El misteri de la vida II

El misteri de la vida II    

Un dels principis de l’ecologia és que competidors directes no poden coexistir. Ja Darwin va observar els  ocells fringíl·lids a les Galàpagos i com havien diferenciat els seus becs per a no competir directament en la cerca d’aliments.  Bé,  doncs,  Gerald Joyce va fer un experiment amb dues molècules diferents de RNA, anomenem-les RNA 1 i RNA 2.  Posades en un determinat substrat per a que es repliquessin i evolucionessin, RNA 1 va resultar més eficient i va portar el RNA 2 a l’extinció, però, al canviar el substrat va passar a l’inrevés.   Ara bé,  un resultat molt més interessant i remarcable va ser quan es van mesclar cinc tipus de substrats diferents.    Aleshores els dos RNA van coexistir,  però, encara que a l’inici els dos RNA van usar els cinc substrats, al cap d’un temps un es va nodrir d’un substrat i el segon d’un altre.   Es a dir, els RNA es van comportar com els ocells de les Galàpagos!

La història de la vida és la història d’una creixent complexificació des de els bacteris més humils fins a l’home passant pels eucariotes i els organismes multicel·lulars. Però,  com es pot comprendre aquesta complexificació en el nivell químic ?   El mateix Gerald Joyce va aconseguir que una molècula de RNA es repliqués sense assistència enzimàtica.   En el seu experiment una molècula de RNA, anomenem-la T,  es composa de dos segments A i B. T, actuant com a motllo,  induïa la replicació de dos fragments solts A i B, que flotaven lliurament i finalment s’unien formant T . La reacció de replicació, encara que possible, era molt lenta, tardava 17 hores en doblar la seva quantitat i endemés les molècules només es podien replicar dues vegades, encara que es proveís amb tot el material necessari.  Ara bé, quan Joyce va substituir la molècula original per un sistema de dues molècules prèviament seleccionades curosament, la replicació es va fer molt eficient i la quantitat de molècules es doblava en una hora i podia procedir indefinidament.  Com era això possible?  Es va veure que una molècula catalitzava la formació de l’altra i viceversa en una reacció creuada de catàlisi.  Per tant, el sistema més complex s’autoreplicava , però d’una manera més complexa.   És una observació interessant perquè la replicació holística és la norma en biologia .  Les cèl·lules es reprodueixen com un tot, no replicant individualment cada molècula.  En resumides comptes: el que un sistema senzill feia de forma ineficient, un de més complex ho feia de forma més eficient.   Dit d’una altra manera, un procés de complexificació  ha conduit a una capacitat replicativa més alta.  L’ evolució en biologia està normalment associada a un procés seqüencial que consisteix en: replicació, mutació, selecció, evolució.  La seqüència hauria de ser: replicació, mutació, complexificació, selecció, evolució.   

En els anys 70, l’eminent químic alemany i premi Nobel  Manfred Eigen i un també distingit col·lega austríac, Peter Schuster, van desenvolupar el concepte de quasiespècie.  En el món dels RNA mutants , els que s’autorepliquen més ràpidament extingeixen el més lents.  El que Eigen i Schuster van descobrir és que el resultat de la competició no és una sola classe de RNA sinó una població de RNAs que es centren al voltant de la seqüència més exitosa.  No és la seqüència que més s’adapta la que guanya sinó la “quasiespècie”   més adaptable.  Aquí es veu la importància de la heterogeneïtat de la població. La mutació que pot portar a un RNA encara més exitós que l’actual pot provenir  d’un RNA que es replica més lentament que el més ràpid.  La heterogeneitat genera  més possibilitats per a que l’evolució porti a terme la seva màgia.  L’evolució és un procés que porten a terme les poblacions, no els individus.

Una simulació teòrica recent realitzada per Emmanuel Tannebaum, Nathaniel Wagner i Addy Pross ha demostrat que si una molècula replicativa adquireix, per una mutació, la capacitat de capturar energia del medi ambient, per exemple l’energia de la llum en una mena de fotosíntesi primitiva, seria capaç de competir eficaçment amb les molècules que no tinguessin aquesta capacitat i les portaria a l’extinció.  I això seria veritat, fins i tot, si la molècula amb capacitat de capturar energia fos més lenta al replicar-se.   L’explicació és que el procés de replicació necessita que els blocs constructius dels que es nodreix estiguin activats químicament per a que puguin enllaçar-se. Ara bé, els blocs activats (d’alta energia) tendeixen a ser escassos i per tant, la molècula que amb la captura d’energia pugui activar els de baixa energia tindrà més possibilitats de replicar-se.

La conclusió és que podríem dir que el moment en el que un replicador no metabòlic va adquirir la capacitat de capturar energia es podria pensar com el moment en que la vida va néixer.

Aquest és el millor resum que he pogut fer en poques línies de l’excel·lent llibret que m’ha mantingut intel·lectualment entretingut les dues darreres setmanes. Recomano la seva lectura als que vulguin aprofundir en aquest camí fascinant per entendre el que és la vida.

 

El misteri de la vida I

El misteri de la vida I

Entre les grans preguntes encara sense resposta en trobem tres relacionades amb la vida:

-Què és la vida?

-Com va emergir a la Terra?

-Com es pot fabricar la vida?

Aquestes preguntes estan relacionades entre elles. Si sabéssim en què consisteix la vida podríem conjecturar com va emergir i pot ser ens seria més fàcil trobar la manera de sintetitzar-la. Si sabéssim com fabricar-la,  la entendríem. Va ser Richard Feymann el que va dir: “Allò que no puc crear no ho comprenc”, encara que també podríem dir-ho al revés: “Allò que no comprenc no ho puc crear”. El que està clar és que avui ningú de prestigi creu en la teoria de “ l’élan vital” que va estar en voga a principi del segle XX. La vida és química, però és una química especial, el que s’anomena avui química replicativa de la qual en parlarem aquí.

Si aquestes preguntes no us fan vibrar pot ser la resta d’aquest bloc us deixarà indiferent. Aquest bloc està basat en la lectura del llibret “What is Life?. How Chemistry Becomes Biology” d’ Addy Pross.  Esbrinar les possibles respostes, o els camins cap una resposta,  a aquestes preguntes fonamentals és una de les raons per les quals la vida humana mereix ésser viscuda. Ja ho va dir Steven Weinberg:  “The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy. ” .   La lectura del llibre de Pross m’ha proporcionat un plaer (espiritual) comparable a la millor nit d’èxtasi  carnal o al millor sopar en una de les catedrals de la gastronomia.

Pot ser de les tres, la pregunta més difícil és saber com va emergir la vida a la Terra, ja que no tenim evidències fòssils ni sabem amb certesa les condicions ambientals on va sorgir la vida, ni probablement ho sapiguem mai.   Si la Terra es va formar fa uns 4.600 milions d’anys, es creu que en els primers 600 a 800 milions d’anys les condicions eren tan extremes (constants bombardeigs de meteorits) que la vida no va ser possible. La evidència fòssil més antiga de vida és de fa uns 3.400 milions d’anys i hi ha evidència indirecta de fins a 3.800 milions d’anys.  Els primers éssers vius eren cèl·lules procariotes com els bacteris, cèl·lules sense nucli. Les cèl·lules eucariotes no van aparèixer fins 2.000 milions d’anys més tard i les plantes i animals multicel·lulars no van aparèixer fins 600 anys desprès. Alguns científics famosos (Arrhenius, Crick) han apostat perquè la vida hagi vingut de l’espai, però això no desxifra el misteri del seu origen aquí o en un altre planeta.

En els anys 50 Stanley Miller, un estudiant del premi Nobel Harold Urey, va realitzar un famós experiment. Va mesclar vapor d’aigua, amoníac, hidrogen i metà, gasos que se suposaven existents a la Terra primitiva i els va sotmetre a descàrregues elèctriques simulant els raigs atmosfèrics. La sorpresa és que van aparèixer materials orgànics i entre ells, alguns aminoàcids. En altres experiments semblants s’han obtingut bases orgàniques que són components dels àcids nucleics, però,  de fet,  no s’ha avançat molt més en aquesta línia.

Hi ha dotzenes de definicions de vida, totes amb mancances. La més standard,  avui en dia, és la de la Nasa:  La vida és un sistema químic auto sostingut capaç d’evolució Darwiniana. El que està clar és que els sistemes vius tenen dues característiques bàsiques que són la replicació i el metabolisme.  Hi ha moltes controvèrsies de quin va ser primer, si la replicació o el metabolisme.  Hi ha cicles metabòlics que es reprodueixen.  La vida precisa de metabolisme perquè sense extraure energia les reaccions químiques segueixen la segona llei de la termodinàmica i les substàncies tendeixen a l’estabilitat. L’hidrogen i l’oxigen reaccionen per a formar aigua que és molt més estable que la mescla dels gasos.

En el decurs dels darrers 50 anys s’han fet experiments notables que ens permeten començar a entendre que la vida és part del que s’anomena avui química replicativa. En el 1967 Sol Spiegelman va mesclar un fragment de RNA amb molècules de les que es composa i amb l’ajuda d’un enzim va aconseguir que el RNA fes còpies d’ell mateix. En el 1986 Günter von Kiedrowski  va ser capaç, per primera vegada, d’obtenir una replicació química sense l’ajut de cap agent biològic, és a dir sense cap enzim. Spiegelman ja va observar també una cosa curiosa.  Degut a que la replicació és, de vegades,  imperfecta  la solució es va poblar de RNAs mutants i els més curts es replicaven més ràpidament que els més llargs. Així el RNA original que tenia uns 4.000 nucleòtids va desaparèixer i el RNA resultant va ser un d’uns 550 nucleòtids.   Aquest procés evolutiu va ser purament químic.

Encara que molts científics han apostat per un origen de la vida basat en el RNA, fins el 2009 no s’havia pogut sintetitzar-lo.  El RNA resol el problema de “l’ou i la gallina” que presentava el DNA.  Les proteïnes (un dels components bàsics de la vida juntament amb els àcids nucleics) es sintetitzen gràcies a les instruccions que porta el DNA, però aquest,  per a replicar-se,  necessita enzims que són proteïnes.  El cas del RNA és diferent perquè també és un enzim (premi Nobel per a Cech i Altman qui van ser els que ho van descobrir).  Bé, doncs en el 2009 John Sutherland va aconseguir sintetitzar RNA a partir de materials prebiòtics, trencant amb els convencionalismes que havien fet servir els que l’havien precedit en el infructuós esforç.  Encara que les condicions en el laboratori fossin molt diferents que les que van existir fa 4.000 milions d’anys a la Terra, en principi no es pot excloure que la naturalesa no hagués també trobat un camí insospitat com el va trobar Sutherland.    (Continuarà)

 

Com es formen les memòries?

Per investigar el cervell la resonància magnètica és un mètode no invasiu, però que no dóna imatges prou precises. Per a poder accedir a l'activitat elèctrica de neurones individuals cal implantar electrodes molt fins en el cervell d'una persona. Això només es pot fer quan es tracten pacients epilèptics a qui s'ha de practicar cirurgia i es necessita determinar amb exactitud els focus epilèptics, implantant electrodes més fins que el cabell humà durant dies. Durant aquestes observacions es pot demanar als pacients que col.laborin voluntariament en la investigació del cervell. Es així com s'ha descobert que tenim neurones que reaccionen específicament a imatges de Jennifer Aniston o Halle Berry, però no reaccionen a altres celebritats. Aquestes neurones es troben en l'hipocamp, una regió relacionada amb la formació de memòries.

La neurona que reacciona a Jennifer Aniston no només ho fa a qualsevol cara de l'artista sinó també al so de la veu o al seu nom escrit en un paper. També pot reaccionar a persones relacionades amb ella com la seva companya de "Friends", la Lisa Kudrow. Això no vol dir que hi hagi una sola neurona on emmagatzem la imatge de Jennifer Aniston. Entre milers de milions de neurones seria casualitat haver-la trobat. I endemés, si la neurona fos única i fos danyada,  perdríem el record d'Aniston. Aquest tipus de neurones s'anomenen "neurones concepte" perquè, com ja he explicat, no només responen a diferents imatges d'Aniston sinó a la seva veu, al seu nom escrit en un paper, etc. Com ja hem dit, les neurones concepte poden respondre a més d'un concepte (Lisa Kudrow), però en aquest cas els conceptes estan ben relacionats.

Quan captem una imatge com la de la torre Eiffel la informació va dels nostres ulls al cortex visual primari que està al darrera del cap. Allí les neurones s'activen en resposta als diferents detalls de la imatge. Una neurona no pot discernir si aquell detall és part de la torre Eiffel o d'una cara. Cada cél.lula forma part d'un conjunt que genera la imatge completa. Però el cervell no només necessita captar una fotografia, ha d'integrar la imatge amb alló que ja coneix, que la torre Eiffel està a Paris, per exemple. El que fa el cervell es moure la imatge a través d'una sèrie de regions corticals cap el còrtex frontal. En aquesta regió les neurones responen a tot un objecte o una cara i no als seus detalls. Aquestes neurones envien aleshores la informació al lòbul temporal medi, és a dir a l'hipocamp i els seus voltants, on trobem les neurones concepte com la de la Jennifer Aniston.

Actualment existeixen dues teories de com es formen les memòries. Una teoria diu que el record d'una memòria, la de la nostre mare, per exemple, està distribuït en trossos entre milions o milers de milions de neurones. La teoria alternativa, que està guanyant més adeptes des del descobriment de les neurones concepte, és de que la memòria d'una persona o d'un objecte particular està repartida en unes poques neurones, uns milers o, pot ser, menys. Cada una d'aquestes neurones s'activarà al veure una imatge de la nostra mare i algunes, no totes, d'aquestes neurones també s'activaran quan veiguem a la seva germana, per exemple. Un estudiant del famós investigador Christof Koch (coautor amb Francis Crick del llibre "La recerca científica de l'ànima") ha construit una xarxa neuronal (software) capaç de reconèixer imatges no etiquetades de cotxes, avions, motocicletes i cares humanes basada en aquest model dels processos visuals del cervell. El software va aprendre ell mateix el que era un cotxe i el que era un avió sense entrenador. Va poder reconèixer persones i objectes posats en posicions diferents.

Operacions en pacients epilèptics als que s'ha extret l'hipocamp han demostrat que aquesta regió del cervell és on les memòries de curta duració es transfereixen a memòries de llarga duració.

Aquestes representacions "escases" del segon model explicarien el que el cervell pugui fer associacions ràpides. Si la memòria del café on vaig estar amb un amic i la del amic estiguessin molt distribuïdes en molts detalls, enllaçar-les seria més lent perquè pot ser el meu amic s'assembla a una altra persona que conec i el café també es semblant a un bar que freqüento. Establir les connexions en el segon model de representació "escasa" és més ràpid.

Les neurones concepte enllacen percepció amb memòria, donen una representació eficient (escasa) i abstracte del coneixement semàntic, de tots aquells conceptes significatius (persones, llocs, objectes) que formen els nostres mons individuals. El seu sistema de codificació elegant permet que les nostres ments puguin deixar de costat detalls irrelevants i extraure significat que pot ser usat en noves associacions i memòries.