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Definir consiste en delimitar, en predicar una serie de descripciones de un objeto que lo hagan diferente de cualquier otro. Por ejemplo, la RAE define silla como un “Asiento con respaldo, por lo general con cuatro patas, y en que solo cabe una persona”. Lo que se busca con cualquier definición es que, cuando nos encontremos con el objeto en cuestión, sepamos identificarlo al diferenciarlo de todo lo demás. Así, la RAE pretende distinguir una silla de un sofá o de una mesa. Sin embargo, el problema de toda definición estriba en sus fronteras: ¿hay objetos que no serían sillas y que entrarían dentro de nuestra definición? La definición dice que en una silla solo cabe una persona pero, ¿una persona obesa que no cabe en nuestra silla del salón nos impediría seguir refiriéndonos a ella como silla? O quizá en ella caben dos o más bebés… ¿cuál es la medida exacta de una silla para que en ella solo quepa una persona teniendo en cuenta que las personas varían de tamaño?  O, contando con otra variable, ¿dónde estaría el límite que diferenciaría una silla de un sillón? La RAE define sillón como  “Silla de brazos, mayor y más cómoda que la ordinaria”, pero todos sabemos que existen sillas muy cómodas y sillones bastante incómodos, o sillas bastante grandes y sillones pequeños… de nuevo, ¿dónde está el límite que nos permitiera una definición que delimite eficazmente?

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¿Una silla en miniatura seguiría siendo una silla sin que en ella pueda sentarse ningún individuo?

En general, definir es bastante complejo ya que siempre encontraremos esos casos fronterizos, esos objetos que no encajan bien ni dentro ni fuera de nuestra definición. Es lo que pasa con conceptos tan importantes como el de educación (¿todo aprendizaje es educación?), inteligencia (¿es inteligencia la habilidad deportiva o la capacidad de empatía?) o, del que nos vamos a ocupar, el de vida en el sentido biológico. El biólogo Radu Popa hizo un largo estudio publicado en 2004 en el que recogió más de un centenar de definiciones diferentes de vida por parte de multitud de autores interesados en la cuestión. Debería parecernos muy chocante que en una disciplina científica no exista un acuerdo claro entre, al menos, el objeto de su campo de estudio, pero así pasa también en muchas otras (pregunten a un matemático que defina matemáticas o a un físico que defina qué es el universo). Pues, bien, además, de toda ésta amplia variedad de definiciones de vida, ninguna sirve para acotar con absoluta claridad el mundo de lo vivo. Según nos cuenta Antonio Diéguez en su magistral La vida bajo escrutinio, la mayorá de las definiciones tienen en común dos condiciones mínimas esenciales:

1. La capacidad de autorreplicación.

2. La evolución abierta.

El problema es que con solo estas dos clausulas se nos cuelan dentro de la definición un montón de entidades que los biólogos no aceptarían como vivas (moléculas de ADN o ARN sueltas, virus informáticos y cualquier programa de vida artificial…) y dejamos fuera otras entidades tradicionalmente vivas (los híbridos estériles, ciertos insectos sociales que no dejan descendencia o quizá ciertos seres vivos en las fases iniciales de la vida, que no tenían un claro sistema de autorreplicación que permitiera una evolución propiamente darwiniana). La solución consiste en ir añadiendo y perfilando más condiciones: está la famosa definición de vida de Maturana y Varela (apoyada también por Margulis), que hace referencia a la capacidad autopoietica de los seres vivos (capacidad de reconstruirse a sí mismos para mantenerse como una estructura estable); o el desequilibrio termodinámico de Scrhödinger y las estructuras disipativas de Prigogine: un ser vivo será aquel organismo que siempre se encuentra en desequilibrio termoquímico diminuyendo localmente la entropía (estas definiciones insistirían en la idea de metabolismo: intercambiar materia y energía con el entorno). Otros han denunciado que este tipo de definiciones son demasiado formalistas y que no tienen en cuenta el sustrato material de la vida, quizá requisito indispensable para que se de ésta: la química del carbono. Sin embargo, estas posturas “materalistas” caen en lo que se ha llamado “chauvinismo del carbono”, al negar a priori la posibilidad de seres vivos con otro tipo de química diferente (como la del silicio).

El caso es que a pesar de todos estos loables intentos, todavía no tenemos ninguna definición absolutamente válida que marque un criterio de demarcación infranqueable. Antonio Diéguez nos propone la definición hecha por K. Ruiz-Mirazo, J. Peretó y A. Moreno como una de las más elegantes. Un ser vivo ha de cumplir las siguientes claúsulas:

1. Un límite activo semipermeable (membrana).

2. Un aparato de transducción / conversión de energía.

3. Dos tipos al menos de componentes macromoleculares interdependientes, uno capaz de catalizar los procesos de autoconstrucción y otro capaz de almacenar y transmitir la información necesaria para desempeñar estos procesos.

Como vemos, en ella quedan resumidos elementos formales, materiales y autoorganizativos de un modo sencillo. No obstante, estoy seguro, que con un tiempo de reflexión y de búsqueda, podríamos encontrar algún contraejemplo o fisura en la definición. Además, yo le criticaría que las condiciones parecen aisladas. Una definición elegante no debería ser solo una yuxtaposición de propiedades.

Pero, y este es el tema central de esta entrada en el blog, creo que carecer de tan precisa definición no tiene demasiada importancia o, al menos, no tanta como para desesperar y concluir que el asunto es un imposible, o para defender, como muchos han sonstenido, que la biología no tiene nada que decir al respecto (¡la biología no define la vida biológica!). Y es que, como dijimos antes, gran parte de los conceptos importantes para muchas ciencias tampoco tienen una definición absolutamente precisa sin que esto tenga graves consecuencias. Pusimos el ejemplo del concepto de educación. No sabemos con precisión de cirujano qué es educar, pero esto no quita para que en los centros de enseñanza se eduque o para que los padres eduquen a sus hijos. Del mismo modo, con respecto a la vida, no tener la definición superprecisa no implica que los biólogos no puedan hacer su trabajo con total normalidad ni, con respecto a lo que debería ser la utilidad de toda definición, identificar con claridad un objeto. Con las definiciones actuales podemos identificar a la inmensa mayoría de los seres vivos y solo tenemos problemas en determinados casos fronterizos. Por ejemplo, suele citarse el caso de los virus como ejemplo paradigmático. Muchos de ellos son solo una cápsula de proteinas en la que flotan fragmentos de ARN. Un virus puede estar una infinidad de tiempo sin hacer absolutamente nada y, cuando lo hace, siempre necesita un hospedador para que haga todo por él. Así, no metaboliza ni tiene herramientas de replicación propias… ni siquiera trabaja para mantener su estructura autopoietica de forma autónoma. ¿Es, entonces, un ser vivo? No podríamos decirlo, pero eso no implica que no podamos estudiarlo ni que podamos ver que tiene estrechas relaciones con lo vivo. Los virus no suponen problema alguno a la investigación científica por el hecho de no poder catalogarlos bien.

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Otro ejemplo: la propiedad “ser alto” es imposible de delimitar. Podemos, sin duda alguna, afirmar que un hombre que mide 1,97 metros es alto y que un hombre que mide 1,54 no lo es. Sin embargo, si ponderamos que la media de altura del hombre occidental está en 1,75 metros, ¿un hombre de uno 1,749 no será alto mientras que uno de 1,751 sí? Suele decirse que el conjunto de todos los hombres altos es un conjunto borroso, un conjunto que tiene límites en donde hay elementos que no se sabe si entran o no en dicho conjunto. Con el conjunto de todos los seres vivos pasa exactamente lo mismo, pero esto no implica para nada que tener un conjunto así no sea algo válido y útil. Al igual que podemos identificar a los altos que miden 1,97 metros, podemos identificar a los seres plenamente vivos.

No poder definir con precisión no debe ser nunca un obstáculo que paralice la investigación, porque la única finalidad que una definición debería tener es la de ser operativa, funcional, es decir, que permita seguir investigando. Una definición no debería pretender ser más que eso: una etiqueta funcional. Yo estoy completamente seguro que, conforme avance la biología, encontraremos nuevas cualidades de lo vivo que podrán servir de nuevas claúsulas restrictivas que vayan precisando cada vez más nuestra definición. Y, precisamente, descubrir esas nuevas cláusulas será lo valioso, porque cada una de ellas constituirá una nueva perspectiva antes ignorada. Cuando Schrodingër publicó su obra ¿Qué es la vida? intorodujo la física en la biología con su definición de vida como desequilibrio termoquímico. Es una definición muy incompleta, pero eso no quita ni un ápice a lo valioso de su aportación, la cual fue una total revolución en este campo de estudio.

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En los albores de la vida, los primeros protoogranismos o cuasiespecies,o como se prefiera, tuvieron que “darse cuenta” de que, al menos, en este universo, para hacer cualquier cosa necesitas energía. Energía, y cuánto más y más barata mejor. Las crisis energéticas o la explotación de una nueva fuente de energía paralizan o hacen despegar el avance industrial, de tal modo que clasificamos las diferentes fases de una civilización en función de las fuentes de energía que es capaz de utilizar. Este símil puede utilizarse también en biología, tanto más si el mismo Darwin se inspiró en los modelos económicos de la Inglaterra victoriana para desarrollar su teoría. Así que, ¿cómo utilizaron la energía los primeros organismos? Un invento absolutamente genial fue el de la fotosíntesis. Con abundante energía solar es de cajón que los primeros seres sumergidos en los océanos primitivos evolucionaran hacia mecanismos capaces de obtener energía del astro rey. Esto fue una gran revolución pero hablaremos de ella otro día. El sistema de obtención de energía más sencillo que encontramos en organismos procariotas es la fermentación.

Un prejuicio heredado de nuestra edad escolar es pensar que el oxígeno es algo maravilloso. Los seres humanos lo necesitamos para respirar y, debido a los efectos de la contaminación, tenemos la idea de que respiramos oxígeno (o más bien aire) de poca calidad. Por eso el oxígeno es casi sinónimo de vida y casi nos parece que sin él no podría existir. Nada más lejos de la realidad: el oxígeno es muy oxidante y tremendamente reactivo (¿qué es lo primero que necesitamos para prender un incendio?), de tal modo que es bastante nocivo para muchos organismos (los anaerobios estrictos no pueden vivir en su presencia). Es más, en la atmósfera primitiva no existía y no fue hasta que los vegetales fueron generándolo como fruto de la fotosíntesis, cuando nuestro mundo se empezó a llenar de él. Entonces tenemos organismos que necesitan energía en ausencia de oxígeno, y la principal formar de conseguirla es mediante la fermentación. El combustible orgánico por excelencia es el ATP, y éste puede conseguirse a partir de la glucosa. A este proceso químico se lo denomina glucólisis. La fermentación es una ruta metabólica que permite conseguir ATP sin oxígeno. Por cada molécula de glucosa se consiguen dos moléculas de ATP y dos de ácido pirúvico como deshecho.

Y entonces llegó la auténtica revolución, la nueva fase de la evolución que trasladó la historia natural a la edad industrial: apareció la célula eucariota (cuando hablo de ésto en clase suelo decir que la aparición de este microorganismo fue como si apareciera un portaaviones norteamericano actual en mitad de la Edad Media). Un ser muchísimo más complejo y avanzado que los procariotas necesitaba un mecanismo de obtención de energía a la altura de su sofisticación. Y lo consiguió. Según Lynn Margulis y su teoría de la endosimbiogénesis, el futuro organismo eucariota fagocitó una bacteria aeróbica y no la digirió, de modo que, al final, la acabó por incorporar a su propio organismo. La bacteria y la célula co-evolucionarion de modo que la bacteria acabó por transformarse en las actuales mitocondrias, las factorías de energía de las células que nos componen. ¿Y qué tiene de especial la mitocondria? Su forma de obtener energía. La mitocondria heredó de su pasado procariota la fermentación (todas las células animales la realizan menos, curiosamente, las neuronas, las cuales mueren rápidamente si se quedan sin oxígeno) pero añadió a su proceso químico el ciclo de Krebs (de una complejidad exasperante para los estudiantes de química) generando lo que comúnmente entendemos por respiración. En el ciclo de Krebs se utiliza el ácido pirúvico de deshecho de la fermentación y se lo reutiliza (estamos en los albores del reciclaje), oxidándolo mediante el oxígeno y dando como resultado una obtención óptima de energía. Si pensamos que con la mera fermentación se obtenían dos moléculas de ATP por cada una de glucosa, con todo el ciclo de respiración celular se consiguen 32 moléculas de ATP por cada glucosa… ¡Es 16 veces más eficiente que la fermentación! Del motor de un 600 hemos pasado al de un Fórmula 1.

El cliclo de Krebs constituye una de las mejores adaptaciones de la historia evolutiva y es un clarísimo ejemplo de evolución darwiniana: por un lado utilizamos una adaptación anterior (la fermentación) y reconvertimos un producto de desecho como el ácido pirúvico en algo útil (clásica reutilización: la evolución trabaja con lo que hay), y por otro, nos adaptamos a un medioambiente (el oxígeno) que en otro momento era hostil. Evolución, amigos, simplemente evolución.

Y para los simpatizantes de la sci-fi, podríamos pensar cómo podríamos modificar las mitocondrias para hacer que produjesen aún más energía a menor coste. Imaginemos salvajemente lo que significaría poder introducir un nano-reactor nuclear dentro de las mitocondrias de nuestras células…

Una de las ideas que uno conserva como un dogma desde el instituto es que los genes sólo se transmiten de generación en generación. Mi madre me los transmite a mí y yo a mis hijos (esto se llama transferencia vertical). Sería absurdo pensar que yo puedo pasar mis genes a alguien que no sean mis hijos. Bien, pues esto parece que es así en el mundo de los “animales grandes”, pero, como todo tiene excepciones, no es así del todo en el mundo de los “animales pequeñitos”.

Hace mucho tiempo que ya conocíamos al molesto bacteriófago (de hecho, experimentos con él por parte de los bioquímicos Alfred D. Hershey y Marta Chase sirvieron para demostrar que el código genético estaba en el ADN). Este virus marinero de apariencia simple, ataca bacterias de un modo muy peculiar: se acopla a la membrana celular de la bacteria (según diversos indicadores como ácidos teicoicos, proteínas, flagelos… Cada bacteriófago está especializado en un tipo de señal, por lo que atacará a un tipo concreto de bacteria) y mediante unas especie de jeringa le introduce su código genético (ADN o ARN según el tipo de bacteriófago). El ADN vírico se indexa en las cadenas del ADN de las bacterias (eso les pasa por ser procariotas y no tener el ADN dentro del núcleo como Dios manda) y, al cabo de unos minutos, la pobre bacteria está ya generando nuevos bacteriófagos dentro de ella. En unos veinticinco minutos, nuestra bacteria explota dando lugar a cientos de nuevos bacteriófagos en búsqueda de nuevas víctimas.

bacteriófagos introduciendo su ADN en una bacteria

Sin embargo, en ocasiones, a este malvado huésped no le interesa multiplicarse tan deprisa y se queda en estado latente dentro de la bacteria hasta que las cosas se pongan feas (por ejemplo, la presencia de más agentes mutágenos de la cuenta que puedan fracturar las cadenas de ADN vírico) y volvemos a la explosión de la bacteria. No obstante, hay casos en los que la fusión del código genético del virus con la del hospedador no es fatal para este último, por lo menos durante un tiempo. Es el caso de la enfermedad del cólera causada por una bacteria llamada Vibrio Cholerae. Se ha comprobado que ciertas cepas inofensivas de esta bacteria se vuelven terriblemente virulentas por la acción de un determinado bacteriófago.

Pero esto no es nada. El caso más espectacular de transferencia horizontal de genes es el de la Wolbachia. Es una bacteria parásita terriblemente feminista (ahora veremos por qué) que infecta a entre un 20 y un 70% de los invertebrados  terrestres (hay estimaciones que dicen que ha infectado a unas 20 millones de especies… ¡Es el parásito por excelencia!). ¿y qué hace este microbichito? Para empezar tiene un defecto: sólo se transmite de huésped en huésped a través de los huevos (no es como los piojos que saltan), por lo que sólo se encuentra feliz en individuos hembra. ¿Cómo solucionar este problema?

1. Convirtiendo a su hospedador en una hembra (Es lo que hace con las cochinillas de tierra o Armadillidium). Así, pone huevos y la Wolbachia sobrevive a otra generación.

2. Matando a los machos. La Wolbachia parásita se sacrifica matando a su hospedador, el cual es devorado por sus hermanas dándoles más posibilidades de sobrevivir y, por lo tanto, a las Wolbachias que las infectan.  Es un ejemplo de altruismo genético.

3. Obstruyendo los apareamientos que no interesan (los que se producen entre un macho infectado y una hembra no infectada). La Wolbachia suelta una toxina en el protoplasma del espermatozoide para matarlo, dejando al macho estéril. Esto puede tener una importancia crucial para explicar la enorme diversidad de invertebrados, ya que favorece el aislamiento reproductivo. Hacer que individuos no puedan aparearse entre sí produce, a la larga, que esos individuos formen especies diferentes. ¡La que ha montado esta bacteria!

4. Provocando la reproducción por partenogénesis de las hembras: ponen huevos sin necesidad de ser fecundadas por el macho. Por supuesto, todas las crías que de allí nacen son hembras.

¿Con esto que consigue? Al cabo de unas generaciones tenemos una ingente cantidad de hembras infectadas y muy poquitos machos. Es lo que pasó con un tipo de mariposa que estuvo a punto de extinguirse al ser la proporción de hembras de 99 a 1 con respecto a los machos.  No obstante, la mariposa mutó para hacerse resistente a la Wolbachia y hoy en día la proporción a subido de 1 macho a 40 (un apunte: esto es evolución, queridos creacionistas ¿Necesitan más pruebas?). Vale, espectacular el bichito, pero, ¿qué tiene que ver esto con la transferencia horizontal de genes?

La bella mariposa Blue Moon no se extinguió porque evolucionó haciéndose resistente a la Wolbachia

La Wolbachia puede integrar la totalidad o parte de su genoma en el de sus hospedadores. Es uno de los pocos casos que se conoce de transferencia horizontal entre bacterias y organismos superiores. Es un organismo capaz de hacer metaevolución, es decir, de saltarse las reglas de la misma evolución utilizándolas a su manera.  Si practicas ingeniería genética, no hace falta esperar a que los genes muten fortuitamente para darte ventajas. Resulta paradójico que la mejor estrategia evolutiva posible sea precisamente hacer trampas con la misma evolución.

Este tipo de cosas son las que dan razones a Lynn Margulis para hablar de que la simbiogénesis es un mecanismo evolutivo alternativo a los cambios graduales y mutaciones del neodarwinismo. Es posible que la Wolbachia acabe por ser un simbionte intracelular como ocurrió con las cianobacterias (actuales cloroplastos de las células vegetales) o con las mitocondrias (parientes, por cierto, de la Wolbachia).

La Wolbachia es quizá la responsable de la gran biodiversidad de insectos

Esta entrada continua a Los seres que heredarán la tierra y Los seres que heredarán la Tierra (II)

Estoy leyendo Decostruyendo a Darwin de Javier Sampedro y estoy disfrutando como un crío con zapatos nuevos. Desde El gen egoísta o El pulgar del Panda no me había divertido tanto con un libro de divulgación científica. Curiosidades interesantísimas, explicaciones con una claridad meridiana, narrativa fluida… Todos los ingredientes para ser un libro cien por cien recomendable.

Una de las cosas que más me ha llamado la atención de lo que llevo leído es lo que Sampedro ha llamado el misterio del cronocito (lo que voy a hacer es básicamente resumir un trozo del capítulo 4 del libro. Sí queréis leerlo mejor explicado id sin duda al original). Como  ya vimos en este post una de las grandes objeciones al darwinismo fue la ausencia de tipos intermedios en el registro fosil. Parece que las especies existen inalteradas durante mucho tiempo para luego desaparecer y ser sustituidas por una nueva serie de especies diferentes. Esto rompe el gradualismo de Darwin que postula un cambio lento y progresivo de pequeñas variaciones. ¿Cómo explicamos los cambios bruscos que las pruebas fósiles nos remiten? Una de las alternativas es la teoría del equilibrio puntuado de Jay Gould y Eldredge de la que próximanete hablaremos.

Tener núcleo representa uno de los eventos más inexplicables de la historia natural

Dentro de todos estos cambios bruscos, que el darwinismo se las ve y se las desea para exlicar,  el mayor de  toda la historia natural de la Tierra es el paso evolutivo de los procariotas a los eucariotas.  La diferencia entre ambos microorganismos no estriba sólo en que los procariotas no tienen núcleo y los eucariotas sí, sino en muchas más cosas:

1. La endocitosis: los eucariotas pueden “comerse” a otras células o fragmentos de ellas, virus o moléculas grandes, degradándolas en el interior del citoplasma.

2. El sistema de transducción de señales: las eucariotas poseen un sofisticado sistema de comunicación basado en una compleja transformación de unas proteínas en otras.

3. La factoría del núcleo: tener el ADN dentro del núcleo produce la necesidad de un sistema de “puertas” que den paso selectivamente a una enorme diversidad de componentes que entran y salen constantemente.

Bien, la teoría de la simbiogénesis de Lynn Margulis postula que el paso de los procariotas a los eucariotas no pudo ser gradual, sino más bien por la simbiosis entre una arquea y una bacteria. Así, es de esperar que en el ADN de los eucariotas encontremos similitudes con el ADN de sus dos antepasados simbióticos. Hyman Hartman y Alexei Fedorov realizaron un experimento para poner a prueba esta hipótesis. Primero determinaron cómo podría ser el ADN  de un supuesto organismo eucariota primordial realizando un estudio comparativo de organismos eucariotas cuyo genoma ya conocemos (la levadura de la cerveza, la famosa Drosophila melanogaster, etc.) y determinaron que este genoma estaría compuesto por 2.136 genes.

Después, investigaron cuáles de estos genes provenían de la arquea y cuáles de la bacteria. Buscaron cuáles de esos 2.136 genes podrían encontrarse en cualquier bacteria y arquea existentes entre los más de cincuenta especies de ellas cuyos genomas ya se han secuenciado. Así, encontraron 1.789 que existían en bacterias y arqueas. La hipótesis de Margulis parecía corroborarse. Sin embargo, los 347 genes restantes… ¿de dónde habían salido?

Para mayor sorpresa resultó que esos genes misteriosos se ocupan precisamente de las características que más diferencian a los procariotas de los eucariotas (las tres enumeradas anteriormente). En concreto, de los 347, 91 se relacionan con la endocitosis, 108 con la transducción de señales y 47 con procesos nucleares (los 101 restantes no se conocen todavía). Es decir, lo que hace que una eucariota sea una eucariota parece no proceder de los dos organismos que se unieron simbióticamente para generarla. ¿Qué explicación tiene esto?

Hartman y Fedorov nos hablan de que la célula eucariota no procede de la unión de de dos microbios, sino de tres: una arquea, una bacteria y lo que ellos denominan como  cronocito, otro ser que aportó esos 347 genes responsables de las características esenciales del organismo eucariota. Bien, las bacterias y las arqueas han estado siempre allí pero… ¿Alguien tiene pruebas de la existencia del cronocito? Este organismo va a ser para la biología lo que el Boson de Higgs es para la física, el “organismo de Dios”.