Los Siete Pilares De La Vida

LOS SIETE PILARES DE LA VIDA Por Daniel Koshland

¿C

uál es la definición de vida? Recuerdo una conferencia científica de élite que pensó una respuesta para esta pregunta. ¿Una enzima está viva? ¿Un virus está vivo? Después de muchas horas de discusiones, se hizo un esfuerzo en buscar una frase que pudiera definir la vida y se creyó encontrar una solución: "la capacidad de reproducirse". "Esto sería lo esencial que definiría la vida", afirmó un científico. Todos estuvieron de acuerdo que la esencia de la vida era la capacidad de reproducirse, hasta que se escuchó una tranquila voz: "entonces un conejo está muerto". Dos conejos, un macho y una hembra serían "vida", pero cada uno por separado está muerto. A este punto de la discusión todos nos convencimos que la vida no tenía una definición simple. Entonces ofrecí una descripción: "un organismo vivo es una unidad organizada, que puede desarrollar reacciones metabólicas, defenderse a sí mismo de las injurias, responder a estímulos y que por lo menos puede ser un socio en la reproducción. Pero en verdad no me siento feliz con esta definición. Con todo, cuando se da tiempo para una reflexión más extensa, pienso que se pueden definir los pilares fundamentales en que se basa la vida, tal como la conocemos. Por "pilares", entiendo los principios fundamentales (termodinámicos y cinéticos), por los cuales opera la vida. Los actuales intereses de descubrir vida en otras galaxias, como también el tratar de reproducir el sistema de la vida artificial, hacen ahora deseable dilucidar esos pilares, su operación, aclarando por qué ellos son esenciales para la vida. En este ensayo, me refiero a los mecanismos particulares por los cuales estos principios se han implementado en la vida en la Tierra, reservando el derecho a sugerir que puede haber otros mecanismos para implementar los mismos principios. Si yo fuera un griego antiguo, crearía una diosa de la vida, a la que llamaría PICERAS, por las razones que luego aclararé. El primer pilar de la vida es un "PROGRAMA". Por un programa entiendo un plan organizado que describe tanto los ingredientes como la cinética e interacción entre los mismos, en la medida que el sistema de vida persiste a través del tiempo. Para el sistema de vida que observamos en la Tierra, el programa se implementa por el DNA, que codifica los genes de los organismos de la Tierra y que es replicado de generación en generación, con pequeños cambios, pero siempre con el plan general intacto. Los genes a su

vez codifican sustancias químicas (las proteínas, los ácidos nucleicos, etc.), que realizan las reacciones en el sistema vivo. Es el DNA quien guarda el programa y mantiene la vida en la Tierra.

El segundo pilar de la vida es la "IMPROVISACIÖN". Ya que el sistema vivo va a ser inevitablemente una pequeña fracción de un universo mayor en que vive, no va a poder controlar todos los cambios y vicisitudes del medio ambiente que lo rodea, por lo que debe tener un mecanismo de cambio y adaptación del programa. Así por ejemplo si un periodo de tiempo caliente, cambia a una edad de hielo, su programa va a ser menos efectivo, por lo que el sistema necesitará de cambios para sobrevivir. En nuestro sistema de vida estos cambios pueden lograrse por procesos de mutación, más selección, que permiten optimizar el programa frente a nuevos desafíos ambientales a los que se puede enfrentar.

El tercer pilar de la vida es la "COMPARTAMENTALIZACION". Todos los organismos que consideramos vivos están confinados en un volumen limitado, rodeados por una superficie que llamamos membrana o piel, que mantiene los ingredientes en un volumen definido, y al mismo tiempo mantiene fuera las sustancias químicas deletéreas o tóxicas. Además, en la medida que los organismos van siendo mayores, se dividen en compartimentos más pequeños, que llamamos células (u órganos, es decir, grupos de células), con el objeto de centralizar y especializar ciertas funciones dentro de un organismo mayor. Las razones para la compartamentalización, es que la vida depende de reacciones cinéticas de sus ingredientes, los sustratos y catálisis (enzimas) del sistema vivo. Esas células dependen de la concentración de los ingredientes. Una simple dilución del contenido de la célula la mata, aunque todas las sustancias químicas se mantengan activas. De este modo el contenedor es esencial para mantener la concentración, el arreglo interior del organismo vivo y para proveerle protección del exterior.

El cuarto pilar es la "ENERGIA". Como sabemos, la vida significa movimientos (de compuestos químicos del cuerpo o de componentes del cuerpo) y un sistema con movimiento neto no puede estar en equilibrio. Debe estar abierto, y en este caso, en un sistema metabolizante. En el interior de la célula se están produciendo muchas reacciones químicas y desde afuera vienen moléculas (O2, CO2, metales, etc.). El sistema del organismo es parsimonioso; muchas de las sustancias químicas son recicladas varias veces

durante la vida del organismo (el CO2 por ejemplo, es consumido en la fotosíntesis y luego producido por oxidación en el sistema), pero originalmente ellos entran desde afuera al sistema vivo, de este modo los termodinámicos llaman a esto un sistema abierto. Por las muchas reacciones y el hecho de que hay alguna ganancia de entropía (la analogía mecánica sería fricción), debe haber una compensación para que el sistema se mantenga funcionando, por lo que se requiere de una continua fuente de energía. En la biosfera de la Tierra, la mayor fuente de energía es el Sol (aunque la vida en la Tierra toma una pequeña cantidad de energía de otras fuentes como el calor interno de la Tierra), el sistema puede continuar indefinidamente, reciclando sustancias químicas, en la medida que se agrega energía del sol, para compensar sus cambios entrópicos.

El quinto pilar es la "REGENERACION". Porque un sistema metabolizante compuesto de catalizadores (enzimas) y sustancias químicas (metabolitos) está constantemente reaccionando en un contenedor, inevitablemente se asocia con pérdidas termodinámicas. Porque eventualmente ante estas pérdidas puede cambiar adversamente la cinética del programa, debe existir un plan para compensar por esas pérdidas, esto es, un sistema de regeneración. Uno de estos sistemas de regeneración es la difusión del transporte activo de sustancias químicas dentro del organismo vivo. Así por ejemplo, el CO2 y sus productos reemplazan las pérdidas inevitables de las reacciones químicas. Otro sistema de regeneración es la constante renovación de los constituyentes del sistema vivo que están sujetos al uso y desgaste. Por ejemplo, el músculo cardiaco de una persona normal palpita 60 veces por minuto, 3.600 veces en una hora, 1.314.000 veces al año y 91.980.000 veces a lo largo de la vida. Ningún material fabricado por el hombre es capaz de resistir sin fatigarse y colapsarse con tanto uso, y ésa es la razón por la cual un corazón artificial tiene un periodo de utilización tan corto. Por el contrario, el sistema vivo continuamente se está renovando y reemplazando las proteínas de su músculo, en la medida que se van degradando; el organismo hace lo mismo para otros constituyentes, como los sacos pulmonares, las proteínas del riñón, las sinapsis del cerebro, etc. Pero ésta no es la única forma en que el sistema vivo se regenera. La constante reconstitución de sus proteínas y constituyentes del cuerpo no es tan perfecta, y así pequeñas pérdidas para cada regeneración llegan a sumar grandes pérdidas a lo largo de todo el proceso, acumulándose en lo que llamamos la vejez. De este modo, el sistema vivo, al menos como lo conocemos, usa inteligentes trucos para perfeccionar el proceso de regeneración, como es "el comenzar de nuevo". Una célula comienza de nuevo dividiéndose, como es el caso de la "Escherichia coli", o por el nacimiento de

un niño, como es el caso del "Homo sapiens". Comenzando con una nueva generación, el niño comienza a rasguñar, y todos los ingredientes químicos, programas y otros constituyentes, vuelven atrás, corrigiendo la decadencia del funcionamiento continuo del proceso metabólico.

El sexto pilar es la "ADAPTABILIDAD". La improvisación es una forma de adaptabilidad, pero es muy lenta para los muchos azares ambientales que tiene que enfrentar un organismo vivo. Por ejemplo, un humano que pone una mano al fuego tiene una experiencia dolorosa que no tiene que seleccionarse en la evolución. El individuo necesita retirar su mano del fuego inmediatamente para poder más adelante vivir apropiadamente. La respuesta de comportamiento al dolor es esencial para sobrevivir y es una respuesta fundamental para el sistema vivo, que llamamos retroalimentación. Nuestro organismo responde a la restricción de nutrientes (suministro de energía) con la sensación de hambre, lo que nos lleva a buscar nuevo alimento y nuestra retroalimentación nos previene de ingerir un exceso de nutrientes (esto es, más allá de la satisfacción), perdiendo el apetito y comiendo menos. Caminar largas distancias con pies descalzos nos lleva a la formación de callosidades o a la adquisición de zapatos que nos protejan. Estas manifestaciones del comportamiento de adaptabilidad son el desarrollo de respuestas de retroalimentación y proalimentación al nivel molecular y son respuestas del sistema de vida que nos permiten sobrevivir en ambientes que cambian rápidamente. La adaptabilidad podría incluirse en la improvisación (pilar número 2), pero la improvisación es un mecanismo para cambiar el programa fundamental, mientras que la adaptabilidad (pilar número 6) es una respuesta del comportamiento, que es parte del programa. Como estas dos necesidades son manejadas por diferentes mecanismos en nuestro sistema de vida de la Tierra, creo que ellos serían dos conceptos diferentes manejados por dos mecanismos diferentes que conducen a un nuevo descubrimiento.

Finalmente, y lejos del último, está la "SECLUSION" (aislamiento). En este contexto, por seclusión entiendo algo como privacidad en el mundo social de nuestro universo. Es esencial para el sistema metabolizador con muchas reacciones, ir al mismo tiempo para mantener la reacción en la senda 1 (por ejemplo A-B-C-D) y que no se desvíe a la catálisis de la senda 2 (R-ST-U). Nuestro sistema vivo hace esto (por una propiedad crucial de la vida, como es la especificidad de las enzimas que trabajan sólo para las moléculas a las cuales han sido designadas y no se confunden con moléculas de otras vías. En algún sentido, esta propiedad es como el aislante de un cable que

conduce electricidad, que no permite que se produzca un corto circuito con otro cable. La seclusión de un sistema biológico no es absoluta pues puede ser interrumpido por mensajes de retroalimentación y proalimentación, pero sólo mensajes que tienen arreglos específicos pueden ser recibidos. Hay también especificidad en las interacciones del DNA y RNA. Es este camino de seclusión el que permite que ocurran miles de reacciones con alta eficiencia en el pequeño volumen de una célula viva, mientras simultáneamente reciben señales selectivas que aseguran una respuesta apropiada a cambios ambientales.

Estos son los siete pilares de la vida - P (programa), I (improvisación), C (compartamentalización), E (energía), R (regeneración), A (adaptabilidad), S (seclusión), PICERAS (para abreviar), son los principios fundamentales sobre los cuales se basa el sistema de la vida. Mayores exámenes pueden clarificar cómo la vida en la Tierra ha implementado estos principios. Pero estos mecanismos pueden no ser perfectos y tienen que mejorarse. Por ejemplo, el sistema de regeneración usado por la vida en la Tierra, es imperfecto y por eso requiere el "comenzar de nuevo". A su vez este mecanismo de comenzar de nuevo, requiere mantener una herencia continua que transmita el programa a la nueva generación. Supongamos que las proteínas, las hormonas y las células, tuvieran un mejor sistema de retroalimentación, de modo que el decaimiento gradual que produce la edad fuese constantemente corregido por la retroalimentación. Esto eliminaría la muerte y la necesidad de herencia que requiere el actual sistema. También significaría que un simple individuo viviría para siempre sin envejecer. Con todo, esto sería un problema porque el "comenzar de nuevo" (muerte y un nuevo nacimiento), provee de una oportunidad para improvisaciones (mutaciones en el DNA), y este pilar necesitaría ser reemplazado para un nuevo mecanismo que le proporcione la misma ventaja.

Estos dilemas nos obligan a confrontar otra realidad. En los tiempos actuales, parecería que la forma en que las mutaciones y la selección (supervivencia del más fuerte) han estado trabajando durante toda la evolución, ahora no deberían aplicarse al "Homo sapiens". Hemos llegado a ser más compasivos, menos demandantes. Tal vez ahora en una nueva aproximación, de vida más larga y cambios deliberativos en el programa, un consejo supremo de sabios Salomones podría ser el sustituto para la cruda realidad de supervivencia del más fuerte. Yo personalmente no deseo ese drástico cambio en los mecanismos de improvisación que nos han sido útiles

durante siglos. Sólo estoy anotando que existe la posibilidad de cambios, siempre que podamos mantener los pilares. El listado de siete fundamentos de la vida nos permite pensar en forma diferente acerca de los objetivos de la investigación terapéutica. El concepto de adaptabilidad, por ejemplo, es ciertamente uno de los cuales en los que pueden desarrollarse mejores mecanismos, ajustando los existentes para que trabajen con mayor eficiencia en el sistema de vida real. Así por ejemplo, el ojo puede adaptarse a los sistemas de luz externa en un orden de magnitud de 10 (1010), mientras que otros órganos del cuerpo humano, tienen un rango mucho menor. Tal vez otros órganos, como los pulmones, riñones o el bazo podrían mejorar en mayores concentraciones de reguladores, y la edad sería menos dañina para ellos.

Es así como los principios PICERAS parecen ser necesarios para la operación del sistema de vida. Los mecanismos para alcanzar semejante sistema pueden variar en la medida que satisfagan la termodinámica y los requerimientos cinéticos. Tenemos un ejemplo, la vida en la Tierra nos ha mostrado como se puede hacer. Sería interesante saber si otro paquete de mecanismos podría proporcionar un modelo con vida como la nuestra. ( Artículo publicado en “Creces”, en Julio del 2002 ) http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=%20%20%3E%20%206&tc=3&nc=5&art=1230

DANIEL KOCHLAND Departmento de Biología Molecular y Celular Universidad de California Editor en Jefe de Science Artículo de Science, vol. 295, (22 de Marzo, 2002.)