La f¨ªsica no logra explicar c¨®mo surgi¨® la vida, pero una nueva teor¨ªa intenta aclarar el misterio

La f¨ªsica moderna puede explicarlo todo, desde el spin de la part¨ªcula m¨¢s diminuta hasta el comportamiento de c¨²mulos enteros de galaxias. Pero no puede explicar la vida. No existe ninguna f¨®rmula que establezca la diferencia entre un trozo de materia viva y otro muerto. La vida parece ¡°surgir¡± misteriosamente de componentes no vivos, como las part¨ªculas elementales. La teor¨ªa del ensamblaje, cuyas l¨ªneas b¨¢sicas han sido publicadas recientemente en Nature, es un audaz enfoque para explicar la vida a la escala m¨¢s fundamental. Parte de dos conceptos clave: la complejidad y la informaci¨®n (como la que contiene ADN). La nueva teor¨ªa permite entender c¨®mo surgen ambos en los sistemas qu¨ªmicos.

¡°Emergencia¡± es una palabra que los f¨ªsicos utilizan para explicar algo que es m¨¢s grande que la suma de sus partes. Por ejemplo, c¨®mo el agua puede percibirse h¨²meda cuando las mol¨¦culas individuales de agua no los son. La humedad, entonces, es una propiedad emergente. Aunque es una teor¨ªa elegante desde el punto de vista matem¨¢tico, solo puede ser fiable si se pone a prueba en el laboratorio. Para que las abstracciones de la hip¨®tesis del ensamblaje se basen en la realidad qu¨ªmica, es esencial realizar experimentos cuidadosamente dise?ados, como el que estamos llevando a cabo mis colegas y yo.

En el n¨²cleo de la teor¨ªa del ensamblaje est¨¢ la idea de que los objetos pueden definirse no como entidades inmutables, sino a trav¨¦s de la historia de c¨®mo se formaron. Esto nos lleva a los procesos mediante los cuales se construyen configuraciones complejas a partir de bloques de construcci¨®n m¨¢s simples. La teor¨ªa propone un ¡°¨ªndice de ensamblaje¡± que cuantifica los pasos m¨ªnimos, o el camino m¨¢s corto, necesarios para construir un objeto. Esta medida mide el grado de ¡°selecci¨®n¡± indispensable para producir un conjunto de objetos, en referencia a la memoria ¨Ccomo el ADN¨C necesaria para crear seres vivos.

Al fin y al cabo, los seres vivos no surgen espont¨¢neamente, como el helio en las estrellas. Requieren el ADN como modelo para crear nuevas versiones.

Quince pasos para crear una mol¨¦cula de vida

Pero ?c¨®mo podr¨ªan comprobarse experimentalmente estas construcciones te¨®ricas? Un aspecto clave de la nueva teor¨ªa ya se ha probado en nuestro laboratorio. Se trata de la determinaci¨®n del ¨ªndice de ensamblaje mediante espectrometr¨ªa de masas, una herramienta anal¨ªtica que permite medir la relaci¨®n entre la masa y la carga de las mol¨¦culas.

Fragmentando mol¨¦culas y analizando sus espectros de masas podemos estimar su ¨ªndice de ensamblaje. O sea, podemos ver literalmente cu¨¢ntos pasos necesitan los distintos fragmentos para unirse y formar una mol¨¦cula determinada. Dicho ¨ªndice tambi¨¦n puede medirse con otras t¨¦cnicas, como la espectroscop¨ªa infrarroja y la espectroscop¨ªa de resonancia magn¨¦tica nuclear.

En nuestra investigaci¨®n hemos podido determinar el ¨ªndice de ensamblaje para una serie de mol¨¦culas, en el laboratorio y mediante simulaciones computacionales. Nuestro trabajo demuestra que las mol¨¦culas asociadas a la vida, como las hormonas y los metabolitos (productos de las reacciones metab¨®licas), son realmente m¨¢s complejas y requieren m¨¢s informaci¨®n para ensamblarse que las mol¨¦culas que no se vinculan exclusivamente a la vida, como el di¨®xido de carbono.

De hecho, hemos demostrado que un ¨ªndice de ensamblaje superior a 15 pasos solo se encuentra en las mol¨¦culas relacionadas con los seres vivos, tal y como sugiere la teor¨ªa.

La hip¨®tesis del ensamblaje tambi¨¦n propone ideas sobre el origen de la vida que pueden someterse a comprobaci¨®n. Seg¨²n postula, hay un punto en el que las mol¨¦culas se vuelven tan complejas que empiezan a utilizar informaci¨®n para hacer copias de s¨ª mismas ¨Cde repente requieren memoria e informaci¨®n¨C, una especie de umbral en el que la vida surge de la no vida.

En ¨²ltima instancia, puede ocurrir que sistemas no biol¨®gicos adquieran capacidad de selecci¨®n y una memoria m¨ªnima (igual que el Sol form¨® los planetas juntando una gran cantidad de masa). Pero no es posible la existencia de organismos vivos o la tecnolog¨ªa que estos crean, desde el Lego a la ciencia espacial, sin altos niveles de memoria y capacidad de selecci¨®n.

Sopa qu¨ªmica

Tenemos previsto investigar m¨¢s a fondo este origen de la vida creando una especie de sopa qu¨ªmica en nuestro laboratorio. En dicha sopa podr¨ªan crearse mol¨¦culas totalmente nuevas a lo largo del tiempo, ya sea a?adiendo diversos reactivos o por azar, mientras controlamos su ¨ªndice de ensamblaje y el crecimiento del sistema. Ajustando las velocidades de reacci¨®n y las condiciones, podr¨ªamos estudiar ese fascinante punto de transici¨®n de la no vida a la vida, y averiguar si sigue las predicciones de la teor¨ªa del ensamblaje.

Tambi¨¦n estamos dise?ando ¡°generadores de sopa qu¨ªmica¡±, que mezclan sustancias qu¨ªmicas simples para obtener otras complejas. Estos generadores pueden ayudarnos a comprender mejor c¨®mo puede construirse la complejidad con la teor¨ªa del ensamblaje y c¨®mo puede iniciarse la selecci¨®n fuera de la biolog¨ªa.

Esto podr¨ªa darnos alguna pista sobre c¨®mo evolucion¨® la vida por primera vez, comenzando con una selecci¨®n m¨ªnima y requiriendo luego cada vez m¨¢s. En condiciones id¨¦nticas, ?se construyen los objetos de forma predecible? ?O entra en juego el azar en alg¨²n momento? Esto nos ayudar¨ªa a entender si la aparici¨®n de la vida es determinista y predecible o, por el contrario, resulta m¨¢s ca¨®tica.

La teor¨ªa del ensamblaje podr¨ªa aplicarse m¨¢s all¨¢ de las mol¨¦culas, inspirando estudios sobre otros sistemas que dependen de combinaciones, como agregados de materiales, pol¨ªmeros o qu¨ªmica artificial. Esto podr¨ªa dar lugar a nuevos conocimientos cient¨ªficos o innovaciones tecnol¨®gicas. Podr¨ªa revelar patrones sutiles mediante los que las mol¨¦culas por encima de un ¨ªndice de ensamblaje m¨ªnimo poseen determinadas propiedades de manera desproporcionada.

Tambi¨¦n ser¨ªa posible utilizar la teor¨ªa para estudiar la propia evoluci¨®n. Los investigadores podr¨ªan explorar el papel de los fragmentos de c¨¦lulas en el proceso de formaci¨®n de una c¨¦lula global, surgidos a su vez de mol¨¦culas m¨¢s peque?as que se combinan para formar amino¨¢cidos y nucle¨®tidos. Rastrear la aparici¨®n de redes metab¨®licas y gen¨¦ticas de este modo podr¨ªa ofrecer pistas sobre las transiciones en la historia evolutiva.

Rastrear c¨®mo se ensamblan los objetos exige un seguimiento experimental preciso, pero puede merecer la pena. La teor¨ªa del ensamblaje promete una comprensi¨®n radicalmente nueva de la materia, con la posibilidad de descubrir principios universales de construcci¨®n jer¨¢rquica que trascienden la biolog¨ªa.

Las configuraciones complejas de la materia quiz¨¢ no sean objetos inmutables, sino puntos de referencia en un proceso abierto de construcci¨®n que se propaga a trav¨¦s del tiempo. El universo puede obedecer ciertas leyes f¨ªsicas, pero en ¨²ltima instancia es creativo.

Lee Cronin es investigador de la Universidad de Glasgow

Este art¨ªculo fue publicado originalmente en The Conversation.

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