que se estudiaba al mundo en dimensiones mayores.

Figura 1. Observaciones microscópicas de Leeuwenhoek. Espermatozoides de conejo. (Wellcome Library, London)

Como actualmente se sabe, la célula es la unidad fundamental de la vida. El término se utiliza desde que Robert Hooke, contemporáneo de Leeuwenhoek, observó pequeños compartimientos que conformaban la estructura del corcho. Este arreglo de celdas correspondía al esqueleto de células antes vivas. Sin embargo fue hasta la década de 1830 que Scheleiden y Schwann expusieron las bases de la teoría celular cuya primera premisa reconoció que los seres vivos se desarrollan en base a las células.

Formalmente la célula se puede definir como la unidad anatómica, funcional y genética de todo ser vivo. Consta de tres elementos básicos: membrana, citoplasma y material genético. De acuerdo a la forma en que el material genético o ADN está presente se distinguen dos tipos de célula: procariota y eucariota. En la primera clase, el ADN se encuentra libre mientras que en la segunda se encuentra encapsulado dentro de una estructura nuclear. Las células procariotas se encuentran en bacterias y organismos simples. En contraste, las eucariotas forman seres vivos más complejos como plantas, animales, hongos y protistas.

La célula se ha convertido en el eslabón que permite a los científicos vincular el origen de la vida con la vida como se conoce hoy. La unidad anatómica contiene vestigios de la química vital de hace miles de millones de años. En una actividad detectivesca se puede reunir determinada información que tal vez nos permita comprender la naturaleza química de la vida. Es fácil concluir que la abundancia o carencia, la ausencia o presencia de los elementos químicos en determinado entorno influye determinantemente en las características de las entidades en él. La siguiente tabla resume el porcentaje por elemento químico contenido en un ser humano, la corteza terrestre, los océanos, la Tierra en general y el universo.

Elemento	Humano	Corteza	Océanos	Tierra	Universo
Oxígeno	45.5	46.6	85.7	49.2	0.06
Carbono	12.6	Trazas	0.0026	0.08	0.02
Hidrógeno	7.0	Trazas	10.8	0.87	91
Nitrógeno	2.1	Trazas	Trazas	0.04	0.04
Calcio	1.0	3.6	0.04	3.39	Trazas
Fósforo	0.70	Trazas	Trazas	0.11	Trazas
Magnesio	0.35	2.1	0.135	1.93	Trazas
Potasio	0.24	2.6	0.038	2.40	Trazas
Azufre	0.18	Trazas	0.0885	0.06	Trazas
Sodio	0.10	2.8	1.05	2.63	Trazas
Cloro	0.10	Trazas	1.90	0.19	Trazas
Hierro	0.003	5.0	Trazas	4.71	Trazas

Tabla 1. Porcentaje por elemento químico contenido en un ser humano, la corteza terrestre, los océanos, la Tierra y el universo. 

El agua forma aproximadamente el 70% del peso total de la célula y la mayor parte de las reacciones intracelulares son posibles únicamente en medio acuoso. Esta condición puede observarse en los porcentajes de oxígeno e hidrógeno en el cuerpo humano. Esta información también nos permite sustentar la teoría que ubica al primer organismo en los océanos del mundo primitivo. El segundo elemento más abundante en los seres vivos es el carbono que, aunque se halla en cantidades limitadas en la corteza terrestre y los océanos, es parte fundamental de la estructura y funcionamiento de la célula y por tanto de los organismos que conforma. Las llamadas biomoléculas – carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos – están formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, principalmente, y son capaces de cumplir con las necesidades más variadas que exige todo ser viviente.

Figura 2. Biomoléculas. (Adaptada de Biyu's the Learning App)

Pero ¿se trata a caso de un mero accidente de la naturaleza o es una consecuencia lógica de las condiciones prebióticas de la Tierra? Cuando el planeta se formó hace más de 4.5 billones de años era un lugar hostil; las altas temperaturas y las incesantes lluvias de meteoros fueron una constante durante un largo periodo. Poco a poco el planeta se comenzó a enfriar lo que permitió la formación de los primeros océanos y, más importante aún, de una atmósfera. De acuerdo a los geólogos, ésta estaba constituida principalmente por dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua provenientes de erupciones volcánicas. Mientras que los océanos contenían sales de sodio, potasio, magnesio y calcio disueltas en concentraciones similares a las actuales. Sin embargo esto aún no explica en su totalidad la formación de entidades vivientes.

En 1953 Stanley Miller llevó a cabo un experimento donde simulaba una atmósfera prebiótica primitiva. El sistema contenía metano, hidrógeno, amoniaco y agua (medio reductor) y se sometía a altas temperaturas y descargas eléctricas. El resultado después de algunos días fue la formación de moléculas orgánicas tales como formaldehido, ácidos orgánicos y algunos aminoácidos simples. Al realizar modificaciones al sistema, también se obtuvieron azúcares y bases nucleicas ¡Fundamentales para la vida! Más recientemente, en el 2004, se realizó un nuevo experimento; la atmósfera contenía dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua. Se usaron descargas eléctricas entre un ánodo de cobre sumergido en agua y un cátodo de tungsteno en la atmósfera y fue posible obtener algunos ácidos nucleicos simples. Sin embargo, estas biomoléculas no son entidades vivientes, aún necesitan formar un sistema.

Figura 3. Experimento de Stanley Miller. (Wikimedia Commons)

Se cree que los coacervados son el preámbulo a la primera célula. Un coacervado no es más que un sistema coloidal de dos fases separadas por una capa continua, como pequeñas gotas en un líquido. Estas pequeñas entidades están en equilibrio con el entorno que las rodea por lo que es lógico pensar que se establece un intercambio de materia entre el interior y exterior del coacervado. Este proceso permite obtener gradientes de concentración de moléculas orgánicas e inorgánicas que bien pudieron haber derivado en la formación de la célula como la conocemos.

Tal y como la Tierra ha sido testigo, todo elemento en ella ha sufrido cambios y adaptaciones al enfrentarse a un entorno variable desde su formación. Desde las primeras cianobacterias hasta seres de mayor complejidad como lo somos nosotros, la naturaleza ha encontrado y reinventado su camino. La estructura y composición química de los seres vivos no es cuestión de suerte sino de adaptación a las condiciones que han gobernado al planeta con el transcurso de las eras. Periodos de intenso frío o calor, ambientes secos o húmedos, luz u oscuridad, atmósferas que se exceden o que carecen de algún elemento químico en particular, fenómenos naturales… la vida ha perdurado en una gran variedad de formas y tamaños, permitiendo maravillarnos con la mirada a través de un microscopio.

Fuentes

Alberts B, et al.Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002. The Chemical Components of a Cell. En línea. Disponible en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26883/

Apostel, L. (s.f.). Chemical evolution and the origin of life. En línea. Disponible en http://logica.ugent.be/philosophica/fulltexts/7-10.pdf

Department of Chemistry. (s.f.). The elements. University of Wisconsin.  En línea. Disponible en http://www.chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/sstutorial/Text3/Tx33/tx33.html

Fitz, D., et.al. (2007). Chemical evolution toward the origin of life. Pure and Applied Chemistry. 79(12). pp. 2101-2117.