Contenido

Introducción

De vez en cuando, alguien formula la afirmación "la formación de cualquier enzima por azar es casi imposible, por lo tanto la abiogénesis es imposible". A menudo citan un cálculo que parece impresionante del astrofísico Fred Hoyle, o sacan a relucir algo llamado "Ley de Borel" para demostrar que la vida es estadísticamente imposible. Estas personas, incluido Fred, han cometido uno o más de los siguientes errores.

Glosario

Acil transferasa:
Una enzima o ribozima que sintetiza péptidos.
Ligasa:
Una enzima o ribozima que añade un monómero a un polímero, o une dos polímeros más cortos entre sí.
Monómero:
Cualquier subunidad individual de un polímero. Un aminoácido es un monómero de un péptido o proteína, un nucleótido es un monómero de un oligonucleótido o polinucleótido.
Nucleótido:
Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo. Estos son los monómeros que forman oligo- o polinucleótidos como el ARN.
Oligonucleótido:
Un polímero corto de subunidades de nucleótidos.
Poli merasa:
Una enzima o ribozima que forma un polímero a partir de monómeros. Por ejemplo, la ARN polimerasa forma ARN a partir de nucleótidos individuales.
Ribozima:
Un catalizador biológico formado a partir de ARN.
Autorreproductor:
Una molécula que puede producir una copia idéntica o casi idéntica de sí misma a partir de subunidades más pequeñas. Se conocen al menos cuatro autoreproductores.

Problemas con los cálculos de los creacionistas de "es tan improbable"

1) Calculan la probabilidad de la formación de una proteína "moderna", o incluso de una bacteria completa con todas las proteínas "modernas", mediante eventos aleatorios. Esto no es la teoría de la abiogénesis en absoluto.

2) Asumen que existe un número fijo de proteínas, con secuencias fijas para cada proteína, que son necesarias para la vida.

3) Calculan la probabilidad de ensayos secuenciales, en lugar de ensayos simultáneos.

4) No entienden lo que se entiende por un cálculo de probabilidad.

5) Subestiman seriamente el número de enzimas/riboenzimas funcionales presentes en un grupo de secuencias aleatorias .

Intentaré guiar a las personas a través de estos diversos errores, y mostrar por qué no es posible realizar un cálculo de "probabilidad de abiogénesis" de ninguna manera significativa.

Un globo protoplásmico primordiales

Por lo tanto, el cálculo indica que la probabilidad de formar aleatoriamente una proteína dada de 300 aminoácidos de longitud (digamos, una enzima como la carboxipeptidasa) es (1/20)300 o 1 oportunidad en 2.04 x 10390, lo cual es asombrosamente, aturdidamente improbable. Esto se agranda aún más al sumar las probabilidades de generar unas 400 enzimas similares hasta llegar a una cifra tan enorme que simplemente contemplarla hace que tu cerebro se derrame por tus oídos. Esto da la impresión de que la formación incluso del organismo más pequeño parece totalmente imposible. Sin embargo, esto es completamente incorrecto.

En primer lugar, la formación de polímeros biológicos a partir de monómeros es una función de las leyes de la química y la bioquímica, y estas son decididamente no aleatorias.

En segundo lugar, la premisa entera es incorrecta desde el principio, ya que en las teorías modernas de abiogénesis los primeros "seres vivos" serían mucho más simples, ni siquiera un protobacteria, o un preprotobacteria (lo que Oparin llamó un protobiont [8] y Woese llama un progenote [4]), sino una o más moléculas simples, probablemente no más de 30-40 subunidades de longitud. Estas moléculas simples luego evolucionaron lentamente hacia sistemas más cooperativos de autorreplicación, y finalmente hacia organismos simples [2, 5, 10, 15, 28]. Se presenta a continuación una ilustración que compara un protobiont hipotético con un bacteria moderno.

[Ur Cell figure]

Los primeros "seres vivos" podrían haber sido una única molécula autorreplicante, similar al péptido "autorreplicante" del grupo de Ghadiri [7, 17], o el hexanucleótido autorreplicante [10], o posiblemente una ARN polimerasa que actúa sobre sí misma [12].

[Self-replicator figure]

Otra perspectiva es que los primeros replicadores autónomos fueron grupos de catalizadores, ya sean enzimas proteicas o ribozimas de ARN, que se regeneraban como un ciclo catalítico [3, 5, 15, 26, 28]. Un ejemplo es el replicador autónomo de tres subunidades de SunY [24]. Estos ciclos catalíticos podrían estar limitados en un pequeño estanque o laguna, o ser un complejo catalítico adsorbido a arcilla o material lipídico sobre arcilla. Dado que existen muchas secuencias catalíticas en un grupo de péptidos o polinucleótidos aleatorios (véase abajo), no es improbable que se pueda formar un pequeño complejo catalítico.

Estos dos modelos no son mutuamente excluyentes. El péptido de Ghadiri puede mutar y formar ciclos catalíticos [9].

No importa si los primeros replicadores autónomos eran moléculas individuales o complejos de pequeñas moléculas, este modelo no tiene nada que ver con el "tornado en un patio de chatarra que construye un 747" de Hoyle. Simplemente para reforzar este punto, aquí hay una comparación sencilla entre la teoría criticada por los defensores del creacionismo y la teoría real de la abiogénesis.

[Two views of abiogenesis]

Observe que la teoría real tiene un número de pequeños pasos, y de hecho he omitido algunos (especialmente entre la etapa del hiper ciclo-protobionte) por simplicidad. Cada paso está asociado con un pequeño aumento en la organización y complejidad, y los químicos suben lentamente hacia la condición de organismo, en lugar de dar un gran salto [4, 10, 15, 28].

No está seguro de dónde proviene la idea creacionista de que los organismos modernos se forman espontáneamente. La primera formulación de abiogénesis moderna, la hipótesis de Oparin/Haldane de los años 20, comienza con proteínas/proteinoides simples desarrollándose lentamente en células. Incluso las ideas que circulaban en los años 1850 no eran teorías "espontáneas". Lo más cercano al que puedo llegar son las ideas originales de Lamarck de 1803! [8]

Dado que los creacionistas están criticando una teoría con más de 150 años de antigüedad y que no es sostenida por ningún biólogo evolutivo moderno, ¿por qué ir más allá? Porque existen algunos problemas fundamentales en estadística y bioquímica que aparecen en estas erróneas "refutaciones".

El mito de la "secuencia de la vida"

Otra afirmación que a menudo se escucha es que existe una "secuencia de la vida" de 400 proteínas, y que las secuencias de aminoácidos de estas proteínas no pueden cambiar, para que los organismos estén vivos.

Esto, sin embargo, es absurdo. La afirmación de las 400 proteínas parece provenir del genoma codificante de proteínas de Mycobacterium genitalium, que tiene el genoma más pequeño conocido actualmente de cualquier organismo moderno [20]. Sin embargo, el examen del genoma sugiere que esto podría reducirse aún más a un conjunto mínimo de genes de 256 proteínas [20]. Nótese nuevamente que se trata de un organismo moderno. El primer protobionto/progenote habría sido aún más pequeño [4], y fue precedido por sistemas químicos aún más simples [3, 10, 11, 15].

En cuanto a la afirmación de que las secuencias de proteínas no pueden cambiar, nuevamente esto es absurdo. En la mayoría de las proteínas existen regiones donde casi cualquier aminoácido puede ser sustituido, y otras regiones donde se pueden realizar sustituciones conservadoras (donde aminoácidos cargados pueden intercambiarse por otros aminoácidos cargados, neutros por otros neutros y aminoácidos hidrofóbicos por otros hidrofóbicos). Algunas moléculas funcionalmente equivalentes pueden tener entre el 30% y el 50% de sus aminoácidos diferentes. De hecho, es posible sustituir proteínas bacterianas estructuralmente no idénticas por proteínas de levadura, y proteínas de gusano por proteínas humanas, y los organismos viven bastante felices.

La "secuencia de la vida" es un mito.

Lanzamiento de monedas para principiantes y ensamblaje de macromoléculas

Así que juguemos al juego creacionista y veamos cómo se forma un péptido mediante la adición aleatoria de aminoácidos. Esto ciertamente no es la forma en que se formaron los péptidos en la Tierra primitiva, pero será instructivo.

Usaré como ejemplo el péptido "auto-replicante" del grupo Ghadiri mencionado anteriormente [7]. Podría usar otros ejemplos, como el auto-replicador hexanucleotídico [10], el auto-replicador SunY [24] o la ARN polimerasa descrita por el grupo Eckland [12], pero para la continuidad histórica con las afirmaciones creacionistas, un pequeño péptido es ideal. Este péptido tiene 32 aminoácidos de largo con una secuencia de RMKQLEEKVYELLSKVACLEYEVARLKKVGE y es una enzima, una ligasa de péptidos que hace una copia de sí misma a partir de dos subunidades de 16 aminoácidos de largo. También es de un tamaño y composición que está idealmente adaptado para ser formado por síntesis abiótica de péptidos. El hecho de que sea un auto-replicador es una ironía añadida.

La probabilidad de generar esto en ensayos aleatorios sucesivos es (1/20)32 o 1 oportunidad en 4.29 x 1040. Esto es mucho, mucho más probable que la 1 en 2.04 x 10390 del escenario creacionista estándar de "generar carboxipeptidasa por azar", pero aún parece absurdamente bajo.

Sin embargo, hay otro lado a estas estimaciones de probabilidad, y depende del hecho de que la mayoría de nosotros no tenemos una noción de la estadística. Cuando alguien nos dice que un evento tiene una probabilidad de uno en un millón de ocurrir, muchos de nosotros esperamos que se deban realizar un millón de ensayos antes de que aparezca el mencionado evento, pero esto es incorrecto.

Aquí tienes un experimento que puedes hacer tú mismo: toma una moneda, lázala cuatro veces, anota los resultados y luego repítelo. ¿Cuántas veces crees que tendrías que repetir este procedimiento (ensayo) antes de obtener 4 caras seguidas?

Ahora, la probabilidad de obtener 4 caras seguidas es (1/2)4 o 1 oportunidad en 16: ¿tenemos que realizar 16 ensayos para obtener 4 caras (HHHH)? No, en experimentos sucesivos obtuve 11, 10, 6, 16, 1, 5 y 3 ensayos antes de que apareciera HHHH. La cifra de 1 en 16 (o 1 en un millón o 1 en 1040) da la probabilidad de un evento en un ensayo dado, pero no indica dónde ocurrirá en una serie. Puedes obtener HHHH en tu primer ensayo (lo hice). Incluso con una probabilidad de 1 en 4,29 x 1040, un replicador autónomo podría haber aparecido sorprendentemente temprano. Pero hay más.

Una probabilidad de 1 entre 4,29 x 1040 sigue siendo ridículamente, aturdidamente improbable; es difícil hacer frente a este número. Incluso con el argumento anterior (podrías obtenerlo en tu primer intento), la mayoría de la gente diría "seguramente aún tomaría más tiempo del que existió la Tierra para crear este replicador mediante métodos aleatorios". No realmente; en los ejemplos anteriores estábamos examinando ensayos secuenciales, como si solo se ensamblara una proteína/ADN/proto-replicador por ensayo. De hecho, habría miles de millones de ensayos simultáneos mientras los miles de millones de moléculas de bloques de construcción interactuaban en los océanos o en los miles de kilómetros de costas que podrían proporcionar superficies catalíticas o plantillas [2,15].

Volvamos a nuestro ejemplo con las monedas. Digamos que tarda un minuto en lanzar las monedas 4 veces; generar HHHH tomaría en promedio 8 minutos. Ahora obtenga 16 amigos, cada uno con una moneda, para que todos lancen la moneda simultáneamente 4 veces; el tiempo promedio para generar HHHH es ahora de 1 minuto. Ahora intente lanzar 6 caras seguidas; esto tiene una probabilidad de (1/2)6 o 1 en 64. Esto tomaría media hora en promedio, pero si sale y recluta a 64 personas, puede lanzarlo en un minuto. Si desea lanzar una secuencia con una probabilidad de 1 en mil millones, simplemente reclute a la población de China para que lance monedas por usted, y tendrá esa secuencia en un instante.

Por lo tanto, si en nuestra Tierra prebiótica tenemos mil millones de péptidos creciendo simultáneamente, eso reduce significativamente el tiempo necesario para generar nuestro replicador.

De acuerdo, estás mirando ese número de nuevo, 1 oportunidad en 4.29 x 1040, que es un número muy grande, y aunque mil millones de moléculas iniciales son muchas moléculas, ¿podríamos obtener alguna vez suficientes moléculas para ensamblar aleatoriamente nuestro primer replicador en menos de medio mil millones de años?

Sí, un kilogramo del aminoácido arginina tiene 2.85 x 1024 moléculas en él (eso es mucho más de mil billón de billones); una tonelada de arginina tiene 2.85 x 1027 moléculas. Si tomara una carga de camión semiarticulado de cada aminoácido y la vertiera en un lago de tamaño mediano, tendría suficientes moléculas para generar nuestro replicador particular en unas pocas décadas, dado que se pueden producir proteínas de 55 aminoácidos de longitud en 1 a 2 semanas [14,16].

¿Cómo se traduce esto en la Tierra prebiótica? En la Tierra primitiva, es probable que el océano tuviera un volumen de 1 x 1024 litros. Dada una concentración de aminoácidos de 1 x 10-6 M (una sopa moderadamente diluida, véase Chyba y Sagan 1992 [23]), entonces habría aproximadamente 1 x 1050 cadenas iniciales potenciales, de modo que un número considerable de ligasas peptídicas eficientes (aproximadamente 1 x 1031) podrían producirse en un año, por no decir en un millón de años. La síntesis de replicadores primitivos podría ocurrir relativamente rápido, incluso dada una probabilidad de 1 oportunidad en 4.29 x 1040 (y recuerde, nuestro replicador podría sintetizarse en el primer intento).

Suponga que se necesita una semana para generar una secuencia [14,16]. Entonces, la ligasa de Ghadiri podría generarse en una semana, y cualquier secuencia de citocromo C podría generarse en un poco más de un millón de años (junto con aproximadamente la mitad de todas las posibles secuencias de péptidos de 101 aminoácidos, una gran proporción de las cuales serán proteínas funcionales de algún tipo).

Aunque he utilizado la ligasa de Ghadiri como ejemplo, como mencioné anteriormente, los mismos cálculos pueden realizarse para el replicador autónomo SunY o la ARN polimerasa de Ekland. Dejo esto como un ejercicio para el lector, pero la conclusión general (puede producirse una gran cantidad de ellas en poco tiempo) es la misma para estos oligonucleótidos.

Búsqueda de espacios, o ¿cuántas agujas en el heno?

Por lo tanto, he demostrado que generar una enzima pequeña dada no es tan difícil como sugieren los creacionistas (y Fred Hoyle). Otro malentendido es que la mayoría de la gente siente que el número de enzimas/ribozimas, por no hablar de las polimerasas de ARN ribozimales o cualquier forma de autorreplicadora, representa una configuración muy improbable y que la probabilidad de que se forme una sola enzima/ribozima, por no hablar de varias de ellas, mediante la adición aleatoria de aminoácidos/nucleótidos es muy pequeña.

Sin embargo, un análisis de Ekland sugiere que en el espacio de secuencias de secuencias de ARN de 220 nucleótidos de longitud, una asombrosa cantidad de 2.5 x 10112 secuencias son ligasas eficientes [12]. No está mal para un compuesto que anteriormente se pensaba que era solo estructural. Volviendo a nuestro océano primitivo de 1 x 1024 litros y asumiendo una concentración de nucleótidos de 1 x 10-7 M [23], entonces hay aproximadamente 1 x 1049 cadenas de nucleótidos potenciales, por lo que un número considerable de ligasas de ARN eficientes (aproximadamente 1 x 1034) podrían producirse en un año, por no decir un millón de años. El número potencial de ARN polimerasas también es alto; aproximadamente 1 de cada 1020 secuencias es una ARN polimerasa [12]. Consideraciones similares aplican a las acetiltransferasas ribosómicas (aproximadamente 1 de cada 1015 secuencias) y a la síntesis de nucleótidos ribozimales [1, 6, 13].

De manera similar, de las 1 x 10130 proteínas posibles de 100 unidades, ¡3.8 x 1061 representan solo la citocromo C! [29] Hay muchas enzimas funcionales en el espacio de búsqueda de péptidos/nucleótidos, por lo que parece probable que se pudiera crear un conjunto funcional de enzimas en la sopa prebiótica de la Tierra primitiva.

Por lo tanto, incluso con cifras más realistas (aunque algo asombrosas), el ensamblaje aleatorio de aminoácidos en sistemas "sustentadores de la vida" (ya sea que opte por hiperciclos basados en enzimas proteicas [10], sistemas de mundo de ARN [18], o coevolución de ribozimas de ARN y enzimas proteicas [11, 25]) parecería ser totalmente factible, incluso con cifras pesimistas para las concentraciones originales de monómeros [23] y los tiempos de síntesis.

Conclusiones

El mismo premisa de los cálculos de probabilidad de los creacionistas es incorrecta desde el principio, ya que apunta a la teoría equivocada. Además, este argumento a menudo se refuerza con falacias estadísticas y biológicas.

En este momento, dado que no tenemos idea de qué tan probable es la vida, es virtualmente imposible asignar cualquier probabilidad significativa a ninguno de los pasos hacia la vida, excepto a los dos primeros (monómeros a polímeros p=1.0, formación de polímeros catalíticos p=1.0). Para que los polímeros replicantes transicionen a hiperciclo, la probabilidad podría ser 1.0 si Kauffman tiene razón sobre el cierre catalítico y su transición de fase modelos, pero esto requiere química real y modelado más detallado para confirmar. Para la transición hiperciclo->protobiota, la probabilidad aquí depende de conceptos teóricos que aún se están desarrollando y es desconocida.

Sin embargo, al final, la viabilidad de la vida depende de la química y la bioquímica que aún estamos estudiando, no del lanzamiento de monedas.

Referencias

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Libros útiles

Estadísticas en el punto cero, T.D.V. Swinscow, 8ª Edición en rústica, Publicado por Amer College of Physicians, 1983, ISBN: 0727901753

Evolución desde el espacio, F Hoyle y Wickramasinghe, JM Dent and sons, Londres, 1981

Polvo Vital: La Vida como Imperativo Cósmico, de Christian De Duve, Basic Books 1995, ISBN: 0465090451

Las Transiciones Principales en la Evolución, Maynard Smith J & Szathmary E, 1995, WH Freeman, ISBN: 0716745259

Los Orígenes del Orden: Autoorganización y Selección en la Evolución. De Stuart Kauffman, S. A. (1993) Oxford University Press, NY, ISBN: 0195079515.

At Home in the Universe. Por Stuart Kauffman, 1995) Oxford University Press, NY.

Enlaces

Agradecimientos

Gracias a John Wilkins y Jthomford por sus sugerencias y discusiones útiles. Gracias también a John por algunas GIFs y JPEGS muy ingeniosas.

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