Panspermia
Hipótesis y teorías sobre el origen de la vida
La posición tradicional de la teología y de algunos filósofos considera el origen de la vida como el resultado de un acontecimiento sobrenatural que está permanentemente más allá de los poderes descriptivos de la química y la física. En su forma más general, este punto de vista no es necesariamente contradictorio con el conocimiento científico contemporáneo sobre la evolución prebiótica, aunque las descripciones bíblicas de la creación dadas en los dos primeros capítulos del Génesis, tomadas literalmente y no metafóricamente, son inconsistentes con el conocimiento moderno.
Hasta mediados del siglo XVII, la opinión predominante era que Dios creó al hombre junto con los animales y plantas superiores, pero que las formas simples de vida como los gusanos y los insectos surgen constantemente del barro, los desechos y la materia putrefacta durante cortos períodos de tiempo. El fisiólogo William Harvey (1578-1657), que estudió la reproducción y el desarrollo de los ciervos, fue el primero en cuestionar este punto de vista al postular que todo animal procede de un huevo («omnia viva ex ovo»), mucho antes de que Karl-Ernst von Baer (1792-1876) descubriera la existencia de los óvulos humanos por microscopía. Un científico italiano, Francesco Redi (1626-1698), comprobó que la idea de Harvey era cierta, al menos en el caso de los insectos; descubrió que los gusanos de la carne surgen de huevos de mosca. Más tarde, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) descubrió que los espermatozoides eran necesarios para la reproducción de los mamíferos. Antes que Pasteur, Spallanzani también demostró que la materia viva («infusorios») no se origina a partir de fluidos hervidos conservados en recipientes cerrados. Aunque los descubrimientos de Redi y Spallanzani demostraron definitivamente que los insectos y los animales más grandes se desarrollan a partir de huevos, seguía siendo obvio para una gran mayoría que al menos los microorganismos, debido a su ubicuidad, se generan continuamente a partir de material inorgánico. El debate sobre si la vida se genera espontáneamente a partir de materia no viva o no culminó en la famosa controversia entre Louis Pasteur y Félix-Archimède Pouchet (1800-1872), que Pasteur ganó triunfalmente. Demostró que incluso los microorganismos de los fluidos proceden de gérmenes que flotan en el aire, y también que las soluciones nutritivas pueden protegerse de estos seres mediante una esterilización adecuada, como la filtración o la ebullición. Sin embargo, los científicos contemporáneos no estaban satisfechos con los experimentos de Pasteur porque quedaba una cuestión delicada: Si los organismos vivos no surgen de la materia no viva, ¿cómo había surgido la vida en primer lugar?
A finales del siglo XIX, el químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927) inició otra hipótesis. Creía firmemente que todo el universo se reponía con gérmenes vivos, un fenómeno que llamó «panspermia». Sugirió que los microorganismos y esporas de origen cósmico se propagan de sistema solar en sistema solar, y así llegan a la Tierra. Aunque el punto de vista de Arrhenius evita, más que resuelve, el problema del origen de la vida, y a pesar de la extrema improbabilidad de que los microorganismos sobrevivan a los efectos interestelares del frío, el vacío y la radiación, unos pocos miembros de la comunidad científica del siglo XX retomaron la idea de la panspermia. Entre estos científicos se encuentran el astrónomo Fred Hoyle (1915-) y el biólogo molecular Francis Crick (1916-), quienes están convencidos de que el lapso de tiempo transcurrido entre el origen de la Tierra y la aparición de los primeros organismos celulares en este planeta fue demasiado corto para que la vida se produjera de forma espontánea.
La teoría de Darwin de la «selección natural como fuerza motriz de la evolución» dio lugar a una nueva visión sobre el fenómeno de la vida que sigue siendo válida. Aunque Darwin no se comprometió sobre el origen de la vida, científicos contemporáneos como Thomas Huxley (1825-1895) ampliaron su idea, afirmando que la vida podía generarse a partir de sustancias químicas inorgánicas. Siguiendo esta opinión, Alexander Oparin (1894-1980) fue el más influyente defensor del origen sucesivo de los organismos celulares a partir de materia no viva. Sospechaba que esta transición se produjo mediante una serie de reacciones químicas regulares y progresivas en las condiciones físicas y químicas de la Tierra primitiva. Junto con John Scott Haldane (1860-1936), Oparin reconoció que la producción abiológica de moléculas orgánicas en la actual atmósfera oxidante de la Tierra es altamente improbable. En cambio, ambos sugirieron que el inicio de la vida se produjo en aguas calientes primordiales en condiciones más reductoras (es decir, ricas en hidrógeno). Además, Oparin postuló la existencia de coacervados precelulares -unidades globulares con estructuras superficiales similares a las de las membranas- que podrían tener altas concentraciones de ciertos compuestos químicos. En efecto, los coacervados se forman espontáneamente a partir de soluciones acuosas coloidales de dos o más compuestos macromoleculares.
Sin embargo, muchos problemas fundamentales sobre la transición de la materia no viva a la materia viva quedaron sin resolver. La cuestión central se refería al papel de la segunda ley de la termodinámica, que define el equilibrio en un sistema aislado como un estado de máxima entropía que parece contradecir el origen y la existencia de organismos vivos altamente ordenados. Erwin Schrödinger (1887-1961) dio una respuesta decisiva a esta cuestión, al afirmar que «la materia viva elude la decadencia hacia el equilibrio» o la muerte compensando constantemente la producción de entropía. En cualquier organismo, esto se consigue alimentándolo con energía libre o materia rica en energía que es utilizada por la maquinaria celular para impulsar las reacciones químicas esenciales. Schrödinger y otros también se dieron cuenta de que los organismos vivos pueden describirse termodinámicamente como sistemas abiertos, pero no pudieron explicar las condiciones físicas generales de los procesos de autoordenación. Estas fueron percibidas por Ilja Prigogine (1917-) y Paul Glansdorff (1904-1999), que trabajaron en una teoría termodinámica de los procesos irreversibles. Según Prigogine, la selección y la evolución no pueden producirse en sistemas de reacción equilibrados o casi equilibrados, aunque estén presentes los tipos adecuados de sustancias. En cambio, ciertas combinaciones de reacciones autocatalíticas con procesos de transporte pueden dar lugar a distribuciones espaciales peculiares de los socios de la reacción, llamadas «estructuras disipativas». Estas estructuras ordenadas son importantes para la formación del orden funcional en la evolución de la vida, especialmente para la morfogénesis temprana. Sin embargo, los primeros pasos de la autoorganización probablemente implicaron poca organización en el espacio físico, pero un amplio ordenamiento funcional de una variedad tremendamente compleja de compuestos químicos. Manfred Eigen (1927-) explicó el proceso de ordenación entre moléculas aumentando el principio de Prigogine-Glansdorff con consideraciones fenomenológicas sobre el comportamiento de las moléculas autorreplicantes: Una determinada cantidad se aproxima a un valor máximo en cualquier sistema abierto que se replique autocatalíticamente con suficiente fidelidad y que, por tanto, consuma continuamente energía y materia. Esta cantidad se llama «información» y está estrechamente relacionada con la «entropía negativa» postulada por Schrödinger. Además de sentar las bases para una interpretación molecular de la información biológica, Eigen desarrolló los modelos matemáticos para describir la «selección». Según la teoría de Eigen, la selección es el principio natural fundamental que pone orden en cualquier disposición aleatoria de especies que se replican autocatalíticamente. Con la selección, la información se genera sucesivamente, lo que conduce a una optimización constante de las especies, que pueden ser organismos o moléculas.
Los modelos matemáticos desarrollados por Eigen apoyan una hipótesis detallada del origen de la vida que comprende múltiples y sucesivos pasos para la transición de la materia inorgánica a la materia viva. Sin embargo, cabe mencionar que algunos científicos tienen teorías sobre el surgimiento de la vida que difieren de la teoría de Eigen. Entre ellos se encuentra Stuart Kauffman (1939-), que considera que la selección natural es importante pero no es el único principio ordenador del mundo biológico. En cambio, considera que la autoorganización espontánea representa la fuente predominante del orden natural. Kauffman demostró que conjuntos de reacciones autocatalíticas interrelacionadas pueden experimentar una transición a un nuevo estado ordenado (es decir, autoorganizado) en cuanto su conectividad alcanza un determinado valor umbral. Además, Kauffman subraya que el fenómeno de la autocatálisis, que desempeña el papel central en su teoría, no se limita a los ácidos nucleicos. Por tanto, concluye que ni siquiera los genes fueron necesarios para el origen de la vida. A diferencia de Kauffman, Eigen distingue la actividad autocatalítica o autorreplicante «aleatoria» que se observa en diversas especies moleculares de los ácidos nucleicos «inherentemente» autorreplicantes. La capacidad inherente de autorreplicación, a su vez, representa la base molecular de la selección natural según la teoría de Eigen.
Se inventaron experimentos bien definidos para simular los principios que se postulaban para la evolución molecular. Con ciertos montajes experimentales, la replicación y la selección pueden realizarse en un tubo de ensayo. Del mismo modo, las condiciones químicas de la Tierra primordial pueden imitarse en el laboratorio. Varios científicos intentaron verificar experimentalmente las ideas del siglo XX sobre la biogénesis. Sus experimentos se analizan en la siguiente sección.