Protobiontes: qué son, origen y propiedades
¿Qué son los protobiontes?
Los protobiontes o protocélulas son complejos biológicos que según algunas hipótesis relacionadas con el origen de la vida, precedieron a las células. Según el biólogo y bioquímico ruso Aleksander Oparin (1894-1980), estos son agregados moleculares rodeados de una membrana lipídica semipermeable o una estructura similar a esta.
Estos agregados moleculares bióticos pudieron presentar una reproducción simple y un metabolismo que lograba mantener la composición química del interior de la membrana diferente a su ambiente externo.
Algunos experimentos realizados en el laboratorio por distintos investigadores, han revelado que los protobiontes pudieron formarse de manera espontánea usando como bloques estructurales los compuestos orgánicos creados a partir de moléculas abióticas.
Ejemplos de estos experimentos son la formación de liposomas, que son agregaciones de gotas pequeñas rodeadas por membranas. Estos pueden formarse cuando los lípidos se agregan al agua. También ocurre cuando se agrega otro tipo de moléculas orgánicas.
Pudo ocurrir que gotas similares a liposomas se formaran en estanques de los tiempos prebióticos y estos incorporaron aleatoriamente algunos polímeros de aminoácidos.
En caso tal de que los polímeros hicieran permeable a la membrana a ciertas moléculas orgánicas, se lograrían incorporar dichas moléculas de manera selectiva.
Propiedades y características de los protobiontes
Los supuestos protobiontes pudieron formarse a partir de moléculas hidrofóbicas que se organizaron en forma de bicapa (dos capas) en la superficie de una gota, recordando a las membranas lipídicas presentes en las células actuales.
Membranas semipermeables
Como la estructura es selectivamente permeable, el liposoma puede hincharse o deshincharse dependiendo de la concentración de solutos del medio.
Es decir, si el liposoma es expuesto a un medio hipotónico (la concentración en el interior de la célula es mayor), el agua entra en la estructura, hinchando el liposoma. En contraste, si el medio es hipertónico (la concentración de la célula es menor), el agua se desplaza hacia el medio exterior.
Esta propiedad no es única de los liposomas, también puede aplicarse a las células actuales de un organismo. Por ejemplo, si los glóbulos rojos son expuestos a un medio hipotónico pueden llegar a explotar.
Excitabilidad
Los liposomas pueden almacenar energía en forma de potencial de membrana, que consiste en un voltaje a través de la superficie. La estructura puede descargar el voltaje de una manera que recuerda al proceso que ocurre en las células neuronales del sistema nervioso.
Los liposomas presentan varias características de los organismos vivos. Sin embargo, no es lo mismo que afirmar que los liposomas están vivos.
Origen de los protobiontes
Existe una amplia diversidad de hipótesis que buscan explicar el origen y la evolución de la vida en un ambiente prebiótico. A continuación se describirán los postulados más resaltantes que discuten el origen de los protobiontes:
Hipótesis de Oparin y Haldane
La hipótesis sobre evolución bioquímica fue propuesta por Alexander Oparin en 1924 y por John D. S. Haldane (1892-1984) en 1928.
Este postulado asume que la atmósfera prebiótica carecía de oxígeno, pero era fuertemente reductora, con grandes cantidades de hidrógeno que dieron pie a la formación de compuestos orgánicos gracias a la presencia de fuentes de energía.
Según esta hipótesis, a medida que ocurrió el enfriamiento de la Tierra, se condensó el vapor de las erupciones volcánicas, que precipitaron como lluvias fuertes y constantes. Al caer el agua, arrastraba sales minerales y otros compuestos, dando origen a la famosa sopa primigenia o caldo nutritivo.
En este ambiente hipotético pudieron formarse complejos moleculares de gran tamaño llamados compuestos prebióticos, que originaban sistemas celulares cada vez más complejos. Oparin llamó a estas estructuras protobiontes.
Conforme los protobiontes aumentaban su complejidad, adquirieron nuevas capacidades para transmitir información genética, y Oparin otorgó el nombre de eubiontes a estas formas más avanzadas.
Experimento de Miller y Urey
En 1953, posterior a los postulados de Oparin, los investigadores Stanley L. Miller (1930-2007) y Harold C. Urey (1893-1981) elaboraron una serie de experimentos para comprobar la formación de compuestos orgánicos partiendo de materiales inorgánicos sencillos.
Miller y Urey lograron crear un diseño experimental que simulaba los ambientes prebióticos con las condiciones propuestas por Oparin a pequeña escala, logrando obtener una serie de compuestos como aminoácidos, ácidos grasos, ácido fórmico, urea, entre otros.
Material genético de los protobiontes
Mundo de ARN
Según las hipótesis de los biólogos moleculares actuales, los protobiontes portaban moléculas de ARN, en lugar de moléculas de ADN, que les permitían replicarse y almacenar información.
Además de poseer un papel fundamental en la síntesis proteica, el ARN también puede comportarse como una enzima y llevar a cabo reacciones de catálisis. Por esta característica, el ARN es un candidato indicado para ser el primer material genético en los protobiontes.
Las moléculas de ARN capaces de realizar catálisis se denominan ribozimas y pueden elaborar copias con secuencias complementarias de tramos cortos de ARN y mediar el proceso de splicing, eliminando tramos de la secuencia.
Un protobionte que presentaba en su interior una molécula de ARN catalítico variaba de sus homólogos que carecían de dicha molécula.
En caso de que el protobionte pudiese crecer, dividirse y transmitir el ARN a su descendencia, los procesos de selección natural darwiniana pueden aplicarse a este sistema, y los protobiontes con moléculas de ARN incrementarían su frecuencia en la población.
Aunque la aparición de este protobionte puede resultar muy improbable, es necesario recordar que pudieron haber existido millones de protobiontes en los cuerpos de agua de la Tierra primitiva.
Aparición del ADN
El ADN es una molécula bicatenaria mucho más estable, comparada con la molécula de ARN, que es frágil y se replica de manera imprecisa. Esta propiedad de exactitud en términos de la replicación empezó a ser más necesaria a medida que los genomas de los protobiontes aumentaban en tamaño.
En la Universidad de Princeton, el investigador Freeman Dyson (1923-2020) propone que las moléculas de ADN pudieron haber sido estructuras cortas, asistidas en su replicación por polímeros de aminoácidos aleatorios con propiedades catalíticas.
Esta replicación temprana pudo ocurrir en el interior de los protobiontes que habían almacenado cantidades elevadas de monómeros orgánicos.
Luego de la aparición de la molécula de ADN, el ARN pudo empezar a desempeñar sus papeles actuales como intermediario de la traducción, creando así el “mundo de ADN”.
Referencias
- Altstein, A. D. (2015). The progene hypothesis: the nucleoprotein world and how life began. Biology Direct, 10, 67.
- Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biología: La vida en la Tierra. Pearson educación.
- Campbell, A. N., & Reece, J. B. (2005). Biología. Editorial Médica Panamericana.
- Gama, M. (2007). Biología 1: un Enfoque Constructivista. Pearson Educación.
- Schrum, J. P., Zhu, T. F., & Szostak, J. W. (2010). The origins of cellular life. Cold Spring Harbor perspectives in biology, a002212.
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