Geological time spiral / Espiral del tiempo geológico
The ability of some molecules to self-reproduce has been observed using computer programs based on known chemistry. This phenomenon has been confirmed in the laboratory using only very simple molecules like water, hydrogen cyanide, ammonia, hydrogen sulfide, nitrogen, and methane. This means that the self-reproduction of molecules may occur spontaneously. Scientists also detected the self-reproduction of micelles (lipid compounds that might be precursors of cell membranes) as well as ten different ways to generate adenine (a molecule present in nucleic acids and fundamental for genetic inheritance), and twenty-four new methods of synthesis of other prebiotic molecules. The molecules that self-generated using these computer programs had a high capacity to dissolve in water and to establish hydrogen bonds, a common property of complex biological molecules, such as proteins or nucleic acids (1).
Perhaps the molecule that greater number of scientists support as the embodiment of molecular Darwinism—in the evolution from physics to chemistry, and then to life—is ribonucleic acid (RNA). This complex molecule can replicate with the variation necessary for evolution. RNA also has a more flexible structure than DNA that allows RNA to acquire configurations with catalytic activities (called ribozymes). In addition, RNA also regulates multiple cellular processes (2). RNA is unstable in water, which complicates accepting its role as the basic molecule at the origin of life, but on the other hand, RNA needs to consume less energy than DNA for replication, a possible evolutionary advantage (3). The formation of short chains of RNA has been observed in the laboratory. From a length of about 30 nucleotides, these RNA molecules acquire catalytic properties and begin to self-replicate (4).
Defining life is not easy. British astrobiologist Charles Cockell has provided possibly the shortest and simplest definition of life in just four words: "self-replicating matter that evolves” (5).
Instinctively, the difference between living organisms and inanimate matter seems evident to us, but we are not able to find the boundary between living organisms and inanimate matter without the help of science and its instruments. When we consider what we have learned about life at the microscopic level, we realize that the frontier between a living being and other forms of matter is much less defined. Archaea, single-celled microorganisms that lack nuclei and are evolutionarily close to the Earth’s first living beings, leave no doubt that they are alive. Viruses lack the traditionally recognized earmarks of other living things; yet, are viruses living beings? They are parasitic microorganisms that have a very complex structure, as well as genetic material and a protective cover that isolates them from the environment. They can only survive and replicate inside a living host that they have infected by using that host’s cellular tools. Therefore, viruses are not cellular, have no metabolism, and cannot replicate on their own. On the other hand, just like living organisms, viruses can make copies of themselves with mutations susceptible to natural selection to improve their adaptation to the environment.
Is a seed alive or not? It can remain dormant, in a state of suspended animation, for more than 140 years under natural conditions (6). Yet if the right conditions are met, it can generate a plant that no one would doubt is alive or not. In the case of bacterial spores, their state of suspended animation can last up to 250 million years (7). Are the organelles that are part of a cell alive? Although there is no doubt that a cell is alive, are its nucleus, mitochondria, or membrane alive? Suspended animation doesn't just affect bacteria and plants. In humans, an oocyte, the precursor of a female egg, can remain inactive for about half a century, then give rise to a human being.
One of the most recently identified ecosystems corresponds to the highest altitudes of the atmosphere (8), where bacterial and fungal cells are present. When bacteria are collected from these altitudes they can be described as dead. However, under the right conditions, they come back to life (5). High-altitude winds may have played a very important role in extending life on the planet (8,9).
Versión en español:
La capacidad de algunas moléculas para autorreplicarse se ha observado utilizando programas informáticos basados en la química conocida. Este fenómeno se ha confirmado en el laboratorio utilizando solo moléculas muy simples como agua, cianuro de hidrógeno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y metano. Esto significa que la autorreplicación de las moléculas puede ocurrir espontáneamente. Los científicos también detectaron la autorreplicación de micelas (compuestos lipídicos que podrían ser precursores de las membranas celulares), así como diez formas diferentes de generar adenina (una molécula presente en los ácidos nucleicos y fundamental para la herencia genética), y veinticuatro nuevos métodos de síntesis de otras moléculas prebióticas. Las moléculas que se autogeneraban utilizando estos programas informáticos tenían una alta capacidad para disolverse en agua y establecer enlaces de hidrógeno, una propiedad común de moléculas biológicas complejas, como proteínas o ácidos nucleicos (1).
Tal vez la molécula que un mayor número de científicos apoyan como la encarnación del darwinismo molecular, en la evolución de la física a la química, y luego a la vida, es el ácido ribonucleico (ARN). Esta molécula compleja puede replicarse con la variación necesaria para la evolución. El ARN también tiene una estructura más flexible que el ADN que permite que el ARN adquiera configuraciones con actividades catalíticas (llamadas ribozimas). Además, el ARN también regula múltiples procesos celulares (2). El ARN es inestable en el agua, lo que complica aceptar su papel como molécula básica en el origen de la vida, pero, por otro lado, el ARN necesita consumir menos energía que el ADN para la replicación, una posible ventaja evolutiva (3). La formación de cadenas cortas de ARN se ha observado en el laboratorio. A partir de una longitud de aproximadamente 30 nucleótidos, estas moléculas de ARN adquieren propiedades catalíticas y comienzan a autorreplicarse (4).
Definir la vida no es fácil. El astrobiólogo británico Charles Cockell ha proporcionado posiblemente la definición más corta y simple de la vida en solo cuatro palabras: "materia autorreplicante que evoluciona" (5).
Instintivamente, la diferencia entre los organismos vivos y la materia inanimada nos parece evidente, pero no somos capaces de encontrar el límite entre los organismos vivos y la materia inanimada sin la ayuda de la ciencia y sus instrumentos. Cuando consideramos lo que hemos aprendido sobre la vida a nivel microscópico, nos damos cuenta de que la frontera entre un ser vivo y otras formas de materia está mucho menos definida. Las arqueas, microorganismos unicelulares que carecen de núcleos y evolutivamente cercanos a los primeros seres vivos de la Tierra, no dejan lugar a dudas de que están vivos. Los virus carecen de las marcas tradicionalmente reconocidas de otros seres vivos; sin embargo, ¿son los virus seres vivos? Son microorganismos parásitos que tienen una estructura muy compleja, así como material genético y una cubierta protectora que los aísla del medio ambiente. Sólo pueden sobrevivir y replicarse dentro de un huésped vivo que han infectado mediante el uso de las herramientas celulares de ese huésped. Por lo tanto, los virus no son células, no tienen metabolismo y no pueden replicarse por sí solos. Por otro lado, al igual que los organismos vivos, los virus pueden hacer copias de sí mismos con mutaciones susceptibles de selección natural para mejorar su adaptación al medio ambiente.
¿Una semilla está viva o no? Puede permanecer inactivo, en estado de animación suspendida, durante más de 140 años en condiciones naturales (6). Sin embargo, si se cumplen las condiciones adecuadas, puede generar una planta que nadie dudaría de que está viva o no. En el caso de las esporas bacterianas, su estado de animación suspendida puede durar hasta 250 millones de años (7). ¿Están vivos los orgánulos que forman parte de una célula? Aunque no hay duda de que una célula está viva, ¿están vivos su núcleo, mitocondria o membrana? La animación suspendida no sólo afecta a las bacterias y las plantas. En los seres humanos, un ovocito, el precursor del óvulo, puede permanecer inactivo durante aproximadamente medio siglo, y luego dar lugar a un ser humano.
Uno de los ecosistemas identificados más recientemente corresponde a las altitudes más altas de la atmósfera (8), donde están presentes células bacterianas y fúngicas. Cuando las bacterias se recogen de estas altitudes, pueden describirse como muertas. Sin embargo, en las condiciones adecuadas, vuelven a la vida (5). Los vientos de gran altitud pueden haber jugado un papel muy importante en la diseminación de la vida en el planeta (8,9).
Image / Imagen:
- Author / Autor: United States Geological Survey, Public domain, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geological_time_spiral.png.
Accessed on April 1, 2022.
References / Referencias:
1. Agnieszka Wolos et al. Synthetic connectivity, emergence, and self-regeneration in the network of prebiotic chemistry. Science 369 (6511) 2020, eaaw1955. DOI: 10.1126/science.aaw1955.
2. Razvan Cojocaru and Peter J. Unrau. Processive RNA polymerization and promoter recognition in an RNA World. Science 19 Mar 2021: Vol. 371, Issue 6535, pp. 1225-1232. DOI: 10.1126/science.abd9191.
3. Jeremy England. Every life is on fire. How thermodynamics explains the origins of living things. Basic books, 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. Charles Cockell. The Equations of Life. How Physics Shapes Evolution. Atlantic Books, London, 2018.
6. Cara Giaimo. One of the world’s oldest science experiments comes up from the dirt. https://www.nytimes.com/2021/04/21/science/beal-seeds-experiment.html. Accessed on March 16, 2022.
7. Mark Roth. Suspended animation is within our grasp. https://www.ted.com/talks/mark_roth_suspended_animation_is_within_our_grasp. Accessed on October 6, 2021.
8. Natasha DeLeon-Rodriguez et al. Microbiome of the upper troposphere: Species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implication. PNAS February 12, 2013 110 (7) 2575-2580; https://www.pnas.org/content/110/7/2575.
9. David Christian. Origin Story: A Big History of Everything. Allen Lane, Penguin Random House UK, London, 2018.
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