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23/10/2014 Life is life, nan nanana | Cuentos Cunticos

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Life is life, nan nananaPublicado el 23 octubre, 2014de Cuentos Cunticos | 1 comentario

Parece ser que la vida es un hecho en nuestro universo. Y como seres, vivos, curiosos tenemos tendencia apreguntarnos, cmo se origin la vida?

Dejando de lado las respuestas triviales, o la monorespuesta trivial, es todo un desafo cientfico responder aesta pregunta y a lo largo de los aos la ciencia ha intentado entender el origen de la vida. Por el momento,la cuestin no ha llegado a una solucin satisfactoria, pero estamos cada vez ms cerca de entender cmosurge la vida.

Es evidente que el problema del origen de la vida no se puede atacar desde un solo frente. La vida es unacosa compleja, muy compleja, y en ella se conjugan razonamientos biolgicos y qumicos. Pero tambin hayhueco para la fsica y las matemticas.

En esta entrada lo que pretendo es dar una lista de modelos matemticos y fsicos que juegan un papelpreponderante en el estudio del origen de la vida. La lista no ser completa, estos son simplemente losmodelos que yo conozco o que yo he entendido en algn momento de mi vida. Espero que con las referencias



dadas todos los que estis interesados podis profundizar en el estudio de este apasionante tema.

Al fin y al cabo, life is life.

La utilidad de la fsica y las matemticas en el problema del origen de la vidaEs ms que evidente que el problema sobre el origen de la vida es un problema biolgico y qumico. Perotambin es evidente que es un problema complejo.

Ante los problemas complejos la ciencia tiende a reducirlos hastasus ingredientes esenciales bsicos para comprobar cuales son losmnimos requisitos para reproducir un fenmeno. Este trabajo deidealizacin y de abstraccin nos permite enfocar nuestros interesesa aspectos concretos del problema bajo estudio y nos permitedisear mejores estrategias para afrontar el problema real.

La utilidad de los modelos matemticos estriba en que sonmodificables, son simples y son eficientes. Es lgico aceptar que nocontemplan toda la generalidad del problema pero tenemos que

asumir que su utilidad estriba justamente en eso. Nos ensean a pensar de manera concreta acerca de losaspectos cualitativos y cuantitativos del problema original.

Ni que decir tiene que los modelos matemticos sobre el origen de la vida solo son una herramienta ms queen ningn modo pueden eliminar la necesidad de afrontar un estudio experimental en trminos biolgicos yqumicos.

Pero dado que este tema me ha apasionado desde siempre me apetece mucho dar una lista de modelos y dereferencias para que si alguno de vosotros tiene la misma curiosidad sepa por dnde empezara yo.

Habrs notado que sobre la fsica no he dicho nada porque poco hay que decir. Todo lo que habita esteuniverso est sujeto a las leyes de la fsica, seres vivos incluidos, as que para tener xito en el estudio delorigen de la vida la fsica tiene que jugar un papel del mismo rango que la qumica y la biologa.

http://bitacoras.com/premios14/votar/be2475a7829d21b615f8f026f1f34bccc4a5458b



Qu es vida?No tengo ni idea. Hay mil definiciones de vida, cada una de ellas captura un aspecto y deja otros fuera. Nohay una definicin que satisfaga a todo el mundo. Tal vez no la necesitemos.

Lo que para m est claro es que la vida siempre tiene unas caractersticas bsicas comunes. Tengan ustedesen cuenta que soy fsico y por lo tanto tiendo a la sobresimplificacin.

Imagen tomada de la cuenta de Twitterdel CSIC:

https://twitter.com/CSIC/status/522388541100527616/photo/1

Las caractersticas que podemos encontrar en todo ser vivo son las siguientes:

1. Son entes aislados. Estn compartimentados y son distinguibles del medio en el que se desarrollan. Los seres vivos evolucionan, crecen y se autoorganizan por s mismos.

2. Disponen de redes de reacciones qumicas muy complejas que conforman su metabolismo. Elmetabolismo es la capacidad de transformar energa del medio en energa til y estructuras en el servivo.

3. Disponen de un conjunto de molculas que codifican la informacin necesaria para la construccin detodas las reacciones metablicas y la de transmitir su informacin a su descendencia. Son sistemasque se autorreplican.

El problema del origen de la vida, que tiene miles de aspectos y millones de aristas, se puede resumir en dosgrandes tendencias:

1. Primero se dieron las condiciones para crear las redes qumicas complejas para generar el

https://cuentoscuanticos.files.wordpress.com/2014/10/bz_lm_jiyaahqef.jpghttps://twitter.com/CSIC/status/522388541100527616/photo/1



metabolismo y luego se encontr la forma de codificar y transmitir la informacin para construir dichometabolismo.

2. Primero se dieron las condiciones para tener molculas que se autorreplican, molculas genticas, yestas mismas crearon un minimetabolismo que se fue haciendo cada vez ms complejo.

Es decir:

1.- Metabolismo primero

2.- Gentica primero

El origen de la vida desde el punto de vista qumicoPor supuesto que para que aparezcan tanto el metabolismo como la gentica previamente el medio tiene queser capaz de producir de forma natural y espontnea molculas complejas que puedan jugar un papelbiolgico.

En un ser vivo tenemos unos bloques bsicos:

1. Glcidos - Para acumular energa y establecer estructuras.2. Lpidos - Para acumular energa y establecer estructuras (por ejemplo membranas celulares)3. Amonocidos Para generar protenas que jugaran un papel en la aceleracin y facilitacin de las

reacciones metablicas (catlisis enzimtica) y para la conformacin de estructuras y molculasmensajeras.

4. cidos Nuclicos Para codificar la informacin gentica del ser vivo.

La qumica tiene que responder a la pregunta de cmo se consiguieron estas molculas a partir de lascondiciones iniciales de la Tierra u otro planeta (el problema del origen de la vida no est confinado ennuestro planeta).

Si quieres ver un buen resumen, con muchas referencias, del paso de material qumico simple a la sntesisespontnea de molculas biolgicamente tiles y de la aparicin de redes qumicas complejas te recomiendoel siguiente artculo:

Prebiotic Systems Chemistry: New Perspectives for the Origins of Life - Fabuloso trabajo de revisin sobre eltema de la qumica prebitica. Por Kepa Ruiz-Mirazo, Carlos Briones y Andrs de la Escosura (2014).

La qumica artificial, una buena herramientaLa qumica artificial es una rama que combina ideas qumicas con reglas matemticas. Generalmente separte de un conjunto de elementos denominados molculas y un conjunto de elementos denominadosreacciones.

El conjunto de molculas son los que pueden reaccionar y los que pueden resultar como resultado de lasreacciones. Las reacciones nos dicen como combinar molculas para obtener otras.

http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/cr200484



Las reglas pueden ser ms o menos complicadas y podemos construir diferentes qumicas y estudiar cualesde ellas pueden generar sistemas aislados que se reproduzcan o sistemas que pueden generar redes dereacciones complejas que emulen un metabolismo.

Es muy interesante el trabajo de Tim J. Hutton que es el caso ms simple, y el nico conocido, que da lugar aestructuras que se replican a s mismas:

Para ms detalles sobre este trabajo: Desenmascarando la qumica artificial.

Si quieres ver toda la potencia y diversidad de qumicas artificiales te recomiendo este trabajo de revisin enel que encontrars muchos detalles:

Artificial Chemistries: A review (2011)

Con estas qumicas artificiales podemos aprender como nuestra qumica real puede dar lugar a estructurasindependientes que se autorreproducen. No est mal para un modelo matemtico.

Diferencindose del medioParece evidente que las primeras biomolculas se desarrollaron sobre superficies, bien metlicas, bienarcillosas, bien la superficie ocenica. Lo que est claro es que estas biomolculas se pueden crear ensuperficies. Vale, ya tenemos biomolculas, pero cmo pueden aparecer estructuras individualesdiferenciadas del medio en el que se han originado? Es posible esto en un medio sometido a variaciones deenerga, temperatura, presin, etc?

En un mundo donde impera el caos, es difcil aceptar que la probabilidad de que se forme una estructuraestable y automantenida sea algo ms alta que despreciable. Pero, oh sorpresa, es justamente a causa delcaos y de que los seres vivos estn sometidos a flujos de energa, temperatura y entropa que se puede



entender la aparicin de estructuras que se mantienen en el espacio y el tiempo.

La idea terica la propuso Ilya Prigogine y la denomino estructuras disipativas. Su trabajo consisti endar lugar a un esquema terico-matemtico en el que se prueba que bajo condiciones muy generales, caticasy termodinmicamente alejadas del equilibrio, aparecen estructuras que pueden diferenciarse del medio. Poreste trabajo Prigogine recibi el premio Nobel de Qumica en 1977.

El ejemplo ms simple de estructura disipativa la podemos encontrar en las reacciones qumicas oscilantes. Estas reacciones qumicas simples con molculas simples, dadas unas condiciones especficas, puedenestablecer un ciclo de reacciones de reactivos a productos y viceversa. Esto no puede parecer muyespectacular, es lo que pasa en cualquier reaccin reversible, pero en las reacciones oscilantes pasa esto:

Hay que remarcar que una reaccin oscilante tiene la siguiente estructura:

Reactivos iniciales > Reacciones Intermedias -> Productos finales

La concentracin de reactivos iniciales decrece con el tiempo y la de productos finales aumenta con eltiempo. Son las reacciones intermedias las que generan el carcter oscilante de dichas reacciones.

Las reacciones oscilantes son interesantes porque:

a) Son reacciones en las que los mecanismo intermedios estn fuera del equilibrio.

b) Se generan patrones espaciales y temporales, lo que es un primer paso para definir estructuras establesque se mantengan en el espacio y el tiempo.

Los trabajos sobre los requerimientos mnimos para tener este tipo de reacciones estn basados en modelos



fsico-matemticos. Una referencia muy ilustrativa es la siguiente:

Brusselator as a reaction-diffusion system

El fundamento fsico matemtico de las estructuras disipativas se puede encontrar en el discurso del Nobelde Ilya Prigogine:

Time, structure, and fluctuations

Lo que hemos aprendido de estos trabajos relativo al origen de la vida es que para generar orden e individuosque se distinguen del medio en el que viven solo tienen que tener unas condiciones genricas. Estascondiciones son que haya flujos de energa y entropa, es decir, que no haya equilibrio termodinmico y quela dinmica de los constituyentes sea tan rica como para permitir fenmenos caticos. Como dijo alguien Al orden solo se llega a travs del caos . Es un proceso espontneo que no necesita de la participacin denadie.

La QuasiespeciesEste es un modelo matemtico especialmente interesante bajo mi punto de vista. Se fundamenta endescribir como acta la evolucin en el seno de un conjunto de molculas o individuos autorreplicantes.

Si aceptamos que en algn paso del origen de la vida llegamos a tener sistemas autorreplicantes tenemos queentender como se lleg a estabilizar el sistema de transmisin de la informacin gentica. Dicha informacinest sometida a mutaciones que la modifican. De hecho, nuestras clulas consumen gran parte de susrecursos en mantener estable su contenido gentico y hay toda una enorme maquinaria de identificacin ycorreccin de errores en nuestra informacin gentica. Pero en el inicio esta maquinaria no exista y no pudoestar codificada en la informacin gentica de las molculas autorreplicantes. La tasas de mutacin seranaltas y podramos pensar que desastrosas. Pues bien, los modelos de quasiespecies nos ayudan a entendercmo se estabiliza la informacin gentica en un ambiente potencialmente letal para la misma a causa de lagran presin de mutaciones.

Lo interesante de este modelo es que presenta como ingredientes los siguientes elementos:

1. Un conjunto de molculas o individuos que se replican.2. Una tasa de mutaciones.3. La forma en la que las mutaciones pueden generar individuos viables pero diferentes de los

progenitores y de como en sucesivas generaciones se puede llegar a la informacin gentica de losindividuos originales por medio de dichas mutaciones.

Lo que aprendemos de este modelo no es desdeable. Hemos aprendido que aunque el sistema deautorreplicacin genere muchos individuos inviables tambin genera individuos viables aunque diferentesgenticamente de sus progenitores. Esto hace que tengamos mayor confianza en un modelo de origen de lavida en el que los individuos pueden evolucionar y ser viables aunque estn sometidos a una alta tasa demutacin.

http://www.imsc.res.in/xmlui/bitstream/handle/123456789/125/rajeev_mscthesis.pdf?sequence=1http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1977/prigogine-lecture.pdf



Este campo tiene muchas aplicaciones, especialmente en virologa dado que los virus son elementos muysimples compuestos bsicamente por material gentico. Estos modelos ayudan a entender cmoevolucionan virus como el de la Hepatitis o el HIV.

Un trabajo con muchas referencias y muy interesante para introducirse en este tema es:

Dynamics, evolution and information in nonlinear dynamical systems of replicators de Josep Sardanys,tesis de master dirigida por Ricard V. Sol.

El metabolismo primero, que se lo digan a DysonComo hemos dicho, hay lneas que se basan en que lo primero que fueron las cadenas de reacciones que danlugar a un metabolismo. Esta visin e la que tienen las teoras de Oparin (que expuso su teora antes deconocerse la estructura y utilidad del ADN) o la teora de Wchtershuser.

El seor Wchtershuser expuso que la fuente del tomo de carbono,esencial para la formacin de molculas orgnicas complejas, era elCO2 de la atmsfera primitiva. El problema viene de que hay quequitarle los dos oxgenos al CO2 para que sea posible emplearlo encrear molculas orgnicas. El mtodo de hacer esto es suponer queesa tarea se llevaba a cabo por compuestos de hierro (con grantendencia a captar oxgemos) presentes en las superficies de laspiritas. Adems, la superficie de la pirita sirve como sustrato en elque las molculas formadas permanecen ancladas y es ms fcilproducir un metabolismo primitivo que en un medio donde lasmolculas se pueden difundir libremente, como en el ocano. Esta

https://cuentoscuanticos.files.wordpress.com/2014/10/f13-large.jpghttp://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/7182/tjsc.pdf;jsessionid=1580CD97C249112E821922682FA4223D.tdx2?sequence=1



sin duda es una gran idea que est siendo puesta a prueba en el laboratorio.

Sin embargo, nunca est de ms tener un modelo matemtico que establezca las condiciones mnimas paraque este metabolismo tenga estabilidad y posibilidad de evolucionar. Aqu os dejo con tres modelos:

1. El primero es el modelo que expuso el fsico terico Freeman Dyson en 1982 y que podis encontrar ensu delicioso libro: Los orgenes de la vida.

2. El segundo es un modelo basado en hyperciclos, que son redes de reacciones que se autoayudan(autocatalticas) en un contexto bidimensional, siguiendo la imagen de la teora de Wchtershuser;The Evolution of Enzyme Specificity in the Metabolic Replicator Model of Prebiotic Evolution.

3. El tercero es una discusin de los beneficios tericos que tienen los modelos bidimensionales (pizzas)contra los basados en molculas en un medio fluido de tres dimensiones (sopa primigenia): SPATIALMODELS OF PREBIOTIC EVOLUTION: SOUP BEFORE PIZZA?

Para acabarCreo que hay suficiente material con suficientes referencias para entrar de lleno en el tema a todo aquel queest interesado. He intentado motivar cada caso y los modelos expuestos aqu se basan en mis gustospersonales pero hay muchos ms.

Antes de acabar me gustara dar una ltima referencia que no s si an se sigue editando, espero que s. Ellibro en cuestin es:

Biofsica, procesos de autoorganizacin en biologa de Francisco Montero y Federico Morn, de laUniversidad Complutense.

Es de las mejores lecturas que he hecho jams. Un libro que te da todas las herramientas para afrontar estetipo de estudios. Termodinmica de sistemas fuera del equilibrio, sistemas dinmicos, caos, etc. Con elaadido de que est en castellano y de que ha sido escrito por dos especialistas espaoles del tema. Es unajoya que uno tiene que tener, tiene que leer y tiene que estudiar. Sin duda alguna lo recomiendo fuertemente.

Espero que la entrada haya resultado ilustrativa.

http://www.casadellibro.com/libro-los-origenes-de-la-vida/9788483230978/690011http://members.iif.hu/czaran.tamas/pdfs/the%20evolution%20of%20enzyme%20specificity.pdfhttp://ramet.elte.hu/~ramet/staff/Si/origrev.pdfhttp://www.casadellibro.com/libro-biofisica-procesos-de-autoorganizacion-en-biologia/9788477540991/337199http://bitacoras.com/premios14/votar/be2475a7829d21b615f8f026f1f34bccc4a5458b



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Alberto | 23 octubre, 2014 en 19:35 | Responder

Buenas tardes,

Lo primero daros la enhorabuena por el maravilloso trabajo que hacis. Para los que lo tenemostodo por aprender es un privilegio poder leeros.

Os escribo por que me interesara mucho leer el libro de los Prof. Montero y Morn querecomiendas pero aparece como descatalogado. Sabrais de alguna va alternativa paraconseguirlo?

Un saludo,

Alberto

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