Cosmos
II. Una voz en la fuga cósmica
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Capítulo II
UNA VOZ
EN LA FUGA CÓSMICA
Se me ordena que me rinda al Señor de los Mundos. Es él quien te creó del polvo…
El Corán, sura 40
La más antigua de todas las filosofías, la de la evolución, estuvo maniatada de manos y de pies y relegada a la oscuridad más absoluta durante el milenio de escolasticismo teológico. Pero Darwin infundió nueva savia vital en la antigua estructura; las ataduras saltaron, y el pensamiento revivificado de la antigua Grecia ha demostrado ser una expresión más adecuada del orden universal de las cosas que cualquiera de los esquemas aceptados por la credulidad y bien recibidos por la superstición de setenta generaciones posteriores de hombres.
T. H. HUXLEY, 1887
Probablemente todos los seres orgánicos que hayan vivido nunca sobre esta tierra han descendido de alguna única forma primordial, a la que se infundió vida por primera vez… Esta opinión sobre el origen de la vida tiene su grandeza… porque mientras este planeta ha ido dando vueltas de acuerdo con la ley fija de la gravedad, a partir de un inicio tan sencillo han evolucionado y siguen evolucionando formas sin fin, las más bellas y las más maravillosas.
CHARLES DARWIN, El origen de las especies, 1859
Parece que existe una comunidad de materia a lo largo de todo el universo visible, porque las estrellas contienen muchos de los elementos que existen en el Sol y en la Tierra. Es notable que los elementos difundidos más ampliamente entre las huestes de estrellas sean algunos de los elementos más estrechamente relacionados con los organismos vivientes de nuestro globo, entre ellos el hidrógeno, el sodio, el magnesio y el hierro. ¿No podría ser que por lo menos las estrellas más brillantes fuesen como nuestro sol, centros que mantienen y dan energía a sistemas de mundos, adaptados para ser lugar de residencia de seres vivientes?
WILLIAM HUGGINS, 1865
DURANTE TODA MI VIDA ME HE PREGUNTADO sobre la posibilidad de que exista la vida en otras partes. ¿Qué forma tendría? ¿O de qué estaría hecha? Todos los seres vivos de nuestro planeta están constituidos por moléculas orgánicas: arquitecturas microscópicas complejas en las que el átomo de carbono juega un papel central. Hubo una época, anterior a la vida, en la que la Tierra era estéril y estaba absolutamente desolada. Nuestro mundo rebosa ahora de vida. ¿Cómo llegó a producirse? ¿Cómo se constituyeron en ausencia de vida moléculas orgánicas basadas en el carbono? ¿Cómo nacieron los primeros seres vivos? ¿Cómo evolucionó la vida hasta producir seres tan elaborados y complejos como nosotros, capaces de explorar el misterio de nuestros orígenes? ¿Hay vida también sobre los incontables planetas que puedan girar alrededor de otros soles? De existir la vida extraterrestre, ¿se basa en las mismas moléculas orgánicas que la vida de la Tierra? ¿Se parecen bastante los seres de otros mundos a la vida de la Tierra? ¿O presentan diferencias aturdidoras, con otras adaptaciones a otros ambientes? ¿Qué otras cosas son posibles? La naturaleza de la vida en la Tierra y la búsqueda de vida en otras partes son dos aspectos de la misma cuestión: la búsqueda de lo que nosotros somos.
En las grandes tinieblas entre las estrellas hay nubes de gas, de polvo y de materia orgánica. Los radiotelescopios han descubierto docenas de tipos diferentes de moléculas orgánicas. La abundancia de estas moléculas sugiere que la sustancia de la vida se encuentra en todas partes. Quizás el origen y la evolución de la vida sea una inevitabilidad cósmica, si se dispone de tiempo suficiente. En algunos de los miles de millones de planetas de la galaxia Vía Láctea es posible que la vida no nazca nunca. En otros la vida puede nacer y morir más tarde, o bien no superar en su evolución las formas más sencillas. Y en alguna pequeña fracción de mundos pueden desarrollarse inteligencias y civilizaciones más avanzadas que la nuestra.
Nubes oscuras de polvo interestelar. Estos complejos nebulosos están llenos de gases orgánicos simples; los mismos granos individuales de polvo pueden estar compuestos en parte por moléculas orgánicas. (NASA/ESA/HST).
En ocasiones alguien señala hasta qué punto es afortunada la coincidencia de que la Tierra esté perfectamente adaptada a la vida: temperaturas moderadas, agua líquida, atmósfera de oxígeno, etc. Pero esto supone confundir por lo menos en parte causa y efecto. Nosotros, habitantes de la Tierra, estamos supremamente adaptados al medio ambiente de la Tierra porque crecimos aquí. Las formas anteriores de vida que no estaban perfectamente adaptadas murieron. Nosotros descendemos de organismos que prosperaron. No hay duda de que los organismos que evolucionan en un mundo muy diferente también cantarán sus alabanzas.
Toda la vida en la Tierra está estrechamente relacionada. Tenemos una química orgánica común y una herencia evolutiva común. Como consecuencia de esto nuestros biólogos se ven profundamente limitados. Estudian solamente un tipo único de biología, un tema solitario en la música de la vida. ¿Es este tono agudo y débil la única voz en miles de años luz? ¿O es más bien una especie de fuga cósmica, con temas y contrapuntos, disonancias y armonías, con mil millones de voces distintas tocando la música de la vida en la galaxia?
Permitid que cuente una historia sobre una pequeña frase en la música de la vida sobre la Tierra. En el año 1185 el emperador del Japón era un niño de siete años llamado Antoku. Era el jefe nominal de un clan de samuráis llamados los Heike, que estaban empeñados en una guerra larga y sangrienta con otro clan de samuráis, los Genji. Cada clan afirmaba poseer derechos ancestrales superiores al trono imperial. El encuentro naval decisivo, con el emperador a bordo, ocurrió en Danno-ura en el mar Interior del Japón el 24 de abril de 1185. Los Heike fueron superados en número y en táctica. Muchos murieron a manos del enemigo. Los supervivientes se lanzaron en gran número al mar y se ahogaron. La Dama Nii, abuela del emperador, decidió que ni ella ni Antoku tenían que caer en manos del enemigo. La Historia de los Heike cuenta lo que sucedió después:
El emperador había cumplido aquel año los siete de edad, pero parecía mucho mayor. Era tan hermoso que parecía emitir un resplandor brillante y su pelo negro y largo le colgaba suelto sobre la espalda. Con una mirada de sorpresa y de ansiedad en su rostro preguntó a la Dama Nii:
¿Dónde vas a llevarme?
Ella miró al joven soberano mientras las lágrimas rodaban por sus mejillas y… lo consoló, atando su largo pelo en su vestido de color de paloma. Cegado por las lágrimas el niño soberano juntó sus bellas manitas. Se puso primero cara al Este para despedirse del dios de Ise y luego de cara al Oeste para repetir el Nembutsu [una oración al Buda Amida]. La Dama Nii lo agarró fuertemente en sus brazos y mientras decía en las profundidades del océano está nuestro capitolio, se hundió finalmente con él debajo de las olas.
Un samurái con la armadura del Japón feudal. En la literatura japonesa, La historia de los Heike tiene una significación comparable a la Ilíada en la literatura de Occidente. (Cedida por C. C. Lee).
Toda la flota Heike quedó destruida. Sólo sobrevivieron cuarenta y tres mujeres. Estas damas de honor de la corte imperial fueron obligadas a vender flores y otros favores a los pescadores cercanos al escenario de la batalla. Los Heike desaparecieron casi totalmente de la historia. Pero un grupo formado por la chusma de antiguas damas de honor y su descendencia entre los pescadores fundó un festival para conmemorar la batalla. Se celebra hasta hoy el 24 de abril de cada año.
Los pescadores descendientes de los Heike visten de cáñamo con tocado negro y desfilan hasta el santuario de Akama que contiene el mausoleo del emperador ahogado. Allí asisten a una representación de los acontecimientos que siguieron a la batalla de Danno-ura. Durante siglos la gente imagino que podía distinguir ejércitos fantasmales de samuráis esforzándose vanamente en achicar el mar para lavarlo de sangre y eliminar su humillación.
Los pescadores dicen que los samuráis Heike se pasean todavía por los fondos del mar Interior, en forma de cangrejos. Se pueden encontrar en este mar cangrejos con curiosas señales en sus dorsos, formas e indentaciones que se parecen asombrosamente al rostro de un samurái. Cuando se pesca un cangrejo de estos no se come sino que se le devuelve al mar para conmemorar los tristes acontecimientos de Danno-ura.
Un cangrejo Heike del mar Interior del Japón.
Este proceso plantea un hermoso problema. ¿Cómo se consigue que el rostro de un guerrero quede grabado en el caparazón de un cangrejo? La respuesta parece ser que fueron los hombres quienes hicieron la cara. Las formas en los caparazones de los cangrejos son heredadas. Pero entre los cangrejos, como entre las personas, hay muchas líneas hereditarias diferentes. Supongamos que entre los antepasados lejanos de este cangrejo surgiera casualmente uno con una forma que parecía, aunque fuera ligeramente, un rostro humano. Incluso antes de la batalla de Danno ura los pescadores pueden haber sentido escrúpulos para comer un cangrejo así. Al devolverlo al mar pusieron en marcha un proceso evolutivo: Si eres un cangrejo y tu caparazón es corriente, los hombres te comerán. Tu linaje dejará pocos descendientes. Si tu caparazón se parece un poco a una cara, te echarán de nuevo al mar. Podrás dejar más descendientes. Los cangrejos tenían un valor considerable invertido en las formas grabadas en sus caparazones. A medida que pasaban las generaciones, tanto de cangrejos como de pescadores, los cangrejos cuyas formas se parecían más a una cara de samurái sobrevivían preferentemente, hasta que al final se obtuvo no ya una cara humana, no sólo una cara japonesa, sino el rostro de un samurái feroz y enfadado. Todo esto no tiene nada que ver con lo que los cangrejos desean. La selección viene impuesta desde el exterior. Cuanto más uno se parece a un samurái mejores son sus probabilidades de sobrevivir. Al final se obtiene una gran abundancia de cangrejos samurái.
Este proceso se denomina selección artificial. En el caso del cangrejo de Heike, lo efectuaron de modo más o menos consciente los pescadores, y desde luego sin que los cangrejos se lo propusieran seriamente. Pero los hombres han seleccionado deliberadamente durante miles de años, las plantas y animales que han de vivir y las que merecen morir. Desde nuestra infancia nos rodean animales, frutos, árboles y verduras familiares, cultivados y domesticados. ¿De dónde proceden? ¿Vivían antes libremente en el mundo silvestre y se les indujo luego a seguir una forma de vida menos dura en el campo? No, la realidad es muy distinta. La mayoría de ellos los hicimos nosotros.
Hace diez mil años no había vacas lecheras, ni perdigueros ni espigas grandes de trigo. Cuando domesticamos a los antepasados de estas plantas y animales a veces seres que presentaban un aspecto muy distinto controlamos su crianza. Procuramos que algunas variedades cuyas propiedades considerábamos deseables se reprodujeran con preferencia a las demás. Cuando deseamos un perro que nos ayudara a controlar un rebaño de ovejas, seleccionamos razas que eran inteligentes, obedientes y que mostraban un cierto talento previo con el rebaño, talento que es útil para los animales que cazan en jaurías. Las ubres enormemente dilatadas del ganado lechero son el resultado del interés del hombre por la leche y el queso. Nuestro trigo o nuestro maíz se ha criado durante diez mil generaciones para que sea más gustoso y nutritivo que sus escuálidos antepasados; ha cambiado tanto que sin la intervención humana no pueden ni reproducirse.
La esencia de la selección artificial tanto de un cangrejo de Heike, como de un perro, una vaca o una espiga de trigo es esta: Muchos rasgos físicos y de comportamiento de las plantas y de los animales se heredan. Se reproducen enteros. Los hombres, por el motivo que sea, apoyan la reproducción de algunas variedades y reprimen la reproducción de otras. La variedad que se ha seleccionado se reproduce de modo preferente; llega a ser abundante; la variedad desechada se hace rara y quizás llega a extinguirse.
Pero si los hombres pueden crear nuevas variedades de plantas y de animales, ¿no ha de poder hacer lo mismo la naturaleza? Este proceso similar se denomina selección natural. Las alteraciones que hemos provocado en animales y vegetales durante la corta estancia de los hombres sobre la Tierra y la evidencia fósil demuestran claramente que la vida ha cambiado de modo fundamental a lo largo de las eras. Los restos fósiles nos hablan sin ambigüedad de seres presentes antes en números enormes y que actualmente han desaparecido de modo absoluto.[3] Las especies que se han extinguido en la historia de la Tierra son mucho más numerosas que las existentes actualmente; son los experimentos conclusos de la evolución.
Los cambios genéticos inducidos por la domesticación se han producido con mucha rapidez. El conejo no se domesticó hasta los primeros tiempos del Medioevo (lo criaron monjes franceses creyendo que los conejitos recién nacidos eran pescado y que por lo tanto quedaban exentos de la prohibición de consumir carne en ciertos días del calendario de la Iglesia); el café en el siglo quince; la remolacha azucarera en el siglo diecinueve; y el visón está todavía en las primeras fases de domesticación. En menos de diez mil años la domesticación ha aumentado el peso de la lana que crían las ovejas desde menos de un kilo de pelos duros hasta diez o veinte kilos de una pelusa fina y uniforme; o el volumen de leche producido por el ganado en un período de lactancia desde unos cuantos centenares de centímetros cúbicos hasta un millón. Si la selección artificial puede provocar cambios tan grandes en un período de tiempo tan corto, ¿de qué será capaz la selección natural trabajando durante miles de millones de años? La respuesta es toda la belleza y diversidad del mundo biológico. La evolución es un hecho, no una teoría.
El gran descubrimiento asociado con los nombres de Charles Darwin y de Alfred Russel Wallace es que el mecanismo de la evolución es la selección natural. Hace más de un siglo estos científicos hicieron hincapié en que la naturaleza es prolífica, en que nacen muchos más animales y plantas de los que pueden llegar a sobrevivir y en que, por lo tanto, el medio ambiente selecciona las variedades que son accidentalmente más adecuadas para sobrevivir. Las mutaciones —cambios repentinos en la herencia— se transmiten enteras. Proporcionan la materia prima de la evolución. El medio ambiente selecciona las pocas mutaciones que aumentan la supervivencia, obteniéndose una serie de lentas transformaciones de una forma de vida en otra, que origina nuevas especies.[4]
Las palabras de Darwin en El origen de las especies fueron:
El hombre de hecho no produce variabilidad; lo único que hace es exponer inintencionadamente seres orgánicos a nuevas condiciones de vida, y luego la Naturaleza actúa sobre la organización, y causa la variabilidad. Pero el hombre puede seleccionar y selecciona las variaciones que la Naturaleza le da, y de este modo las acumula de cualquier modo que desee. Adapta así animales y plantas a su propio beneficio o placer. Puede hacerlo metódicamente o puede hacerlo inconscientemente preservando los individuos que le son más útiles de momento, sin pensar en alterar la raza… No hay motivo aparente para que los principios que han actuado con tanta eficacia en la domesticación no hayan actuado en la Naturaleza… Nacen más individuos de los que pueden sobrevivir… La ventaja más ligera en un ser, de cualquier edad o en cualquier estación, sobre los demás seres con los cuales entra en competición, o una adaptación mejor, por mínima que sea, a las condiciones físicas que le rodean, cambiará el equilibrio en su favor.
T. H. Huxley, el defensor y popularizador más efectivo de la evolución en el siglo diecinueve, escribió que las publicaciones de Darwin y de Wallace fueron como un rayo de luz, que a un hombre que se ha perdido en una noche oscura revela de repente un camino que tanto si le lleva directamente a casa como si no es indudable que va en su dirección… Cuando dominé por primera vez la idea central de El origen de las especies mi reflexión fue: ¡Qué increíblemente estúpido por mi parte no haber pensado en esto! Supongo que los compañeros de Colón dijeron más o menos lo mismo… Los hechos de la variabilidad, de la lucha por la existencia, de la adaptación a las condiciones eran del dominio de todos; pero ninguno de nosotros sospechó que el camino hacia el centro mismo del problema de las especies pasaba entre ellos, hasta que Darwin y Wallace eliminaron las tinieblas.
Muchas personas quedaron escandalizadas, algunas todavía lo están, ante ambas ideas: la evolución y la selección natural. Nuestros antepasados observaron la elegancia de la vida en la Tierra, lo apropiadas que eran las estructuras de los organismos a sus funciones, y consideraron esto como prueba de la existencia de un Gran Diseñador. El organismo unicelular más simple es una máquina mucho más compleja que el mejor reloj de bolsillo. Y sin embargo los relojes de bolsillo no se montan espontáneamente a sí mismos, ni evolucionan por lentas etapas e impulsados por sí mismos, a partir por ejemplo de relojes abuelos. Un reloj presupone un relojero. Parecía fuera de lugar que los átomos y las moléculas pudiesen reunirse espontáneamente de algún modo para crear organismos de una complejidad tan asombrosa y de un funcionamiento tan sutil como los que adornan todas las regiones de la Tierra. El hecho de que cada ser vivo estuviera especialmente diseñado, de que una especie no se convirtiera en otra especie, era una noción perfectamente consistente con lo que nuestros antepasados, provistos de una limitada documentación histórica, sabían de la vida. La idea de que cada organismo hubiese sido construido meticulosamente por un Gran Diseñador proporcionaba a la naturaleza significado y orden, y a los seres humanos una importancia que todavía anhelamos. Un Diseñador constituye una explicación natural, atractiva y muy humana del mundo biológico. Pero, como demostraron Darwin y Wallace, hay otra explicación igualmente atractiva, igualmente humana y mucho más convincente: la selección natural, que hace la música de la vida más bella a medida que pasan los eones.
La evidencia fósil podría ser consistente con la idea de un Gran Diseñador; quizás algunas especies quedan destruidas cuando el Diseñador está descontento con ellas e intenta nuevos experimentos con diseños mejorados. Pero esta idea es algo desconcertante. Cada planta y cada animal está construido de un modo exquisito; ¿no debería haber sido capaz un Diseñador de suprema competencia de hacer desde el principio la variedad deseada? Los restos fósiles presuponen un proceso de tanteo, una incapacidad de anticipar el futuro, lo cual no concuerda con un Gran Diseñador eficiente (aunque sí con un Diseñador de un temperamento más distante e indirecto).
Cuando estudiaba en la universidad, a principios de los años 1950, tuve la fortuna de trabajar en el laboratorio de H. J. Muller, un gran genético y el hombre que había descubierto que la radiación produce mutaciones. Muller fue la persona que me señaló la existencia del cangrejo Heike como ejemplo de selección artificial. A fin de aprender el aspecto práctico de la genética, pasé muchos meses trabajando con moscas de la fruta, Drosophila melanogaster (que significa amante del rocío de cuerpo negro): diminutos y benignos seres con dos alas y unos grandes ojos. Las teníamos en botellas de leche de medio litro. Cruzábamos dos variedades para ver las nuevas formas que emergían gracias a la reordenación de los genes paternos y por acción de mutaciones naturales e inducidas. Las hembras depositaban sus huevos en una especie de melazas que los técnicos ponían dentro de las botellas; se tapaba las botellas y esperábamos dos semanas a que los huevos fertilizados se transformaran en larvas, las larvas en pupas, y las pupas emergieran en forma de moscas de la fruta adultas.
Un día estaba yo observando a través de un microscopio binocular de pocos aumentos un lote recién llegado de Drosophilas adultas inmovilizadas con un poco de éter, y estaba ocupado separando las diferentes variedades con un pincel de pelo de camello. Quedé asombrado al encontrarme con algo muy diferente: no se trataba de una pequeña variación, por ejemplo con ojos rojos en lugar de blancos, o con cerdas en el cuello en lugar de sin cerdas. Se trataba de otro tipo de criatura, y que funcionaba muy bien: moscas con alas mucho más prominentes y con antenas largas y plumosas. Llegué a la conclusión de que el destino había hecho en el propio laboratorio de Muller lo que él había dicho que no podría suceder nunca: un cambio evolutivo importante en una única generación. Me correspondía a mí la ingrata tarea de contárselo.
Con el corazón oprimido llamé a su puerta. Entre, dijo una voz apagada. Entré y vi que la habitación estaba a oscuras, a excepción de una única lamparita que iluminaba el soporte del microscopio donde él estaba trabajando. En este ambiente tenebroso comuniqué a trompicones mi descubrimiento: un tipo muy diferente de mosca. Estaba seguro que había emergido de una de las pupas en las melazas. No quería molestar a Muller, pero… ¿Tiene más bien aspecto de lepidóptero que de díptero?, me preguntó con el rostro iluminado desde abajo. Yo no sabía de qué me hablaba, y tuvo que explicármelo: ¿Tiene alas grandes? ¿Tiene antenas plumosas? Asentí tristemente.
Muller encendió la lámpara del techo y sonrió benignamente. Era una vieja historia. Había un tipo de polilla que se había adaptado a los laboratorios de genética que trabajaban con Drosophila. No era nada parecida a una mosca de la fruta ni quería ninguna relación con ella. Lo que quería era la melaza de las moscas de la fruta. En los breves momentos que el técnico de laboratorio necesitaba para destapar la botella de leche por ejemplo al añadir más moscas de la fruta y volverla a tapar, la polilla madre entraba en picado y precipitaba sus huevos volando sobre las deliciosas melazas. Yo no había descubierto una macromutación, simplemente había dado con otra maravillosa adaptación de la naturaleza, producto a su vez de micromutaciones y de la selección natural.
Los secretos de la evolución son la muerte y el tiempo: la muerte de un número enorme de formas vivas que estaban imperfectamente adaptadas al medio ambiente; y tiempo para una larga sucesión de pequeñas mutaciones que eran accidentalmente adaptativas, tiempo para la lenta acumulación de rasgos producidos por mutaciones favorables. ¿Qué significan setenta millones de años para unos seres que viven sólo una millonésima de este tiempo? Somos como mariposas que revolotean un solo día y piensan que aquello lo es todo.
Lo que sucedió en la Tierra puede ser más o menos el curso típico de la evolución de la vida en muchos mundos; pero en relación a detalles como la química de las proteínas o la neurología de los cerebros, la historia de la vida en la Tierra puede ser única en toda la galaxia Vía Láctea. La Tierra se condensó a partir de gas y polvo interestelares hace 4600 millones de años. Sabemos por los fósiles que el origen de la vida se produjo poco después, hace quizás unos 4000 millones de años, en las lagunas y océanos de la Tierra primitiva. Los primeros seres vivos no eran tan complejos como un organismo unicelular, que ya es una forma de vida muy sofisticado. Los primeros balbuceos fueron mucho más humildes. En aquellos días primigenios, los relámpagos y la luz ultravioleta del Sol descomponían las moléculas simples, ricas en hidrógeno, de la atmósfera primitiva, y los fragmentos se recombinaban espontáneamente dando moléculas cada vez más complejas. Los productos de ésta primera química se disolvían en los océanos, formando una especie de sopa orgánica cuya complejidad crecía paulatinamente, hasta que un día, por puro accidente, nació una molécula que fue capaz de hacer copias bastas de sí misma, utilizando como bloques constructivos otras moléculas de la sopa. (Volveremos más adelante a este tema).
Este fue el primer antepasado del ácido desoxirribonucleico, el ADN, la molécula maestra de la vida en la Tierra.
Tiene la forma de una escalera torcida según una hélice, con escalones disponibles en cuatro partes moleculares distintas, que constituyen las cuatro letras del código genético. Estos escalones, llamados nucleótidos, deletrean las instrucciones hereditarias necesarias para hacer un organismo dado. Cada forma viva de la Tierra tiene un conjunto distinto de instrucciones, escrito esencialmente en el mismo lenguaje La razón por la cual los organismos son diferentes es la diferencia existente entre sus instrucciones de ácido nucleico. Una mutación es un cambio en un nucleótido, copiado en la generación siguiente y que se transmite entero. Puesto que las mutaciones son cambios casuales de los nucleótidos, la mayoría son nocivas o letales, porque hacen nacer a través del código enzimas no funcionales. Hay que esperar mucho para que una mutación haga trabajar mejor a un organismo. Y sin embargo este acontecimiento improbable, una pequeña mutación beneficiosa en un nucleótido con una longitud de una diezmillonésima de centímetro, es lo que impulsa a la evolución.
Hace cuatro mil millones de años, la Tierra era un paraíso molecular. Todavía no había predadores. Algunas moléculas se reproducían de modo ineficaz, competían en la búsqueda de bloques constructivos y dejaban copias bastas de sí mismas. La evolución estaba ya definitivamente en marcha, incluso al nivel molecular, gracias a la reproducción, la mutación y la eliminación selectiva de las variedades menos eficientes. A medida que pasaba el tiempo conseguían reproducirse mejor. Llegaron a unirse entre sí moléculas con funciones especializadas, constituyendo una especie de colectivo molecular: la primera célula. Las células vegetales de hoy en día tienen diminutas fábricas moleculares, llamadas cloroplastos, que se encargan de la fotosíntesis: la conversión de la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en hidratos de carbono y oxígeno. Las células presentes en una gota de sangre contienen un tipo diferente de fábrica molecular, el mitocondrio, que combina el alimento con el oxígeno para extraer energía útil. Estas fábricas están actualmente dentro de las células vegetales y animales, pero pueden haber sido en otros tiempos células libres.
Hace unos tres mil millones de años se había reunido un cierto número de plantas unicelulares, quizás porque una mutación impidió que una célula sola se separara después de dividirse en dos. Habían evolucionado los primeros organismos multicelulares. Cada célula de nuestro cuerpo es una especie de comuna, con partes que antes vivían libremente y que se han reunido para el bien común. Y nosotros estamos compuestos por cien billones de células. Cada uno de nosotros es una multitud.
Parece que el sexo se inventó hace unos dos mil millones de años. Con anterioridad a esto las nuevas variedades de organismos sólo podían nacer a partir de la acumulación de mutaciones casuales: la selección de cambios, letra por letra, en las instrucciones genéticas. La evolución debió ser atrozmente lenta. Gracias al invento del sexo dos organismos podían intercambiar párrafos, páginas y libros enteros de su código de ADN, produciendo nuevas variedades a punto para pasar por el cedazo de la selección. Los organismos han sido seleccionados para que se dediquen al sexo; los que lo encuentran aburrido pronto se extinguen. Y esto no es sólo cierto en relación a los microbios de hace dos mil millones de años. También los hombres conservamos hoy en día una palpable devoción por intercambiar segmentos de ADN.
Hace mil millones de años, las plantas, trabajando conjuntamente de modo cooperativo, habían llevado a cabo un cambio asombroso en el medio ambiente de la Tierra. Las plantas verdes generan oxígeno molecular. Los océanos estaban ya repletos de plantas verdes sencillas, y el oxígeno se estaba convirtiendo en un componente importante de la atmósfera de la Tierra, alterando irreversiblemente su carácter original, rico en hidrógeno, y dando por terminada la época de la historia de la Tierra en la que la sustancia de la vida estuvo constituida por procesos no biológicos. Pero el oxígeno tiende a provocar la descomposición de las moléculas orgánicas. A pesar del amor que le tenemos, se trata en el fondo de un veneno para la materia orgánica no protegida. La transición a una atmósfera oxidante planteó una crisis suprema en la historia de la vida, y una gran cantidad de organismos, incapaces de enfrentarse con el oxígeno, perecieron. Unas cuantas formas primitivas, como los bacilos del botulismo y del tétanos, consiguieron sobrevivir a pesar de todo en el ambiente actual de la Tierra rico en oxígeno. El nitrógeno de nuestra atmósfera es desde el punto de vista químico mucho más inerte y por lo tanto mucho más benigno que el oxígeno. Pero también está sostenido biológicamente, y por lo tanto el 99% de la atmósfera de la tierra es de origen biológico. El cielo es un producto de la vida.
Durante la mayor parte de los cuatro mil millones de años transcurridos a partir del origen de la vida, los organismos dominantes eran algas microscópicas de color azul y verde, que cubrían y llenaban los océanos. Pero hace unos 600 millones de años, el dominio monopolista de las algas quedó roto y se produjo una proliferación enorme de nuevas formas vivas, acontecimiento este que se ha llamado la explosión del Cámbrico. La vida nació casi inmediatamente después del origen de la Tierra, lo cual sugiere que quizás la vida sea un proceso químico inevitable en un planeta semejante a la Tierra. Pero durante tres mil millones de años no evolucionó mucho más allá de las algas azules y verdes, lo cual sugiere que la evolución de formas vivas grandes con órganos especializados es difícil, más difícil todavía que el origen de la vida. Quizás hay muchos otros planetas que tienen hoy en día una gran abundancia de microbios pero a los que faltan animales y plantas grandes.
Poco después de la explosión cámbrica, en los océanos pululaban muchas formas distintas de vida. Hace 500 millones de años había grandes rebaños de trilobites, animales de bella construcción, algo parecidos a grandes insectos; algunos cazaban en manadas sobre el fondo del océano. Almacenaban cristales en sus ojos para detectar la luz polarizada. Pero actualmente ya no hay trilobites vivos; hace 200 millones de años que ya no quedan. La Tierra estuvo habitada a lo largo del tiempo por plantas y animales de los que hoy no queda rastro vivo. Y como es lógico hubo un tiempo en que no existía ninguna de las especies que hay hoy en nuestro planeta. No hay ninguna indicación en las rocas antiguas de la presencia de animales como nosotros. Las especies aparecen, viven durante un período más o menos breve y luego se extinguen.
Trilobites fósiles. Izquierda, tres especímenes ciegos de hace quinientos millones años. En el centro y derecha, ejemplares más evolucionados, con sus ojos bellamente conservados. Los trilobites son uno de los muchos productos de la explosión del Cámbrico. (Reproducido de Trilobites por Ricardo Levi-Setti, con permiso de Chicago Press. © 1975 de la Universidad de Chicago).
Antes de la explosión del Cámbrico parece que las especies se sucedían unas a otras con bastante lentitud. En parte esto puede deberse a que la riqueza de nuestra información disminuye rápidamente cuanto más lejos escrutamos el pasado; en la historia primitiva de nuestro planeta, pocos organismos disponían de partes duras y los seres blandos dejan pocos restos fósiles. Pero el ritmo pausado de aparición de formas espectacularmente nuevas antes de la explosión cámbrica es en parte real; la penosa evolución de la estructura y la bioquímica celular no queda reflejada inmediatamente en las formas externas reveladas por los restos fósiles. Después de la explosión del Cámbrico nuevas y exquisitas adaptaciones se fueron sucediendo con una rapidez relativamente vertiginosa. Aparecieron en rápida sucesión los primeros peces y los primeros vertebrados; las plantas que antes se limitaban a vivir en los océanos empezaron la colonización de la Tierra; evolucionaron los primeros insectos y sus descendientes se convirtieron en los pioneros de la colonización de la tierra por los animales; insectos alados nacieron al mismo tiempo que los anfibios, seres parecidos en cierto modo al pez pulmonado, capaces de sobrevivir tanto en la tierra como en el agua; aparecieron los primeros árboles y los primeros reptiles; evolucionaron los dinosaurios; emergieron los mamíferos y luego los primeros pájaros; aparecieron las primeras flores; los dinosaurios se extinguieron; nacieron los primeros cetáceos, antepasados de los delfines y de las ballenas, y también en el mismo período nacieron los primates: los antepasados de los monos, los grandes simios y los humanos. Hace menos de diez millones de años, evolucionaron los primeros seres que se parecían fielmente a seres humanos, acompañados por un aumento espectacular del tamaño del cerebro. Y luego, hace sólo unos pocos millones de años, emergieron los primeros humanos auténticos.
Parientes cercanos: una encina y un hombre. (Fotografía: Bill Ray).
Los hombres crecieron en los bosques y nosotros les tenemos una afinidad natural. ¡Qué hermoso es un árbol que se esfuerza por alcanzar el cielo! Sus hojas recogen la luz solar para fotosintetizarla, y así los árboles compiten dejando en la sombra a sus vecinos. Si buscamos bien veremos a menudo dos árboles que se empujan y se echan a un lado con una gracia lánguida. Los árboles son máquinas grandes y bellas, accionadas por la luz solar, que toman agua del suelo y dióxido de carbono del aire y convierten estos materiales en alimento para uso suyo y nuestro. La planta utiliza los hidratos de carbono que fabrica como fuente de energía para llevar a cabo sus asuntos vegetales. Y nosotros, los animales, que somos en definitiva parásitos de las plantas, robamos sus hidratos de carbono para poder llevar a cabo nuestros asuntos. Al comer las plantas combinamos los hidratos de carbono con el oxígeno que tenemos disuelto en nuestra sangre por nuestra propensión a respirar el aire, y de este modo extraemos la energía que nos permite vivir. En este proceso exhalamos dióxido de carbono, que luego las plantas reciclan para fabricar más hidratos de carbono. ¡Qué sistema tan maravillosamente cooperativo! Plantas y animales que inhalan mutuamente las exhalaciones de los demás, una especie de resucitación mutua a escala planetaria, boca a estoma, impulsada por una estrella a 150 millones de kilómetros de distancia.
Hay decenas de miles de millones de tipos conocidos de moléculas orgánicas. Sin embargo en las actividades esenciales de la vida sólo se utiliza una cincuentena. Las mismas estructuras se utilizan una y otra vez de modo conservador e ingenioso, para llevar a cabo funciones diferentes. Y en el núcleo mismo de la vida en la Tierra las proteínas que controlan la química de la célula y los ácidos nucleicos que transportan las instrucciones hereditarias descubrimos que estas moléculas son esencialmente las mismas en todas las plantas y animales. Una encina y yo estamos hechos de la misma sustancia. Si retrocedemos lo suficiente, nos encontramos con un antepasado común.
Microfotografía de células sanguíneas humanas, cedida por D. Golde, UCLA. Las células en forma de dónut son células sanguíneas rojas normales, que transportan oxígeno. Los grupos mayores son células sanguíneas blancas, que se tragan microorganismos extraños.
La célula viviente es un régimen tan complejo y bello como el reino de las galaxias y de las estrellas. La exquisita maquinaria de la célula ha ido evolucionando penosamente durante más de cuatro mil millones de años. Fragmentos de alimento se metamorfosean en maquinaria celular. La célula sanguínea blanca de hoy son las espinacas con crema de ayer. ¿Cómo consigue esto la célula? En su interior hay una arquitectura laberíntico y sutil que mantiene su propia estructura, transforma moléculas, almacena energía y se prepara para copiarse a sí misma. Si pudiéramos entrar en una célula, muchas de las manchas moleculares que veríamos serían moléculas de proteína, algunas en frenética actividad, otras simplemente esperando. Las proteínas más importantes son enzimas, moléculas que controlan las reacciones químicas de la célula. Las enzimas son como los obreros de una cadena de montaje, cada una especializada en un trabajo molecular concreto: por ejemplo el Paso 4 en la construcción del nucleótido fosfato de guanosina, o el Paso 11 en el desmontaje de una molécula de azúcar para extraer energía, la moneda con que paga para conseguir que se lleven a cabo los demás trabajos celulares. Pero las enzimas no dirigen el espectáculo. Reciben sus instrucciones y de hecho ellas mismas son construidas así mediante órdenes enviadas por los que controlan. Las moléculas que mandan son los ácidos nucleicos. Viven secuestrados en una ciudad prohibida en lo más profundo de todo, en el núcleo de la célula.
Si nos sumergiéramos por un poro en el núcleo de la célula nos encontraríamos con algo parecido a una explosión en una fábrica de espaguetis: una multitud desordenada de espirales e hilos, que son los dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN, que sabe lo que hay que hacer, y el ARN, que lleva las instrucciones emanadas del ADN al resto de la célula. Ellos son lo mejor que han podido producir cuatro mil millones de años de evolución, y contienen el complemento completo de información sobre la manera de hacer que una célula, un árbol o una persona funcione. La cantidad de información en el ADN del hombre escrito en el lenguaje corriente ocuparía un centenar de volúmenes gruesos. Además de esto, las moléculas de ADN saben la manera de hacer copias idénticas de sí mismas con sólo muy raras excepciones. La cantidad de cosas que saben es extraordinaria.
El ADN es una hélice doble, con dos hilos retorcidos que parecen una escalera en espiral. La secuencia u ordenación de los nucleótidos a lo largo de cada uno de los hilos constituyentes es el lenguaje de la vida. Durante la reproducción las hélices se separan, ayudadas por una proteína especial que las destornilla, y cada cual sintetiza una copia idéntica de la otra a partir de bloques constructivos de nucleótido que flotan por allí en el líquido viscoso del núcleo de la célula. Una vez destornillada la doble hélice una enzima notable llamada polimerasa del ADN contribuye a asegurar que la copia se realiza de modo casi perfecto. Si se comete un error, hay enzimas que arrancan lo equivocado y sustituyen el nucleótido falso por el correcto. Estas enzimas son una máquina molecular con poderes asombrosos.
El ADN del núcleo, además de hacer copias exactas de sí mismo —la herencia es precisamente esto— dirige las actividades de la célula —que es precisamente el metabolismo— sintetizando otro ácido nucleico llamado ARN mensajero, el cual pasa a las provincias extranucleares y controla allí la construcción, en el momento adecuado y en el lugar adecuado, de una enzima. Cuando todo ha finalizado el resultado es la producción de una molécula única de enzima que se dedica luego a ordenar un aspecto particular de la química de la célula.
El ADN del hombre es una escalera con una longitud de mil millones de nucleótidos. Las combinaciones posibles de nucleótidos son en su mayor parte tonterías: causarían la síntesis de proteínas que no realizarían ninguna función útil. Sólo un número muy limitado de moléculas de ácido nucleico son de alguna utilidad para formas de vida tan complicadas como nosotros. Incluso así el número de maneras útiles de construir ácidos nucleicos es increíblemente elevado: probablemente muy superior al número total de electrones y de protones del universo. Por lo tanto el número de seres humanos posible es muy superior al del número de personas que hayan vivido nunca: el potencial no utilizado de la especie humana es inmenso. Ha de haber manera de construir ácidos nucleicos que funcionen mucho mejor sea cual fuere el criterio escogido que cualquier persona que haya vivido nunca. Por suerte todavía ignoramos la manera de montar secuencias distintas de nucleótidos que permitan construir tipos distintos de seres humanos. En el futuro es muy posible que estemos en disposición de montar nucleótidos siguiendo la secuencia que queramos, y de producir cualquier característica que creamos deseable: una perspectiva que nos hace pensar y nos inquieta.
La evolución funciona mediante la mutación y la selección. Se pueden producir mutaciones durante la reproducción de la molécula si la enzima polimerasa del ADN comete un error. Pero es raro que lo haga. Las mutaciones se producen también a causa de la radiactividad, de la luz ultravioleta del Sol, de los rayos cósmicos o de sustancias químicas en el medio ambiente, todo lo cual puede cambiar los nucleótidos o atar en forma de nudos a los ácidos nucleicos. Si el número de mutaciones es demasiado elevado, perdemos la herencia de cuatro mil millones de años de lenta evolución. Si es demasiado bajo, no se dispondrá de nuevas variedades para adaptarse a algún cambio futuro en el medio ambiente. La evolución de la vida exige un equilibrio más o menos preciso entre mutación y selección. Cuando este equilibrio se consigue se obtienen adaptaciones notables.
Un cambio en un único nucleótido del ADN provoca un cambio en un único aminoácido en la proteína codificada en este ADN. Las células rojas de la sangre de los pueblos de ascendencia europea tienen un aspecto más o menos globuloso. Las células rojas de la sangre de algunos pueblos de ascendencia africana tienen el aspecto de hoces o de lunas crecientes. Las células en hoz transportan menos oxígeno y por lo tanto transmiten un tipo de anemia. También proporcionan una fuerte resistencia contra la malaria. No hay duda que es mejor estar anémico que muerto. Esta influencia importante sobre la función de la sangre tan notable que se aprecia claramente en fotografías de células sanguíneas rojas es la consecuencia de un cambio en un único nucleótido entre los diez mil millones existentes en el ADN de una célula humana típica. Todavía ignoramos las consecuencias de la mayoría de los cambios en los demás nucleótidos.
Microfotografías de barrido electrónico con aumentos cada vez mayores de células sanguíneas humanas. La mayoría de las células del cuadro superior son células sanguíneas rojas. La célula que va saliendo en primer plano y que ocupa la foto de abajo es un linfocito B. Mide aproximadamente una diezmilésima parte de centímetro. (Cedidas por Jean-Paul Revel, Instituto de Tecnología de California).
Las personas tenemos un aspecto bastante diferente al de un árbol. No hay duda que percibimos el mundo de modo diferente a como lo hace un árbol. Pero en el fondo de todo, en el núcleo molecular de la vida, los árboles y nosotros somos esencialmente idénticos. Ellos y nosotros utilizamos los ácidos nucleicos para la herencia; utilizamos las proteínas como enzimas para controlar la química de nuestras células. Y lo más significativo es que ambos utilizamos precisamente el mismo libro de código para traducir la información de ácido nucleico en información de proteína, como hacen prácticamente todos los demás seres de este planeta.[5] La explicación usual de esta unidad molecular es que todos nosotros árboles y personas, pájaros, sapos, mohos y paramecios descendemos de un ejemplar único y común en el origen de la vida, en la historia primitiva de nuestro planeta. ¿Cómo nacieron pues las moléculas críticas?
En mi laboratorio de la Universidad de Cornell trabajamos entre otras cosas en la química orgánica prebiológica, tocando algunas notas de la música de la vida. Mezclamos y sometemos a chispas los gases de la Tierra primitiva: hidrógeno, agua, amoníaco, metano, sulfuro de hidrógeno, todos los cuales por otra parte están presentes actualmente en el planeta Júpiter y por todo el Cosmos. Las chispas corresponden a los relámpagos, presentes también en la Tierra antigua y en el actual Júpiter. El vaso de reacción es al principio transparente: los gases precursores son totalmente invisibles. Pero al cabo de diez minutos de chispas, vemos aparecer un extraño pigmento marrón que desciende lentamente por los costados del vaso. El interior se hace paulatinamente opaco, y se cubre con un espeso alquitrán marrón. Si hubiésemos utilizado luz ultravioleta simulando el Sol primitivo los resultados hubiesen sido más o menos los mismos. El alquitrán es una colección muy rica de moléculas orgánicas complejas, incluyendo a las partes constitutivas de proteínas y ácidos nucleicos. Resulta pues que la sustancia de la vida es muy fácil de fabricar.
Síntesis de materia orgánica en el Laboratorio de Estudios Planetarios de la Universidad de Cornell. Primeras chispas eléctricas en una mezcla transparente de los gases metano, amoniaco, sulfuro de hidrógeno y agua en un frasco de cristal (izquierda). Al cabo de unas pocas horas de chispas, el interior del frasco queda recubierto (derecha) por una rica variedad de moléculas orgánicas de importancia para el origen de la vida. (Cedidas por Bishun Khare).
Estos experimentos los llevó a cabo por primera vez a principios de los años 1950 Stanley Miller, un doctorado del químico Harold Urey. Urey sostenía de modo convincente que la atmósfera primitiva de la Tierra era rica en hidrógeno, como en la mayor parte del Cosmos; que luego el hidrógeno ha ido escapando al espacio desde la Tierra, pero no desde Júpiter, cuya masa es grande; y que el origen de la vida se produjo antes de perder el hidrógeno. Cuando Urey sugirió someter estos gases a chispas eléctricas, alguien le preguntó qué esperaba obtener con el experimento. Urey contestó: Beilstein. Beilstein es el voluminoso compendio en 28 tomos con la lista de todas las moléculas orgánicas conocidas por los químicos.
Si utilizamos los gases más abundantes que había en la Tierra primitiva y casi cualquier fuente de energía que rompa los enlaces químicos, podemos producir los bloques constructivos esenciales de la vida. Pero en nuestro vaso reactivo hay solamente las notas de la música de la vida: no la música en sí. Hay que disponer los bloques constructivos moleculares en la secuencia correcta. La vida es desde luego algo más que aminoácidos fabricando sus proteínas, y nucleótidos fabricando sus ácidos nucleicos. Pero el hecho mismo de ordenar estos bloques constructivos en moléculas de cadena larga ha supuesto un progreso sustancial de laboratorio. Se han reunido aminoácidos en las condiciones de la Tierra primitiva formando moléculas que parecen proteínas. Algunas de ellas controlan débilmente reacciones químicas útiles, como hacen las enzimas. Se han reunido nucleótidos formando filamentos de ácido nucleico de unas cuantas docenas de unidades de largo. Si las circunstancias en el tubo de ensayo son correctas, estos ácidos nucleicos cortos pueden sintetizar copias idénticas de sí mismos.
Hasta ahora nadie ha mezclado los gases y las aguas de la Tierra primitiva y ha conseguido que al finalizar el experimento saliera algo arrastrándose del tubo de ensayo. Las cosas vivas más pequeñas que se conocen, los viroides, se componen de menos de 10.000 átomos. Provocan varias enfermedades diferentes en las plantas cultivadas y es probable que hayan evolucionado muy recientemente de organismos más complejos y no de otros más simples. Resulta difícil, de hecho, imaginar un organismo todavía más simple que este y que esté de algún modo vivo. Los viroides se componen exclusivamente de ácido nucleico, al contrario de los virus, que tienen también un recubrimiento de proteínas. No son más que un simple filamento de ARN con una geometría o bien lineal o bien circular y cerrada. Los viroides pueden ser tan pequeños y prosperar a pesar de ello porque son parásitos que se meten en todo y no paran. Al igual que los virus, se limitan a apoderarse de la maquinaria molecular de una célula mucho mayor y que funciona bien y a transformar esta fábrica de producir más células en una fábrica de producir más viroides.