Por Joe W. Francis
Toda criatura viviente está hecha de unidades
sorprendentemente pequeñas y complejas llamadas células. Las células, vistas
bajo el microscopio parecen no hacer mucho; sin embargo, están llenas de
máquinas diminutas involucradas en reacciones tremendamente complejas. La
mayoría de los procesos vitales son tan minúsculos y transparentes que no
podemos verlos en acción ni con microscopio. Pero la química biológica está
trabajando constantemente en las células vivas. Los típicos libros de texto
sobre bioquímica de nivel universitario contienen más de mil páginas y
describen entre cientos y miles de reacciones complejas que ocurren
simultáneamente dentro de estos diminutos paquetes biológicos que llamamos
células.
A pesar de esta inmensa complejidad, las células
vivas están formadas principalmente por cuatro elementos: carbón, hidrógeno,
oxígeno y nitrógeno. Dos de ellos, el hidrógeno y el oxígeno, están unidos y
forman agua, la molécula más abundante en los organismos vivos. La molécula de
oxígeno misma juega un papel importantísimo en la regeneración de energía
dentro de la célula. Además, todas las criaturas vivientes necesitan una fuente
de energía. En la mayoría de los ecosistemas, la energía proviene en última
instancia de la luz. Por ejemplo, toda la energía de los alimentos que
consumimos puede ser rastreada hasta la energía luminosa capturada por células.
Entonces, no es extraño que el oxígeno, el agua y la luz sean tan abundantes en
la tierra. Los organismos vivos están expuestos continuamente a estos elementos
tan importantes para la vida. Los investigadores del origen de la vida, que
tratan de determinar cómo empezó ésta por medios naturales, deben incorporar el
agua, el oxígeno y la luz a sus fórmulas del inicio de la vida. Sin embargo, es
muy curioso que estos tres elementos sean dañinos para la vida. De hecho, las
células vivas pelean momento a momento y día tras día una batalla contra la
toxicidad del oxígeno, el agua y la luz. Examinemos la toxicidad de cada uno de
estos elementos.
El oxígeno interactúa con muchos átomos y
moléculas. Esto resulta evidente en las estructuras metálicas que nos rodean,
las cuales tienden a oxidarse o aherrumbrarse con el tiempo. Si el contenido de
oxígeno de nuestra atmósfera fuera un poco más alto que el actual 21 por
ciento, el peligro de incendios forestales devastadores y de una atmósfera
inestable y explosiva disminuiría significativamente las posibilidades de la
proliferación de la vida en el planeta. Los efectos tóxicos de un nivel elevado
de oxígeno pueden observarse directamente en los pulmones dañados de pacientes
humanos que hayan recibido oxígeno por razones terapéuticas.
El oxígeno es tóxico para los organismos vivos
porque cuando interactúa con las células, la molécula de oxígeno misma se
descompone en derivados tóxicos. Estos derivados interactúan con las moléculas
esenciales de las células y las modifican. Consecuentemente, debido a que
vivimos en un ambiente oxigenado, nuestras células y su contenido siempre están
siendo amenazadas por los derivados tóxicos del oxígeno. Si no se neutralizara
constantemente esta amenaza, la vida dejaría de existir. Las células producen
una gran variedad de enzimas, incluyendo una muy importante llamada superóxido
dismutasa (SOD), que atrapa y desactiva el superóxido, la especie dominante de
oxígeno tóxico. La SOD se encuentra dentro de la célula, fuera de ella y en sus
membranas. Las células de nuestro cuerpo están literalmente rodeadas de SOD. De
hecho, la concentración de SOD en el ambiente celular puede ser 100,000 veces
mayor que la concentración de superóxido.
Debido a que el oxígeno apareció muy temprano en el
desarrollo de la vida, la SOD o un mecanismo de protección similar tendría que
haber aparecido en una fase temprana de la evolución. Esto representa varios
problemas. Uno es que sería necesario que la SOD atrapara específicamente el
superóxido, pero no el oxígeno. El superóxido y el oxígeno son muy similares en
tamaño y forma y si la SOD reaccionara con el oxígeno y evitara su entrada a la
célula, la vida quedaría amenazada. Las células poseen también encimas
esenciales especializadas en unirse al oxígeno. Es fascinante que las enzimas
que atrapan el oxígeno se parezcan a las que atrapan el superóxido en que
utilizan el mismo tipo de átomos de metal para atraer y atrapar el oxígeno.
Entonces parece que en una etapa muy temprana de la evolución de la vida
aparecieron simultáneamente dos encimas complejas que permiten a las células
tomar oxígeno a la vez que las protegen de los efectos dañinos del oxígeno
tóxico.
Muchos escenarios del origen de la vida excluyen el
oxígeno molecular debido a su reactividad y toxicidad. Sin embargo, el oxígeno
atmosférico juega un papel muy importante en la filtración de los dañinos rayos
ultravioleta (UV) del sol. En la atmósfera de nuestros días, que contiene
oxígeno, una parte de la luz UV sí llega a la tierra y daña a los seres vivos.
A la larga, la luz UV altera el DNA de las células causando mutaciones, cáncer
o muerte celular. De hecho, es muy probable que el DNA de nuestras células
resulte dañado con cada exposición a la luz solar. Se estima que el DNA de cada
célula de los animales de sangre caliente puede sufrir más de 10,000
alteraciones al día. Sin embargo, rara vez notamos el daño porque nuestras
células poseen elaborados mecanismos de reparación del DNA que pueden revertir
los daños ocasionados por la luz UV y otros agentes. En los humanos hay más de
100 genes involucrados en la reparación del DNA. De hecho, todos los
organismos, incluyendo a las bacterias, poseen complejos mecanismos de
reparación del DNA dañado por la luz. Muchos organismos poseen hasta cuatro
tipos diferentes. En las bacterias, hay un mecanismo de reparación de respaldo
llamado SOS que se activa si la célula se ve agobiada por daños a su DNA. Estos
mecanismos son complejos e involucran muchas partes para lograr su objetivo.
Veamos cómo se consigue la restauración del DNA dañado por la luz UV.
El DNA es una molécula con forma de fibra trenzada
doble. Generalmente la luz UV hace que la doble trenza se pegue en algún punto.
Los mecanismos de reparación reconocen el punto donde las trenzas están
pegadas, lo cortan, y vuelven a sintetizar lo perdido. Para ello se requieren
por lo menos una encima que reconozca el punto pegado, otra que haga el corte y
una más que resintetice y selle. En algunos organismos, una sola enzima llamada
fotoliasa puede reparar los daños producidos por la luz UV, pero necesita la
ayuda de dos moléculas cofactoriales complejas y, sorprendentemente, debe ser
expuesta a luz de una longitud de onda específica para poder funcionar. No sólo
en la totalidad de las células podemos encontrar elaborados mecanismos de
reparación. En las plantas, las algas y algunas bacterias existen complejos
sistemas que interactúan intencionalmente y muy específicamente con la luz.
Estos sistemas fotosintéticos proporcionan carbón y oxígeno a la mayoría de los
seres vivos de la tierra.
La cianobacteria, una bacteria fotosintética que se
encuentra en los océanos, podría ser responsable de movilizar aproximadamente
el 50 por ciento del carbón que necesitan todos los seres vivos de la tierra.
Curiosamente, la maquinaria fotosintética de estas bacterias puede sufrir
quemaduras por el sol. Algunas de sus proteínas se queman a tal grado que dejan
de funcionar. Sin embargo, los investigadores han descubierto en el océano un
virus que infecta a las bacterias y repara los defectos. La existencia de
mecanismos de reparación tan elegantes y esenciales que contrarrestan los
efectos tóxicos de la luz y el oxígeno enfatiza el hecho de que los mecanismos
de reparación tendrían que haber existido desde las etapas tempranas de la
evolución de la vida. Además, como la fotosíntesis produce oxígeno, las células
tendrían que poseer mecanismos de protección contra el oxígeno antes del
advenimiento de la fotosíntesis.
Las células no sólo deben poseer mecanismos de
protección y reparación para evitar los daños producidos por la luz y el
oxígeno, también deben estar diseñadas para manejar los efectos perjudiciales
del agua. Las moléculas de agua poseen muchas características únicas que apoyan
la vida. Sin embargo, a nivel celular y molecular, el agua tiene una fuerza
tremendamente destructiva. Puede desbaratar las moléculas mediante un proceso
llamado hidrólisis. Durante la hidrólisis, las moléculas de agua fuerzan su
entrada a los espacios existentes entre los átomos o entre moléculas que se
están dividiendo, evitando así la formación de estructuras moleculares más
grandes, como las proteínas. De hecho, para que las células sinteticen las
proteínas es necesario eliminar el agua, es decir ocasionar una reacción de
deshidratación. ¿Cómo ocurre esta deshidratación en el ambiente acuoso de una
célula? El interior de las células es muy espeso debido a la abundancia de
moléculas, proteínas y encimas que ayudan a la formación de una proteína. No se
ha postulado la existencia de tal ambiente y mecanismos de eliminación de agua
o provisión de catalizadores de enzimas durante la síntesis de las proteínas en
el diluido ambiente acuoso de la tierra primitiva. De hecho, este problema ha
llevado a los investigadores del origen de la vida a concluir que las proteínas
y otros polímeros grandes (moléculas con forma de cadena) se construyeron en
ambientes secos como el barro o la arena.
El agua también destruye las células por medio de
hinchamiento incontrolado. Esto puede observarse fácilmente en glóbulos rojos
puestos en agua: las células se hinchan y revientan rápidamente. La razón es la
difusión, un proceso donde el agua busca lugares con bajo contenido de la
misma. Como hemos señalado, el interior de la célula típica tiene bajo
contenido de agua, comparado con sus alrededores. Por ello, todas las células
del planeta enfrentan una continua batalla contra la entrada de agua.
Las células poseen varios mecanismos para manejar
el continuo flujo de agua hacia su interior. Las células de plantas y
bacterias, por ejemplo, poseen rígidas paredes que resisten el hinchamiento y
rompimiento. Dichas paredes pueden ser bastante elaboradas. En el caso de las
bacterias, son estructuras a manera de colchas formadas con mucha precisión por
cadenas de proteínas y azúcar. Las células animales no poseen paredes rígidas,
pero a cambio bombean sodio constantemente hacia el exterior para contrarrestar
el movimiento del agua hacia su interior. La bomba es una fascinante estructura
proteínica llamada bomba de sodio y potasio que despide tres iones de sodio a
cambio de dos iones de potasio. La membrana celular contiene miles de estas
bombas que trabajan incesablemente para conservar el volumen de la célula a
pesar de la fuerza apabullante del agua, consumiendo hasta un tercio de la
energía de la célula. Sin embargo, la bomba está diseñada para trabajar en un
ambiente que contenga sodio y potasio en ciertas concentraciones, por ejemplo,
en el cuerpo humano. Saque una de estas células de su ambiente salado y acuoso,
póngala en agua y la bomba no podrá evitar que la célula reviente. ¿Cómo
sobreviven entonces los organismos unicelulares que viven en agua dulce?
Organismos unicelulares de estanque como el
paramecio utilizan una estructura llamada vacuola retráctil parecida a una
bolsa grande que recoge y excreta continuamente el exceso de agua. El agua
entra a la vacúola porque el paramecio bombea sales activamente hacia el
interior de la vacúola utilizando proteínas similares a la bomba de sodio y
potasio. Entonces, parece que el paramecio y otros organismos unicelulares de
estanque resisten el hinchamiento y no revientan debido a que poseen bombas
proteínicas y vacúolas retráctiles.
Podríamos argumentar que con tiempo suficiente
podría desarrollarse por evolución uno de estos mecanismos de protección, pero
la evolución simultánea de varios mecanismos complejos necesarios para proteger
a las células de los mismos elementos básicos que necesitan para vivir (es
decir, agua, oxígeno y luz), ciertamente complica el problema del origen de la
vida. Por otro lado, ¿cómo encaja esta observación en las teorías de la
creación y el diseño? La necesidad de que existan simultáneamente varios
mecanismos de protección complejos para que la vida pueda tener lugar
ciertamente coincide con una creación diseñada, premeditada y construida en
poco tiempo. Sin embargo, uno se preguntaría ¿por qué un creador o diseñador
utilizaría agentes tóxicos? La toxicidad podría considerarse como un derivado
de la reactividad química. La reactividad es necesaria en un mundo donde las
cosas están diseñadas para moverse e interactuar. Además, aun los agentes más
benignos pueden ser tóxicos en ciertas circunstancias. Lo sabemos por la
experiencia diaria. Por ejemplo, muchos alimentos benéficos y necesarios pueden
ser dañinos si se ingieren en cantidades excesivas. También sabemos que
sustancias químicas potencialmente tóxicas y destructivas pueden aportar
tremendos beneficios si se utilizan dentro de ciertos parámetros. Por
ejemplo, el combustible de un motor es una tecnología maravillosa que
mejora la vida; sin embargo, colocado en una parte equivocada del motor puede
conducir al desastre y la destrucción.
En conclusión, el agua, el oxígeno y la luz, tres
de los requisitos básicos para la vida pueden ser extremadamente tóxicos para
los seres vivos. Sin embargo, los organismos poseen complejos mecanismos de
protección dentro de cada célula que parecen haber resguardado la vida desde el
momento mismo de su aparición en la tierra.
Published August 10, 2006
