¿Puede un extraño estado de la materia explicar qué es la vida y cómo empezó?
- Alice Meraviglia
- Apr 24
- 11 min read
Experimentos de laboratorio han llevado a moléculas simples a estados en los que comienzan en forma natural a hacerse más complejas, lo que apunta a los orígenes de la propia evolución.
Por Elise Cutts
Como a muchos niños pequeños, a Sijbren Otto le fascinaba la historia de la vida y de mayor quería desenterrar dinosaurios. Pero la vida no siempre sale según lo planeado, y acabó convirtiéndose no en paleontólogo de campo, sino en químico de laboratorio. Pero quizá no se alejara tanto de su sueño infantil. Gracias a un descubrimiento sorpresa, su trabajo le llevaría más cerca que cualquier fósil al corazón de una de las cuestiones más profundas sobre la vida en la Tierra.
En 2010, Otto dio con algunas de las primeras moléculas sintéticas capaces de autorreplicarse. Desde entonces, ha estado tratando de inducirlas a estados que se parecen de manera intrigante a la vida. "Hemos estado trabajando en ellas para que hagan cosas cada vez más parecidas a la vida, no solo replicarse, sino también metabolizarse y evolucionar", explica.
Que unas simples sustancias químicas puedan comportarse de este modo ya es suficientemente sorprendente. Pero recientemente, los experimentos de Otto también han ofrecido pruebas tentativas de que la vida puede describirse mejor como un nuevo estado de la materia, una idea propuesta por Addy Pross, químico de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel. «Es un puente que une los mundos físico y biológico», afirma Pross.
La esperanza es que el estudio de los procesos físicos que subyacen a la vida pueda explicar cómo se originó e informarnos sobre su naturaleza. Los resultados ya apuntan a que la evolución darwiniana puede ser sólo una faceta de un principio evolutivo más general que también se aplica al mundo no viviente. En tal caso, según los investigadores, la evolución podría haber comenzado antes que la vida.
Quizá pienses que tienes un sentido intuitivo para entender si algo está vivo. Sin embargo, la búsqueda de una definición científica clara de la vida en toda su diversidad has sido una tarea difícil desde hace mucho tiempo. Hace una década, el biólogo Edward Trifonov trató de contar todas las definiciones que han sido propuestas y encontró nada menos que 123. En este caótico coro de definiciones, identificó dos. En este caótico coro de definiciones, identificó dos características universales: la autorreplicación y la evolución. A pesar de estos temas comunes, la definición de vida sigue siendo obstinadamente escurridiza.
Las ideas de los científicos sobre qué es la vida a menudo se confunden con sus teorías sobre cómo empezó. Según el astrobiólogo Michael Wong, del Carnegie Science de Washington DC, tradicionalmente los investigadores del origen de la vida tienden a dividirse en dos bandos. El primero y más antiguo es el que pone la genética primero, a veces también llamado de la "replicación primero" o de la "información primero". Según este punto de vista, la formación de moléculas autorreplicantes como el ADN o el ARN fue el momento decisivo en el origen de la vida. El segundo bando sostiene que la vida comenzó con el metabolismo, es decir, las redes de reacciones químicas que descomponen y construyen la materia de la vida.
Ambas historias del origen incluyen sus propias definiciones de la vida. Las teorías que dan prioridad a la información definen la vida en términos genéticos como sistemas químicos que se replican y evolucionan, mientras que los defensores de las teorías que dan prioridad al metabolismo definen la vida más bien como un motor que quema combustibles químicos para seguir funcionando. «En primer lugar, estas concepciones de lo que es la vida son muy diferentes entre sí, lo que, en mi opinión, explica por qué hay tantos debates acalorados en el campo de los orígenes de la vida», afirma Wong.
Para intentar dar sentido a este enredo, Pross trató de dejar a un lado los detalles químicos específicos sobre el origen de la vida y se centró en los principios fundamentales que podrían tender un puente entre la química y la biología. A partir de 2003, desarrolló una idea que denomina Estabilidad Cinética Dinámica (Dynamic Kinetic Stability ó DKS), que describe la vida como un nuevo estado de la materia. Y cuenta una historia de origen diferente, que podría denominarse «primero la evolución». Pross sostiene que la evolución darwiniana puede reducirse a un tipo más profundo de comportamiento evolutivo al que obedecen tanto la materia viva como la no viva: no se trata de la supervivencia del más apto, sino de la supervivencia de lo estable. «El principio lógico último de la naturaleza es que las cosas que persisten, persisten, y las que no, no», afirma Pross.
Esto puede parecer dolorosamente obvio, pero sugiere un tipo de estabilidad diferente del que suelen trabajar los químicos y los físicos. En termodinámica, el marco que describe cómo se relacionan el calor, la energía y el trabajo, la estabilidad de un estado viene determinada por su energía. Los estados más energéticos son menos estables que los menos energéticos, y el mundo no vivo evoluciona en una dirección: cuesta abajo, hacia el equilibrio, punto en el que no hay flujo neto de materia o energía entre el sistema y su entorno. Las bolas ruedan cuesta abajo, no cuesta arriba, y se quedan quietas una vez que llegan al fondo si se las deja tranquilas. «Los químicos hacen la mayoría de las cosas en equilibrio o en sistemas que llegan a él. Es lo normal», dice Otto.
La evolución puede comenzar en sistemas que normalmente no consideraríamos como vivos
Si los escenarios energéticos del mundo real fueran todos pendientes suaves, todo se desplazaría hacia el equilibrio y nunca volvería a ocurrir nada interesante. Pero no es tan sencillo: los sistemas pueden quedarse atascados en valles locales mientras van cuesta abajo hacia el verdadero equilibrio. Cuando eso ocurre, las reacciones químicas se vuelven increíblemente lentas. Esto se llama estabilidad cinética y es la razón por la que las pilas de leña no arden espontáneamente y por la que los diamantes son «eternos» aunque, termodinámicamente, estén por encima del grafito.
Pero la vida desafía estos dos tipos de estabilidad. Para la vida, tanto si está descansando al fondo de la montaña como si está atascada en una zanja a gran altitud, quedarse quieta significa la muerte. «La vida es un sistema dinámico. Nunca está en equilibrio, dice Wong».
Estabilidad Cinética Dinámica o DKS
Es este rechazo a cumplir con el orden termodinámico habitual de las cosas lo que ha hecho que la vida haya sido durante mucho tiempo tan poco digerible para las ciencias físicas. Pross hizo la biología más fácil de tragar al divorciar el concepto de estabilidad del de estados estáticos. La estabilidad del tipo cinético dinámico no consiste en sentarse al pie de la colina, sino en consumir energía y material para mantenerse en la cima. Como la paradójica nave de Teseo, los sistemas en un estado así se sostienen cambiando. Si se dejara solo, el barco acabaría por desmoronarse y entrar en equilibrio. Pero si se le suministra un flujo constante de piezas nuevas y la energía para ensamblarlas, puede mantenerse. «Ese régimen de formación frente a descomposición es la norma en biología, pero en química ha sido una excepción durante la mayor parte de su historia», afirma Otto.
La idea de que los sistemas pueden a veces, de alguna manera, mantenerse fuera del equilibrio no es del todo nueva. En su libro de 1944 ¿Qué es la vida?, el físico Erwin Schrödinger señaló que la vida se mantiene lejos del equilibrio disipando energía. Más tarde, en 1977, el físico-químico Ilya Prigogine ganó el premio Nobel de Química por su trabajo sobre la termodinámica hace que los sistemas físicos complejos, como los huracanes, se autoorganicen. La intuición de Pross consistió en tomar estas ideas sobre sistemas fuera del equilibrio y escribirlas en el lenguaje de la química: en concreto, recurrió a las leyes de tasas cinéticas, que describen la rapidez con la que se producen las reacciones DKS. «La DKS es un marco muy útil porque es mucho más concreto que la evolución darwiniana», afirma Otto.
Pross sostiene que las leyes de tasas cinéticas son cruciales para entender por qué persiste la vida. En cierto sentido, todo se reduce a la probabilidad: si hay mucho de algo ahora, es más probable que siga existiendo dentro de un tiempo. Las bacterias son un buen ejemplo de esta lógica. Individualmente son bastante fáciles de matar, pero hay muchas bacterias. Si sobrevive una sola, puede hacer un millón de copias de sí misma dividiéndose sólo 20 veces. En el caso de E. coli, tardaría unas 6 horas.
Este crecimiento exponencial es el «increíble poder cinético» de las moléculas que pueden copiarse a sí mismas, afirma Pross. Sin restricciones, una reacción autorreplicativa sería su propia peor enemiga: sin nada que las detenga, las células de E. coli invadirían rápidamente el planeta, lo consumirían todo y luego morirían finalmente en equilibrio. Pero si la tasa de nacimientos se equilibra con la de muertes, las poblaciones replicantes pueden mantenerse en lo alto de la pendiente energética en lugar de deslizarse por ella. Los organismos individuales mueren, pero la vida en su totalidad es mucho más antigua que la mayoría de las rocas de la superficie de la Tierra.
En teoría, lo que es cierto para E. coli también debería serlo para todas las moléculas autorreplicantes. En los sistemas químicos, la autorreplicación equilibrada por la destrucción debería producir un estado DKS con el poder cinético para resistir la caída al equilibrio máximo. Y una vez que el sistema se encuentra en ese estado, el principio rector de Pross de «supervivencia de lo estable» debería favorecer a los replicadores que mantienen esa estabilidad. De hecho, Pross ha calculado que los mejores replicadores llevarán a los demás a la extinción, en un proceso que se parece mucho a lo que ocurre en la evolución cuando múltiples especies compiten por recursos finitos.
La Estabilidad Cinética Dinámica o DKS podría incluso explicar por qué la evolución parece conducir a la vida hacia una diversidad y complejidad cada vez mayores. En términos generales, esto se debe a que el aumento de la DKS no tiene un destino final del mismo modo que el aumento de la estabilidad en la termodinámica. Si sales de un cráter, puedes acabar en cualquier parte del borde, pero si vas en dirección contraria a la orilla siempre acabas en el fondo. «Ponga un sistema en este estado dinámico, hágalo replicativo y le aseguro que se moverá en la dirección de una mayor complejidad», afirma Pross.
Pero, ¿se puede probar alguna de estas ideas? Aquí es donde Otto entra en escena. En 2010, estudiaba cuestiones relacionadas con el funcionamiento de las proteínas. En el camino, creó accidentalmente algunas de las primeras moléculas sintéticas que pueden autorreplicarse. Estas moléculas pueden reaccionar entre sí para formar anillos que se apilan formando estructuras tubulares. Y estos tubos estimulan la formación de otros tubos a partir de las moléculas originales. Otto y su equipo tardaron muchos años en perfeccionar el arte de trabajar y estudiar estas maravillas moleculares. Pero al hacerlo, se dieron cuenta de que eran las herramientas perfectas para explorar principios que podrían trascender los componentes biológicos específicos de la vida en la Tierra.
Ecologías químicas
El equipo de Otto empezó a experimentar con el equilibrio de las cinéticas del «nacimiento» y la «muerte» para mantener a los replicadores lejos del equilibrio. Una vez que Pross acuñó el término DKS, Otto tuvo por fin un nombre -y un conjunto de ecuaciones útiles- para lo que habían estado trabajando.
Armado con el marco DKS, en 2021, el equipo de Otto validó una de las predicciones clave de Pross: que los sistemas químicos en estados DKS pueden evolucionar hacia la complejidad, no hacia la simplicidad. Para ello, experimentaron con dos replicadores de distinto tamaño hechos con los mismos bloques de construcción: una especie de ecosistema primitivo con dos «especies» que compiten por el mismo recurso. Estos replicadores estaban sujetos a descomposición química a ritmos diferentes. El más pequeño se multiplicaba más rápido, pero el más grande resistía mejor el ataque químico, por lo que permanecía más tiempo. En conjunto, estos procesos de nacimiento y muerte lograron un equilibrio que favoreció al replicador más grande y complejo. Mientras formaba una población estable, el replicador más pequeño se extinguía. En otras palabras, la supervivencia de los estables sacó al sistema del equilibrio y lo llevó hacia la complejidad.
El experimento de Otto era la primera vez que alguien utilizaba el DKS para impulsar replicadores químicos sintéticos hacia la complejidad. Pero aún quedaba mucho por hacer. En 2024, el equipo de Otto demostró que sistemas similares pueden obedecer a un pilar clave de la teoría evolutiva llamado principio de exclusión de nicho. Según este principio, dos especies no pueden ocupar el mismo nicho ecológico. Por ejemplo, dos especies de pinzones que viven en la misma isla y comen lo mismo no pueden coexistir, por lo que estas especies deben desarrollar estrategias de alimentación diferentes si quieren sobrevivir. Del mismo modo, en los sistemas químicos de Otto, tríos de replicadores que compiten entre sí y que normalmente se extinguirían mutuamente podrían coexistir si estuvieran dotados de diferentes preferencias por los componentes químicos.
Los resultados sugieren una nueva respuesta a la pregunta de cómo la química inanimada se convierte en biología. «Se necesita algún tipo de dinámica evolutiva», afirma Charles Kocher, físico del Memorial Sloan Kettering Cancer Center de Nueva York que construye simulaciones por ordenador de estados DKS más complicados para explorar su comportamiento evolutivo. En otras palabras, la evolución puede comenzar en sistemas que normalmente no consideraríamos vivos. Esto significa que, como dice Pross, la vida no fue el principio de la evolución, sino su producto: un sistema químico que había escalado y se había alejado del equilibrio en un estado DKS . Pross describe la cinética que empuja hacia la complejidad como una «fuerza motriz».
Sin embargo, aunque Pross sostiene que la estabilidad cinética dinámica debería impulsar el aumento de la complejidad a lo largo del tiempo, este argumento es cualitativo: nadie ha descubierto aún cómo medir el crecimiento de la complejidad en los sistemas DKS. Tampoco existe una definición ampliamente aceptada de complejidad, y no está claro que el aumento constante de la complejidad sea realmente una característica distintiva de la vida. Al fin y al cabo, algunos peces cavernícolas han perdido los ojos y las bacterias adelgazan sus genomas cuando pueden.
Los orígenes de la conciencia
¿Dónde quedan las ideas de Pross sobre los estados DKS? Gracias a los experimentos de Otto, podemos afirmar que los sistemas no vivos pueden evolucionar hacia la complejidad. Esto ha confirmado una de las principales predicciones de Pross. Más allá de eso, sigue sin estar claro hasta qué punto influirá la idea. Se trata de un nuevo lenguaje para desvelar la naturaleza de la vida, pero no está claro si conducirá a nuevos descubrimientos.
Ya existen ideas basadas en el trabajo de Pross que pueden resultar más útiles. Inspirándose en parte en Pross, Wong y sus colegas idearon un marco alternativo basado en el concepto más rigurosamente definido de «información funcional» en lugar del nebuloso concepto de «complejidad». Han propuesto que en los sistemas evolutivos la información funcional siempre aumenta con el tiempo, a medida que acumulan información sobre cómo persistir en su entorno. Por ejemplo, el ala de un pájaro contiene implícitamente mucha información sobre la aerodinámica y la atmósfera terrestre. Y a diferencia de la complejidad, la información funcional sigue aumentando incluso cuando la evolución simplifica los organismos, si esa simplificación les ayuda a persistir en su entorno.
Para Pross, sin embargo, los estados DKS tienen mucho más que dar. Una de las lecciones clave que extrae de la hipótesis es que la vida nunca puede considerarse de forma aislada. De hecho, esto le ha llevado a un pensamiento radical: interpreta la dependencia de los sistemas DKS de su entorno como una especie de conciencia primitiva. «Esa dependencia, para mí, es el principio de una dimensión mental», afirma. «Una vez que eres consciente de un exterior, empiezas a ser consciente de ti mismo».
Atribuir la conciencia a sistemas químicos es, cuando menos, controvertido. Kevin Mitchell, neurogenético del Trinity College de Dublín (Irlanda) que estudia la evolución del organismo, se muestra escéptico ante la posibilidad de reducir la cognición a la química. «Es absolutamente correcto pensar en los organismos vivos como un patrón persistente de procesos químicos dinámicos a un nivel», afirma. «Pero eso no significa que todo lo que hace el organismo pueda entenderse a ese nivel».
Pross sigue sosteniendo que los procesos mentales deben entenderse en última instancia como procesos físicos, así que ¿dónde mejor empezar que con la estabilidad cinética dinámica? «La mente no flota en el aire. Tiene que surgir de un sistema físico», afirma. «Se acaba de abrir la puerta para resolver ese misterio».
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