(Versión en español más abajo)
Francis Crick and James Watson, as theoreticians and model builders, with the little-known and even less recognized experimental collaboration of Rosalind Franklin, achieved a fundamental milestone in the knowledge of our biological existence by discovering the structure of DNA (1,2). In a great example of the prudence expected from good scientists, they finished their published article about their discovery by writing the following: "It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” This copying mechanism, the genetic code, is present in every living being and in viruses. As Brian Greene says, “… seeing the code demonstrates what biologists mean when they call it universal. Every molecule of DNA, whether from seaweed or Sophocles, encodes the information needed to build proteins in the same way. That is the unity of life’s information (3).” In addition to this unity of information, there is also unity in the way living beings use energy. All of them, and also viruses for their reproduction, depend on the same machinery for the use of energy necessary to stay alive and reproduce (3).
Some researchers think the time that elapsed between Earth’s formation 4.56 billion years ago and the probable date of life’s appearance—possibly 4.1 billion years ago—was too short, especially considering the great bombardment of meteorites and comets; they suggest that life came from elsewhere. As a possibility, since the formation of Earth, an estimated 1.0 billion tons of meteorites originating from Mars have arrived to our planet. Experiments have shown that the conditions necessary to remove matter from Mars, for example by the collision of some rock from the asteroid belt, would not necessarily imply that the heat generated killed all life-forms in the resulting meteorite. Since Mars has less gravity than Earth and 10% of the Earth's mass, the energy needed to detach rocks from its surface is relatively low (4,5). On the other hand, if life came from Mars, its appearance would not have taken a much longer time than on Earth, since our entire solar system is only about 4.6 to 5 billion years old.
Thinking of a possible origin of life farther away than Mars, I have already mentioned the presence of water in comets, such as 2I/Borisov, coming from interstellar space with ice formed outside our solar system (6). Cosmic radiations might not pose a problem in this regard. One of the difficulties faced by astronauts on the International Space Station is the constant presence of fungi on the walls of the station due to condensation. The spores of these fungi are able to resist 200 times the radiation that would kill a person (7).
Life anywhere in the universe should have some common characteristics (4). The molecule that transmits genetic information must be stable. DNA, the molecule of our genes, can resist boiling water for several hours, can be recovered from fossils more than a million and a half years old (8) and from soil after about two million years of presence there (9). The molecule must also be susceptible to error and modification allowing variation and evolution, but the frequency of error must be limited to avoid the degeneration and destruction of life. In addition, organisms must be subject to thermodynamic laws in the obtaining and use of energy.
Once life was established on Earth, its evolution must have been aided by the appearance of the magnetic field at least 3.7 billion years ago. Earth’s magnetic field protects us to a large extent from the Sun’s radiation and helps the retention of the atmosphere and liquid water on its surface (10). However, the disappearance of the magnetic field on Mars, at about the same time, contributed to the opposite phenomena (11).
Biological evolution has apparently functioned at just two different speeds. The slowest speed, in which there is a gradual change in species, was postulated by Darwin. The other speed, of explosive proportions, follows cataclysms generally of a global nature, with rapid extinctions and with changes in species to adapt to new conditions. Many species evolve very quickly to fill the new ecological spaces born of these great changes in the environment (4). The best known of these planetary catastrophes is the one associated with the extinction of the dinosaurs.
In the very long term, carbon dioxide will decrease in our atmosphere due to its inclusion in calcareous skeletons of living beings and its integration into the surface of continents. Its depletion will cause a reduction of photosynthetic organisms, consequently decreasing oxygen in the atmosphere, making animal life unsustainable. However, this will not happen for some 500 million years (4).
Versión en español:
Francis Crick y James Watson (como teóricos y generadores de modelos), con la poco conocida y aún menos reconocida colaboración experimental de Rosalind Franklin, lograron un hito fundamental en el conocimiento de nuestra existencia biológica al descubrir la estructura del ADN (1,2). En un gran ejemplo de la prudencia que se espera de los buenos científicos, terminaron su artículo publicado sobre su descubrimiento escribiendo lo siguiente: "No se nos ha escapado que el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el material genético". Este mecanismo de copia, el código genético, está presente en todos los seres vivos y en los virus. Como dice Brian Greene, "... ver el código demuestra lo que los biólogos quieren decir cuando lo llaman universal. Cada molécula de ADN, ya sea de algas marinas o de Sófocles, codifica la información necesaria para construir proteínas de la misma manera. Esa es la unidad de la información de la vida (3)". Además de esta unidad de información, también hay unidad en la forma en que los seres vivos usan la energía. Todos ellos, y también los virus para su reproducción, dependen de la misma maquinaria para el uso de la energía necesaria para mantenerse vivos y reproducirse (3).
Algunos investigadores piensan que el tiempo que transcurrió entre la formación de la Tierra hace 4.560 millones de años y la fecha probable de aparición de la vida, posiblemente hace 4.100 millones de años, fue demasiado corto, especialmente teniendo en cuenta el gran bombardeo de meteoritos y cometas que ocurrió en torno a ese tiempo; sugieren que la vida vino de otro lugar. Como posibilidad, desde la formación de la Tierra, se estima que 1.000 millones de toneladas de meteoritos procedentes de Marte han llegado a nuestro planeta. Se ha demostrado experimentalmente que las condiciones necesarias para desprender materiales de Marte, por ejemplo, por la colisión de alguna roca del cinturón de asteroides, no implicarían necesariamente que el calor generado matara a todas las formas de vida en el meteorito resultante. Dado que Marte tiene menos gravedad que la Tierra y el 10% de la masa de la Tierra, la energía necesaria para separar las rocas de su superficie es relativamente baja (4,5). Por otro lado, si la vida viniera de Marte, su aparición no habría tardado mucho más tiempo que en la Tierra, ya que todo nuestro sistema solar es de solo unos 4.600 a 5.000 millones de años.
Pensando en un posible origen de la vida más lejano que Marte, ya he mencionado la presencia de agua en cometas, como 2I/Borisov, procedentes del espacio interestelar con hielo formado fuera de nuestro sistema solar (6). Las radiaciones cósmicas podrían no plantear un problema en este sentido. Una de las dificultades a las que se enfrentan los astronautas en la Estación Espacial Internacional es la presencia constante de hongos en las paredes de la estación debido a la condensación. Las esporas de estos hongos son capaces de resistir 200 veces la radiación que mataría a una persona (7).
La vida en cualquier parte del universo debe tener algunas características comunes (4). La molécula que transmite la información genética debe ser estable. El ADN, la molécula de nuestros genes, puede resistir el agua hirviendo durante varias horas, puede recuperarse de fósiles de más de un millón y medio de años de antigüedad (8) y del suelo tras unos dos millones de años de depositarse (9) . La molécula también debe ser susceptible al error y la modificación permitiendo la variación y la evolución, pero la frecuencia del error debe limitarse para evitar la degeneración y destrucción de la vida. Además, los organismos deben estar sujetos a leyes termodinámicas en la obtención y uso de energía.
Una vez que la vida se estableció en la Tierra, su evolución debe haber sido ayudada por la aparición del campo magnético hace al menos 3.700 millones de años. El campo magnético de la Tierra nos protege en gran medida de la radiación del Sol y ayuda a la retención de la atmósfera y el agua líquida en su superficie (9). Sin embargo, la desaparición del campo magnético en Marte, casi al mismo tiempo, contribuyó a los fenómenos opuestos (10).
La evolución biológica aparentemente ha funcionado a dos velocidades diferentes. La velocidad más lenta, en la que hay un cambio gradual en las especies, fue postulada por Darwin. La otra velocidad, de proporciones explosivas, sigue cataclismos generalmente de carácter global, con extinciones rápidas y con cambios en las especies para adaptarse a las nuevas condiciones. Muchas especies evolucionan muy rápidamente para llenar los nuevos espacios ecológicos nacidos de estos grandes cambios en el medio ambiente (4). La más conocida de estas catástrofes planetarias es la asociada a la extinción de los dinosaurios.
A muy largo plazo, el dióxido de carbono disminuirá en nuestra atmósfera debido a su inclusión en esqueletos calcáreos de seres vivos y su integración en la superficie de los continentes. Su agotamiento provocará una reducción de los organismos fotosintéticos, disminuyendo en consecuencia el oxígeno en la atmósfera, haciendo insostenible la vida animal. Sin embargo, esto no sucederá hasta dentro de unos 500 millones de años (4).
Image / Imagen:
Rosalind Franklin. Author / Autor: Rori!, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rosalind_Franklin_CC-BY-SA.png.
References /Referencias:
(1) James D. Watson and Francis H.C. Crick. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, volume 171: 737–738, 1953; Howard Markel.
(2) Howard Markel. The Secret of Life: Rosalind Franklin, James Watson, Francis Crick, and the Discovery of DNA's Double Helix, 2021, W.W. Norton & Company, Inc., New York; Editorial. How Rosalind Franklin was let down by DNA’s dysfunctional team. Nature 616 (7958): 630, 2023. DOI: 10.1038/d41586-023-01390-6. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01390-6.
(3) Brian Greene. Until the End of Time: Mind, Matter and our Search for Meaning in an Evolving Universe. Alfred A. Knopf, New York, 2020.
(4) Peter Ward and Joseph Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015.
(5) Benjamin P. Weiss et al. A Low Temperature Transfer of ALH84001 from Mars to Earth. Science27 Oct 2000: Vol. 290, Issue 5492, pp. 791-795. DOI: 10.1126/science.290.5492.791.
(6) Adam J. McKay et al 2020 ApJL 889 L10. Detection of a Water Tracer in Interstellar Comet 2I/Borisov. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab64ed.
(7) Marta Cortesao et al. Fungal Spore Resistance to Space Radiation. https://agu.confex.com/agu/abscicon19/meetingapp.cgi/Paper/479567.
(8) van der Valk, T., Pečnerová, P., Díez-del-Molino, D. et al. Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature 591, 265–269 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03224-9.
(9) Kjær, K.H., Winther Pedersen, M., De Sanctis, B. et al. A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature612, 283–291 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05453-y
(10) Alexandra Witze. Greenland rocks suggest Earth’s magnetic field is older than we thought. Nature 576, 347 (2019). DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03807-7.
(11) B.M. Jarosky et al. Mars’ atmospheric history derived from upper-atmosphere measurements of 38Ar/36Ar. Science 355 (6332): 1408-1410, 201
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