Inteligencia y Libertad |
Francisco Capella |
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VIDA |
Inteligencia y CienciaVidaAutopoyesisUn sistema autopoyético es una unidad autónoma que se produce continuamente a sí misma, diferenciándose del entorno por su propia dinámica de constante regeneración. Un sistema autopoyético es una red de mecanismos y procesos de producción (metabolismo, creación, transformación y destrucción) de componentes que regeneran continuamente la estructura que los ha producido, y la configuran como una unidad concreta en el espacio en el cual los componentes existen, especificando el dominio de su realización. Un sistema autopoyético es mecanicista, plástico y determinado por su estructura. Es un sistema dinámico, que mantiene su organización y define sus fronteras mediante la producción continua de sus componentes. Puede existir en cualquier dominio, concreto o abstracto, en el que existan sus unidades y componentes. Si la autopoyesis se interrumpe, el sistema deja de funcionar adecuadamente, pierde su unidad, se desintegra y muere, cesan irreversiblemente sus procesos vitales. La supervivencia de un sistema autopoyético está determinada por sus interacciones con el medio ambiente en el cual vive. El sistema sobrevive si y sólo si su estructura le permite ofrecer respuestas adecuadas a las perturbaciones externas. El sistema se acopla estructuralmente al medio al evolucionar, al cambiar su estructura de modo que sus actividades se adapten con éxito al medio. Las estructuras y las funciones de los sistemas vivos están estrechamente relacionadas. El funcionamiento de un sistema autopoyético está dado por conjuntos de reglas fijas de bajo nivel que pueden ser aplicadas de formas diferentes siguiendo estrategias flexibles de alto nivel. Las reglas describen las propiedades invariantes del sistema y están dadas por su estructura y composición. La estrategia está guiada por las contingencias del ambiente. Un sistema vivo es un sistema autopoyético que existe en un dominio físico. Un ser vivo u organismo biológico es una colección de componentes que forman una unidad estructural que puede vivir o morir. Esta sencilla propiedad conduce a los complejos fenómenos de la vida. El funcionamiento de un organismo como sistema autopoyético mecanicista, plástico y determinado por su estructura, con su potencial de supervivencia o desintegración, conduce a la adaptación y a la evolución mediante la selección natural. Los procesos biológicos (sistemas físicos deterministas que operan en un dominio estructural mediante mecanismos causales, nivel básico) dan lugar a fenómenos de conocimiento y lenguaje (dominios cognitivo y consensual, niveles más altos). VidaLa vida es un fenómeno complejo con varias cualidades esenciales. Un organismo vivo es un sistema complejo, autoorganizado, limitado y abierto, que funciona como una unidad mediante un sistema metabólico, puede mantenerse, regenerarse y reproducirse, y responde a estímulos procesando información mediante un programa flexible y adaptativo. La vida es un proceso de autoorganización de ciertos tipos de materia en determinadas condiciones. Un sistema vivo opera mediante principios físicos, químicos y termodinámicos esenciales comunes al mundo inorgánico. Para explicar la vida en todos sus aspectos (vegetativos, sensitivos, cognitivos, racionales, teleológicos) no hace falta recurrir a fuerzas vitales inexistentes, milagros inexplicables o sustancias misteriosas extrañas a la materia inerte. El vitalismo, la teoría de que la materia viva se basa en principios distintos a la materia inorgánica, es un grave error anticientífico. La vida no es mágica ni mística sino algo completamente natural y material. La materia componente de los seres vivos es igual que la materia de las entidades inanimadas, y sigue las mismas leyes básicas de comportamiento. Las mismas fuerzas físicas actúan sobre la materia inerte y sobre la materia viva. La vida surge de la materia inorgánica mediante cambios y combinaciones adecuados. La vida es reproducción, autopoyesis, regeneración y desarrollo constante. Un sistema vivo continuamente refuerza y reemplaza los componentes que se degradan, recreándose a sí mismo mediante su propia actividad. Los sistemas de regeneración sirven para crecer, expandirse y reproducirse, supliendo así la muerte de algunos individuos con la aparición de otros nuevos semejantes. La vida tiende a ocupar todos los ambientes propicios. Una descendencia exitosa se consigue cuando se copia el organismo entero, incluyendo el aparato de replicación o subsistema reproductor. Algunas cosas no vivas, como los cristales o las llamas, también se reproducen. Los virus son incapaces de multiplicarse por sí mismos, contienen información genética encapsulada pero no poseen un metabolismo propio, necesitan parasitar células y hacerse con el control de sus mecanismos reproductores. Algunos seres vivos son estériles, pero si la esterilidad tiene causa genética obviamente no se propaga. Un sistema autorreproductor es como un catalizador que facilita la reacción química que lo produce a él mismo utilizando unidades más básicas, un molde o modelo para organizar sus componentes y así hacer copias positivas (si cada componente tiene afinidad por aquellos de su propio tipo) o negativas (cada clase de componentes tiene afinidad recíproca por otra clase determinada). Si algo no está creciendo y expandiéndose (o al menos intentándolo) probablemente es que está muerto o está muriéndose. En condiciones adecuadas la biomasa tiende a crecer. Los organismos vivos son autómatas capaces de producir otros autómatas capaces de producir otros autómatas… La vida actúa, hace cosas, no está en equilibrio termodinámico, sino que requiere y utiliza energía para su metabolismo, el sistema complejo de reacciones que procesan sustancias químicas. Las diversas reacciones químicas, controladas por enzimas específicos, ensamblan componentes, almacenan y liberan energía, transmiten señales y producen movimiento (microscópico y macroscópico). Algunos microorganismos son capaces de suspender su metabolismo y quedar en estado latente durante largos periodos de tiempo, especialmente si las condiciones son adversas: desactivan o reducen sus funciones vitales pero no están muertos, ya que se reactivan cuando las condiciones ambientales vuelven a ser adecuadas. Muchos seres vivos adaptan su metabolismo a diversos ciclos ambientales (diurnos, lunares, anuales). Las reacciones metabólicas características de la vida producen pérdidas termodinámicas que deben compensarse con inyecciones de materiales y energía. La vida implica algún tipo de movimiento, microscópico o macroscópico, en presencia de estímulos. La materia inorgánica también se mueve (lluvia, viento, fuego, movimiento planetario, moléculas de un gas), pero el movimiento de los organismos vivos es funcional, contribuye a su supervivencia (buscar alimento, huir de un depredador). Los sistemas vivos son abiertos, necesitan incorporar y asimilar materiales y energía del exterior. La vida requiere algún tipo de nutrición, un intercambio continuo de materia y energía. Todos los seres vivos se alimentan de algo, de materia y energía inorgánicas (autótrofos, generan su propio alimento: quimiótrofos si utilizan energía procedente de reacciones químicas o fotótrofos si utilizan la energía de la luz) o de otros seres vivos o materiales orgánicos (heterótrofos), y todos los seres vivos producen residuos, desechan algo (que puede ser aprovechado por otros organismos con el metabolismo adecuado). Los animales comen otros seres vivos (plantas u otros animales) y las plantas fotosintetizan sus propios alimentos a partir de energía luminosa y materia inorgánica. Un organismo completamente aislado morirá con el tiempo. Los organismos pueden reciclar algunos de sus propios componentes, pero deben recibir del exterior energía útil para vencer la tendencia al incremento de entropía, y deben incorporar materiales para recomponer daños, crecer y reproducirse. La fuente de energía puede ser cualquiera con tal de que sea aprovechable: radiación procedente de una estrella, energía liberada en reacciones químicas, gradientes de calor procedentes del interior del planeta. La mayor fuente de energía en la biosfera terrestre es el Sol, aunque también se aprovechan otras fuentes como el calor interno de la Tierra (procedente de desintegraciones radiactivas). Los seres vivos no son los únicos sistemas abiertos de la naturaleza: muchos fenómenos físicos, como los meteorológicos, se basan en intercambios de materia y energía. La vida está organizada en unidades compartimentadas, organismos celulares que se distinguen y separan de lo que no es ellos mismos. Las células vivas se confinan y aíslan mediante membranas u otras separaciones que permiten que los ingredientes del sistema no se mezclen de forma aleatoria ni resulten perjudicados por otros elementos externos. Las diversas barreras en los organismos (tanto internas como frente al exterior) determinan su configuración, su disposición interior, y permiten el control de las concentraciones relativas de sus múltiples componentes. Las barreras internas permiten modularidad y especialización, impidiendo que se mezclen enormes cantidades de reacciones metabólicas eficientes que dependen de catalizadores enzimáticos altamente específicos. Los organismos multicelulares más grandes se dividen en subsistemas y órganos especializados en diversas funciones vitales. Los seres vivos son sistemas complejos y heterogéneos, con grandes cantidades de componentes de diversos tipos con múltiples relaciones entre ellos, lo cual hace que sean impredecibles en detalle. Los seres vivos no son los únicos sistemas complejos de la naturaleza, existen sistemas físicos caóticos, impredecibles por su complejidad y su sensibilidad a las condiciones iniciales, como las atmósferas planetarias. La vida es complejidad organizada: los componentes deben cooperar mutuamente o el organismo deja de funcionar como un todo coherente. La célula dispone de unidades especializadas, coordinadas mediante múltiples mecanismos de control, que funcionan como máquinas procesadoras de materiales y energía, de modo que las moléculas no reaccionan al azar. Los subsistemas de un organismo multicelular necesitan estar coordinados y dependen unos de otros. En los organismos más avanzados y complejos el sistema nervioso se encarga de la coordinación. La información es fundamental para todo ser vivo. Todas las formas conocidas de vida utilizan algún tipo de programa o plan organizado que describe y determina sus ingredientes. En la vida terrestre la base del programa es el ADN de los genes que codifican los compuestos químicos (proteínas y péptidos) responsables del metabolismo celular. Programas informáticos y materiales físicos están estrechamente relacionados: los ácidos nucleicos codifican mediante el código genético la producción de proteínas, las cuales a su vez son responsables de la interpretación y replicación de los ácidos nucleicos. La vida es tecnología química de procesamiento de información. Cualquier sistema físico incorpora mucha información, como las posiciones y velocidades de sus partículas, pero es información inerte. La información de la vida debe ser significativa, relevante para el sistema en su contexto, utilizable. El procesamiento adecuado de las señales del entorno asegura una respuesta apropiada a los cambios ambientales. Los seres vivos son creativos, con capaces de cambiar, de innovar, de modo que pueden adaptarse a un entorno mayor que ellos y sobre el cual normalmente tienen poca capacidad de control. La vida improvisa para sobrevivir mediante la mutación y la selección natural que permiten la optimización de los programas de control. La adaptabilidad ocurre a nivel de especie (alterando el genoma, el programa fundamental) y a nivel de individuo, mediante la plasticidad del comportamiento que permite el aprendizaje a lo largo de la vida de un individuo. La vida es ser y devenir, está en la transición entre la permanencia y el cambio, entre la constancia y la variación, en el umbral entre la estabilidad inerte y el caos informe. El metabolismo y la acción implican cambios, pero no tan intensos como para que se pierda la unidad coherente del organismo. Si la reproducción fuera siempre exacta la evolución mediante selección natural no sería posible y la vida no tendría toda su riqueza y variedad. La vida ocurre en la tensión creativa de exigencias en conflicto. Los mecanismos existentes de la vida se han desarrollado a lo largo de miles de millones de años de evolución, no son perfectos y tal vez puedan cambiar y mejorar. La vida es un fenómeno emergente que surge cuando la diversidad molecular de un sistema químico prebiótico aumenta hasta superar un umbral de complejidad tal que el sistema se convierte en autocatalítico. El incremento de complejidad puede ser progresivo y gradual, pero la aparición de la autocatálisis supone un cambio drástico y esencial, ya que implica mantenimiento y reproducción. No existe una molécula viva, sino sistemas colectivos de procesos químicos entre conjuntos de moléculas que, considerados colectivamente, pueden considerarse vivos. La vida está caracterizada por su organización peculiar y compleja. Los seres vivos son máquinas naturales autónomas muy complicadas, surgidas de forma espontánea, no diseñadas por una mente con un propósito, sino configuradas mediante la selección natural. Su conducta a alto nivel tiene aspectos reactivos, respuestas inmediatas a estímulos del entorno, y aspectos proactivos, actividades inmanentes, que brotan del organismo debido al constante funcionamiento de sus mecanismos internos. Estrategias de vidaLos seres vivos no son ejemplares completamente únicos, totalmente diferentes unos de otros, sino que forman especies o clases de individuos semejantes. Los mismos mecanismos que originan un ser vivo pueden producir otros similares, dando origen a una especie. La esencia de la vida es reproducirse y originar otros organismos semejantes. La ontogenia estudia la historia del individuo, y la filogenia estudia la historia de la especie. La ecología estudia los ecosistemas, sistemas complejos en los que coexisten diversas especies interdependientes en un mismo entorno. Los seres vivos individuales no tienen un tiempo de vida ilimitado, no son eternos: comienzan a existir al nacer, se desarrollan y dejan de existir al morir. Cada ser vivo tiene una capacidad de mantenerse que le permite sobrevivir durante un tiempo finito (en condiciones adecuadas algunos organismos simples parecen capaces de sobrevivir indefinidamente). Si de forma regular surgen nuevos individuos de una especie, ésta sobrevive mediante la renovación de su población. Las especies no son ni eternas ni inmutables. Las especies pueden surgir, cambiar y desaparecer, extinguirse cuando no quedan miembros. Una cosa es buena (positiva) para un individuo si contribuye a su mantenimiento y desarrollo, y mala (negativa) en caso contrario. Una cosa es buena (positiva) para una especie si contribuye a mantener o aumentar la calidad y cantidad de su población, y mala (negativa) en caso contrario. La supervivencia de individuos y especies se basa en los procesos fundamentales de mantenimiento y reproducción. La capacidad de mantenimiento permite que el individuo sobreviva. Las capacidades de mantenimiento y reproducción de sus individuos permiten que la especie sobreviva. Si un individuo de una clase no puede mantenerse vivo indefinidamente, la especie sólo sobrevive si sus miembros pueden hacer copias de sí mismos, producir más elementos de la especie, antes de desaparecer. La supervivencia de la especie implica que algunas instancias individuales sobrevivan. Las relaciones entre la supervivencia individual y la supervivencia de la especie son muy complejas. Algunas formas de cooperación pueden ser beneficiosas para todos los individuos, y por lo tanto también para la especie. Puede ser peligroso para la especie que numerosos individuos se mantengan constantemente a expensas de otros de forma parasitaria. La reproducción supone una carga adicional para el progenitor, ya que además de mantenerse a sí mismo debe producir y mantener a sus vástagos hasta que éstos sean capaces de valerse por sí mismos. Cada especie debe alcanzar un compromiso adecuado para su supervivencia entre las actividades individuales de mantenimiento y reproducción. Una especie con alta actividad reproductora (prolífica) no necesita una capacidad de mantenimiento alta. Una especie cuya capacidad de mantenimiento es alta no necesita una gran actividad reproductora. La estrategia reproductiva de una especie depende del entorno y de las oportunidades y riesgos de sus nichos ecológicos: las diversas especies vivas alcanzan compromisos distintos entre la tasa de reproducción y el propio mantenimiento, desarrollo y duración de la vida del organismo. Algunos organismos tienen vidas cortas y se reproducen deprisa y prolíficamente, no tienen tiempo de hacerse grandes e inteligentes, hacen muchas copias y no se ocupan mucho de ellas, gastando pocos recursos en cada una. Otros organismos de vidas largas se reproducen tarde en su desarrollo biológico y son menos prolíficos, cuidan mucho a sus crías, la producción de un individuo consume muchos recursos. Conviene ser muy prolífico cuando los recursos abundan y el riesgo procede de depredadores, y limitar la reproducción cuando los recursos escasean. Las especies son más prolíficas cuanto más abajo se encuentren en la cadena alimenticia. La población de una especie depende de las características de sus elementos. Aumenta al mejorar la capacidad de mantenimiento en el medio (cómo interacciona con otras entidades, capacidad de ataque y defensa, eficiencia en la obtención y asimilación de recursos) y la fecundidad o capacidad de reproducción (cantidad, rapidez, fidelidad de la copia). Los miembros de una especie no son idénticos. Los sistemas vivos más aptos, los mejor adaptados, los más eficientes, con más éxito, más resistentes y estables, aquellos cuyos rasgos son más adecuados al medio, sobreviven más tiempo y tienen más oportunidades de reproducirse y transmitir sus características. La población de una especie aumenta cuando nacen nuevos miembros, y disminuye cuando mueren miembros existentes. La población es estable cuando la tasa de nacimientos iguala a la tasa de muertes (tasa de reemplazo). La población crece cuando la tasa de nacimientos supera la tasa de muertes. La población decrece cuando la tasa de nacimientos es menor que la tasa de muertes. Si no existieran limitaciones externas, la población de una especie de seres vivos crecería exponencialmente, ya que la cantidad de nuevos elementos producidos es proporcional a la cantidad de elementos existentes. Pero debido a múltiples circunstancias no todos los organismos sobreviven para conseguir reproducirse. Una población estable en largos períodos de tiempo puede conseguirse mediante una sobreproducción de vástagos que sea equilibrada por la muerte de algunos antes de reproducirse: en una generación se producen más vástagos que los que se reproducirán en la siguiente. Mediante los procesos de mantenimiento, un sistema vivo manipula elementos ajenos y los asimila para conservarse y desarrollarse. Cuanto más complejo y activo sea un sistema, más necesidad tiene de automantenimiento, ya que toda su actividad consume recursos, tiende a degenerar espontáneamente si se aísla y no actúa, y puede sufrir agresiones destructivas del medio. Los seres vivos tienen mecanismos de autorregulación (homeostasis) para el mantenimiento de una relativa constancia de su estado interno frente a cambios en el entorno. Mediante la reproducción, un ser vivo produce una copia de sí mismo, un hijo. La reproducción sexuada requiere la participación de dos individuos para producir un hijo. La copia tiene una cierta fidelidad, no tiene que ser absolutamente exacta, sino mantener los rasgos fundamentales del progenitor. Cuanto más complejo sea un sistema, más difícil es conseguir una copia exacta. Si la copia es fiel, el hijo hereda las características del progenitor y perpetúa la especie. En la reproducción asexual, el material genético del progenitor y del hijo es idéntico salvo por mutaciones. La reproducción sexual no necesita de mutaciones para producir cambios novedosos, ya que el material genético de los progenitores se mezcla de forma aleatoria y esto origina nuevas combinaciones de características. Una mutación es un error o variación en la producción de la copia, o un cambio estructural en un individuo que no tiene efecto directo sobre su estado de autopoyesis, pero que interviene en su reproducción, transmitiendo un cambio a su futura prole, alguna característica fundamental diferente de las que él recibió. Algunas mutaciones especialmente relevantes o acumulaciones de las mismas pueden originar una nueva especie. Para que una especie sobreviva, es necesario que la reproducción cree individuos esencialmente similares a sus progenitores. Si la reproducción no es suficientemente fiel, la especie no se mantiene a sí misma sino que origina nuevas especies y se extingue. Si la reproducción es completamente fiel, la especie no puede evolucionar, y sus características pueden ser inadecuadas en un entorno cambiante. Cierta cantidad de cambio en la reproducción es beneficiosa para poder adaptarse a los cambios del medio y sobrevivir. Un organismo vivo es un sistema abierto que depende de forma fundamental de su entorno para su desarrollo y supervivencia. El entorno puede facilitar o dificultar la vida. Este entorno incluye materia inorgánica y otros seres vivos de la misma especie y de otras especies diferentes. La supervivencia de un ser vivo en un entorno depende de las características del entorno y de las capacidades del ser vivo de aprovechar las oportunidades y eludir los peligros. Las oportunidades y las amenazas pueden proceder del mundo inorgánico o de otros seres vivos. La actividad de los seres vivos puede modificar el entorno de forma considerable. Las múltiples oportunidades o nichos ecológicos que ofrece la naturaleza, relacionadas con las distintas posibilidades de combinación de habilidades, originan la variedad de especies de seres vivos. Los seres vivos necesitan, para todas sus actividades de mantenimiento, desarrollo y reproducción, consumir recursos energéticos y materiales, medios de subsistencia, los cuales debe previamente obtener y asimilar. Si la obtención de los recursos y su consumo no son inmediatamente consecutivos, deben acumularse de algún modo en forma de reservas. Un ser vivo depende de forma crítica de aquellos recursos de los que puede alimentarse. Si estos recursos no están disponibles, por no estar presentes en el entorno o porque el ser vivo carezca de la capacidad de obtenerlos, el ser vivo muere por desintegración espontánea, sin necesidad de una agresión destructiva. Un ser vivo no puede subsistir aisladamente en el vacío. Cada especie es capaz de asimilar determinados recursos de su entorno, tiene unas determinadas fuentes eficientes de alimentación. La especie tiene más posibilidades de supervivencia si estas fuentes son abundantes y variadas, ya que es menos crítica la dependencia respecto a la existencia o ausencia de los recursos necesarios. Los organismos autótrofos sintetizan sus alimentos a partir de materia inorgánica; los organismos heterótrofos tienen la capacidad de alimentarse de otros organismos, rompiéndolos y aprovechando sus materiales. Un parásito es un ser vivo que vive a costa de otros seres vivos. Si una especie se alimenta de otra y depende de ella, la supervivencia de ambas es posible si sus poblaciones tienden a ajustarse mutuamente y alcanzar un equilibrio dinámico o fluctuaciones cuasiperiódicas: los incrementos y decrementos de las poblaciones respectivas están relacionados de tal forma que tienden a compensarse mutuamente. Un solo sistema autorreplicante en un entorno adecuado es suficiente para que la evolución hacia la diversidad y la complejidad sea inevitable. Este sistema inicial genera múltiples copias de sí mismo que se agrupan en una especie. Una nueva especie aparece cuando se produce una copia no exacta y ésta es capaz de reproducirse. La población (cantidad de representantes) de las especies depende básicamente de su longevidad y su fecundidad. Según sean sus características y las del entorno una especie sobrevive o se extingue si se destruyen todos sus representantes. Los primeros seres vivos deben ser relativamente simples, pero la capacidad de reproducirse implica cierto grado mínimo de complejidad. Los seres vivos posteriores más complejos y eficientes tienden a sustituir a los antecesores con los cuales compiten por el mismo nicho ecológico. El entorno contiene inicialmente material bruto (alimento) disponible que puede ir escaseando al aumentar el número de sistemas autorreplicantes, ya que se encuentra procesado e integrado en los propios sistemas vivos. Los distintos organismos compiten por los recursos del entorno. Algunos sistemas pueden adquirir la capacidad de utilizar los componentes de otros sistemas vivos (alimentarse de ellos). Algunos sistemas pueden desarrollar defensas para evitar ser comidos. El organismo que es capaz de alimentarse de otros aumenta las posibilidades de supervivencia de su especie y disminuye las posibilidades de supervivencia de la especie devorada. La eficiencia en la obtención y el uso de alimento contribuye a la supervivencia. La movilidad permite alejarse de zonas donde el alimento se agota, la sensibilidad permite detectar la presencia de alimento, y un sistema procesador de información permite relacionar sensibilidad y movilidad. Abiogénesis, el origen de la vidaEl conocimiento del origen de la vida avanza mediante estudios teóricos, simulaciones informáticas, experimentos de laboratorio, análisis de fósiles de bacterias y descubrimientos de restos de metabolismo primitivo en la bioquímica de organismos actuales. La teoría de la complejidad muestra que la vida es el resultado inevitable de las leyes de la física y la química en condiciones adecuadas. La vida requiere algún nivel mínimo de complejidad, pero este no se alcanza de forma milagrosa ni requiere ningún diseñador externo. Las personas sin conocimiento científico suficiente difícilmente pueden comprender la vida y su origen, y a menudo creen que es un misterio inexplicable por la ciencia. Si además son susceptibles a los engaños del dogma religioso probablemente consideran que la vida es un milagro, un don divino, y creen que sólo un dios omnipotente y omnisciente puede diseñar y hacer funcionar los complejos detalles de las estructuras orgánicas. El problema de la abiogénesis no es cómo proceder directamente de elementos químicos simples a bacterias, sino cómo proceder de forma gradual y mediante incrementos constantes de organización y complejidad de elementos químicos a moléculas orgánicas, a monómeros, a polímeros, a sistemas autocatalíticos, a protobiontes y finalmente a bacterias, los organismos vivos conocidos más simples. La vida se originó a partir de materia inorgánica (abiogénesis) mediante procesos físicos y químicos ordinarios en condiciones adecuadas, y todas las especies que existen o han existido son resultado del proceso biológico de la evolución. La vida no es un accidente extraño. La teoría de la evolución por selección natural es independiente de los detalles concretos del comienzo de la vida a partir de materia inorgánica. Cualquiera que fuese la manera en que la vida en general se originó, el origen de la vida en la Tierra puede considerarse como un fenómeno exclusivamente terrestre (la vida comenzó en este planeta de forma aislada, sin depender de ninguna relación con el exterior), o como algo que comenzó en otro lugar del universo y posteriormente alcanzó la Tierra, tal vez en algún meteorito (suelen contener materiales orgánicos complejos, también podrían haber transportado a la Tierra células o esporas procedentes de otros lugares) o cometa (podrían haber aportado gran cantidad de agua y de materiales orgánicos). Un ser vivo puede surgir a partir de materia inorgánica adecuada en condiciones ambientales convenientes, sin intervención de otros seres vivos. Este mecanismo necesariamente ha funcionado por lo menos una vez, en la aparición del primer ser vivo, porque la vida no siempre ha existido. La generación espontánea sólo puede dar lugar a sistemas relativamente simples. La complejidad surge gradualmente de la adaptación y la evolución mediante la selección natural. Todos los seres vivos conocidos actuales se originan mediante la reproducción de otros seres vivos. Son tan complejos que su aparición repentina mediante generación espontánea es sumamente improbable. Los experimentos que refutan la generación espontánea de patógenos demuestran que todos los microbios actuales proceden de otros microbios vivos o sus formas latentes (biogénesis). Un ambiente estéril garantiza que no hay en él seres vivos que puedan reproducirse, pero eso no representa todos los entornos posibles en los que la abiogénesis puede tener lugar. Es muy improbable que la vida surja de nuevo a partir de materia inorgánica en un entorno donde ya existe algún tipo de vida, ya que las sustancias químicas que podrían autoorganizarse para constituir sistemas vivos son utilizadas como alimento por los organismos ya existentes. La existencia de vida puede inhibir la aparición de formas de vida independientes de las ya existentes. El paso fundamental para el origen de la vida es la aparición de sistemas moleculares con propiedades replicativas y autocatalíticas (capaces de controlar directa o indirectamente reacciones químicas en las que ellas mismas intervienen como reactivos o como productos) y la formación de membranas que constituyen una barrera semipermeable con el medio exterior. En un sistema autocatalítico no es necesario que cada molécula catalice directamente la reacción que la produce a ella misma. Un sistema químico complejo puede tener una diversidad suficiente de componentes y relaciones (reactivos, productos, reacciones y catalizadores) para que todo el conjunto sea autocatalítico, de modo que todos los miembros del sistema (salvo los considerados alimentos procedentes del exterior que aportan materiales y energía útil) son producidos por alguna reacción de su metabolismo, y así el sistema se regenera y se reproduce (ciclos o hiperciclos autocatalíticos). Los sistemas autocatalíticos requieren para su funcionamiento sus componentes químicos, un disolvente o entorno de reacción como el agua, y una fuente de energía (luz solar, rayos, energía geotérmica) todo ello en un entorno adecuado que facilite las reacciones químicas (la costa de un mar, los bordes de un río, los lechos marinos volcánicos). La vida pudo comenzar en las microcavernas de los humeros negros, chimeneas volcánicas en las profundidades de los océanos de las cuales emerge agua a alta temperatura y presión rica en elementos químicos disueltos. Las microcavernas permiten la concentración de moléculas sintetizadas, y la formación de membranas lípidas que separen a las células del entorno no es imprescindible; los elevados gradientes de temperatura permiten múltiples ambientes óptimos para diversas reacciones; el flujo de agua y sustancias disueltas es una fuente constante de materiales y energía y de transporte de entre zonas. Actualmente coexisten diversas explicaciones científicas plausibles del origen de la vida más o menos complementarias (dónde y cúando sucedió, qué etapas tuvo el proceso, en qué condiciones ambientales y con qué protagonistas). Algunas teorías dan más importancia al metabolismo y otras a los genes. Es problemático integrarlas en una teoría sistemática dada la escasez de datos observacionales con los que contrastarlas: se trata de sucesos microscópicos sucedidos hace miles de millones de años. Autocatális colectivaEl origen de la vida es la emergencia de conjuntos de moléculas orgánicas colectivamente autocatalíticos (metabolismo vivo) en mezclas de suficiente diversidad. La vida emerge como una transición de fase en redes de reacciones suficientemente complejas. En un sistema de moléculas con reacciones químicas entre ellas, es posible que algunas moléculas actúen como catalizadores de algunas reacciones entre otras moléculas del sistema. Al incrementarse la variedad de moléculas, la diversidad de reacciones mediante las cuales se transforman unas en otras se incrementa mucho más deprisa; si cada molécula cataliza en promedio un número adecuado de reacciones el sistema puede atravesar un cambio de fase y hacerse colectivamente autocatalítico: cada componente del sistema es creado por reacciones químicas controladas por otros componentes del sistema; dadas las entradas de materiales necesarias, el sistema tiende a mantenerse a sí mismo, a crecer y a reproducirse. Antes de la transición de fase algunas partes del sistema pueden catalizar las reacciones que crean otras partes del sistema. La transición de fase ocurre cuando el sistema se cataliza a sí mismo como un todo. La estructura de reacciones catalizadas forma un todo conectado o hiperciclo cuando la proporción de reacciones catalizadas por molécula sobrepasa un valor crítico. Un análogo de la emergencia de autocatálisis es la transición de fase en grafos aleatorios. Sea un conjunto de anillos que pueden ser unidos al azar mediante cordones (matemáticamente un grafo con nodos y arcos). Al aumentar el cociente de cordones y anillos más allá de un medio, el tamaño del mayor componente conectado (un conjunto de anillos unidos de modo que si uno es levantado tira de todos los demás y los levanta también) salta bruscamente de muy pequeño a un componente que contiene casi todos los anillos del sistema. Se trata de una transición de fase: cuando la proporción entre arcos y nodos es pequeña, sólo hay nodos aislados y pequeños conjuntos conectados; al añadir más nodos al azar crece el tamaño de los subsistemas conectados; cuando estos son suficientemente grandes, unos pocos arcos más conectan los componentes intermedios y forman un componente conectado gigante. Un sistema molecular es subcrítico si su diversidad molecular no crece o al menos no explota indefinidamente. Un sistema molecular es supercrítico si su diversidad molecular explota indefinidamente. El sistema supercrítico de reacciones se expande de forma indefinida de lo actual (lo que existe ahora) hacia lo posible adyacente (lo que puede existir con pequeñas alteraciones de lo que existe ahora). Aunque una simple molécula autorreplicante o un sistema replicante binario (un elemento cataliza la formación de otro, el cual a su vez cataliza la formación del primero) son en principio teóricamente posibles, todas las células vivas son sistemas complejos colectivamente autocatalíticos. Ninguna molécula se reproduce a sí misma individualmente, ni siquiera el ADN. Todas las células son subcríticas; si fueran supercríticas no serían suficientemente estables y eventualmente producirían alguna molécula nociva para ellas mismas. Los sistemas autocatalíticos pueden evolucionar sin genoma, si pueden añadir, rechazar o cambiar algunas moléculas y reacciones manteniendo la autocatálisis colectiva. Los conjuntos colectivamente autocatalíticos pueden formar ecosistemas, creando una diversidad creciente de nichos donde cada uno vive gracias a sus interacciones con los otros: lo que un sistema produce es lo que otro necesita, algunos sistemas se alimentan de lo que otros desechan. Los sistemas autocatalíticos se hacen mutualistas o simbióticos cuando se ayudan mutuamente a sobrevivir, si el coste metabólico de la ayuda es menor que lo ganado en la tasa de reproducción. Las moléculas de los colectivos autocatalíticos (normalmente polímeros formados por monómeros sencillos) pueden clasificarse en especies y cuasiespecies. Una cuasiespecie es un sistema de especies próximas, un conjunto de moléculas muy semejantes pero no necesariamente idénticas; cada miembro de una especie puede aparecer por copia fiel de otro elemento de la misma especie o por una copia errónea de un elemento de una especie cercana. La cantidad de miembros de una especie no depende solamente de su fecundidad, fidelidad y longevidad, sino también de la fecundidad, fidelidad y longevidad de especies próximas. BiosíntesisLa ciencia del origen de la vida es difícil: se trata de un fenómeno complejo sucedido hace miles de millones de años en condiciones muy diferentes de las actuales y que no ha dejado huellas fósiles. Existen varias explicaciones posibles del origen de la vida: siguen abiertas diversas hipótesis posiblemente complementarias acerca de los procesos que dieron lugar a las primeras células vivas. No es posible explicar las sofisticadas células actuales suponiendo que todos sus elementos se juntaron simultáneamente por azar: son sistemas complejos resultado de la evolución mediante selección natural y de la asociación simbiótica de subsistemas más simples. La complejidad de la vida no es irreducible ni requiere ningún tipo de diseño inteligente. La síntesis espontánea de compuestos orgánicos es posible en el medio oceánico primitivo: agua, amoniaco, metano e hidrógeno sometidos en laboratorio a descargas eléctricas periódicas producen aminoácidos, urea y otros compuestos orgánicos. Los aminoácidos son fáciles de producir mediante reacciones químicas espontáneas exotérmicas. Su ensamblaje en cadenas peptídicas largas o proteínas es mucho más complejo, requiere reacciones endotérmicas (necesitan aportes de energía externa) con altas concentraciones de aminoácidos. La formación de un enlace peptídico requiere que una molécula de agua sea expulsada, y esto no sucede de forma espontánea en un medio acuoso, el cual en situaciones cercanas al equilibrio termodinámico tiende a descomponer los péptidos en aminoácidos sueltos. Para formar péptidos es necesario aportar energía de forma controlada (un simple calentamiento general y homogéneo es más destructivo que constructivo, porque las cadenas largas de aminoácidos son frágiles y se descomponen con el calor), en situaciones alejadas del equilibrio termodinámico. Las condiciones necesarias de fuentes de energía (gradientes térmicos) y riqueza de sustancias químicas se dan en el lecho marino en regiones cercanas a chimeneas volcánicas. El sistema genético actual no puede haber sido el original: la síntesis de ADN requiere la acción de las polimerasas, proteínas que necesitan a su vez ADN para su fabricación. La vida compleja surge de la fusión o simbiosis de dos sistemas, unos capaces de metabolismo pero que se replican de forma ineficiente y otros con metabolismos débiles pero muy eficientes para la replicación exacta. Los sistemas metabólicos originales son hiperciclos autocatalíticos formados por aminoácidos, péptidos y proteínas encapsulados en protocélulas. Sus membranas celulares son coacervados o gotas de grasa que se autoorganizan de manera espontánea englobando moléculas presentes en suspensión. Estos sistemas evolucionan sin material genético y se reproducen mediante crecimiento y división mecánica con una fidelidad limitada. Si son parasitados por replicadores primitivos puede alcanzarse una situación de simbiosis o ventajas mutuas: los parásitos de ácido nucleico utilizan el metabolismo de las proteínas para reproducirse a sí mismos, y de paso recrean las proteínas y su metabolismo. Las proteínas no son los únicos enzimas posibles. Las ribozimas son moléculas de ARN capaces de actuar como catalizadores. El origen de los ácidos nucleicos puede haber estado en la replicación de cristales de arcilla. Estos tienen (de forma ruda) características necesarias para la evolución: replicación, variación y selección. Los ácidos nucleicos podrían haber sido inicialmente asistentes en el proceso de replicación de los cristales de arcilla, pero pasado un umbral de complejidad toman el control y se transforman en los replicadores dominantes. Las reacciones químicas prebióticas pudieron ser facilitadas por sustratos de arcillas u otros minerales, de modo que las reacciones químicas se concentraban en superficies o pequeños volúmenes. Las costas marinas, zonas de transición y confluencia, límites turbulentos entre zonas sólidas, líquidas y gaseosas, pudieron ser un entorno adecuado a la bioquímica: el oleaje produce espuma de burbujas grasas en las cuales pueden concentrarse moléculas orgánicas aportadas por vientos y mareas. Los fosfolípidos tienen un extremo hidrofílico (atrae al agua) y otro hidrofóbico (repele al agua) y forman espontáneamente membranas en el agua: las de una sola capa sólo pueden contener grasas en su interior, pero las de dos capas pueden contener agua y moléculas orgánicas disueltas, son los precursores de los modernas membranas celulares. El mundo de ARNLa vida actual está constituida fundamentalmente por dos tipos de moléculas interdependientes (no pueden existir o funcionar unas sin las otras): los ácidos nucleicos, especializados en almacenamiento y procesamiento de información, y las proteínas, especializadas en el metabolismo químico como unidades estructurales y reguladores enzimáticos de las diversas funciones celulares. Las proteínas no pueden reproducirse solas sin la información de los ácidos nucleicos, y los ácidos nucleicos no pueden reproducirse solos sin la colaboración de enzimas proteínicos. Es demasiado improbable que esta organización compleja surja directamente de forma aleatoria. Es plausible que inicialmente un solo tipo de molécula realizara ambas funciones y que luego se asociara con el otro de forma progresiva, especializándose, mejorando en el desempeño de una tarea y abandonando otras, ganando en eficiencia globalmente, mejorando el éxito reproductivo y haciéndose cada vez más interdependientes. El ARN no sólo almacena información, también tiene propiedades catalíticas rudimentarias que le permiten regular reacciones químicas metabólicas, reproduciéndose a sí mismo, asociándose con ciertas cadenas de aminoácidos que facilitan su reproducción y eventualmente llegando a sintetizar proteínas. El ARN es claramente una molécula muy antigua y cercana al origen de la vida: está en todas las células vivas actuales, es muy adaptable, participa en todos los procesos celulares relacionados con la información, y es esencial para la actividad enzimática de algunas proteínas. En condiciones prebióticas adecuadas aparecen monómeros básicos de la vida como los aminoácidos y los nucleótidos. La polimerización de los nucleótidos en moléculas de ARN puede producir ribozimas autorreplicantes. Presiones selectivas por la eficiencia catalítica resultan en ribozimas que catalizan la formación de péptidos (algunas proteínas incrementan la eficiencia catalítica del ARN), dando origen a los ribosomas (asociaciones de ARN y proteínas). Eventualmente las proteínas superan a los ribozimas como catalizadores y se convierten en el polímero metabólico dominante (enzimas), mientras que los ácidos nucleicos se especializan en almacenamiento y uso de información. La información (asociación entre nucleótidos y aminoácidos, especialización e interdependencia) sirve como estabilizador que mejora la fidelidad de la reproducción. En algún momento estos procesos se compartimentan en protocélulas con membranas construidas por la actividad espontánea de lípidos, paredes que distinguen y separan unas unidades de otras. El metabolismo se hace cada vez más dependiente de enzimas específicos. El ADN surge como variante más compleja y estable del ARN especializado en almacenamiento y reproducción de información, dejando al ARN el procesamiento y utilización de la información para construir proteínas.
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