I Qué se pierde cuando solo se selecciona por la velocidad de copia
En 1967, el biólogo molecular estadounidense Spiegelman y dos colegas hicieron un pequeño experimento cuyos resultados siguen citándose hoy. Lo que hicieron cabe en una frase: dejar que un fragmento de ARN se copiara sin cesar en un tubo de ensayo, con un único criterio de selección: la rapidez. El título de su artículo empezaba así: «Un experimento darwiniano fuera de la célula».
El procedimiento era el siguiente. Tomaron un virus que infecta específicamente a la bacteria Escherichia coli y utilizaron su replicasa, una proteína dedicada a fabricar ARN nuevo siguiendo una cadena de ARN como modelo. La pusieron en un tubo junto con las materias primas y una pequeña cantidad del ARN completo del propio virus. Dejaron que se copiara durante una ronda. Después tomaron una pequeña porción de ese tubo, la pasaron a otro con materias primas nuevas, dejaron que volviera a copiarse y repitieron el trasvase.
Cada cierto número de rondas reducían el tiempo disponible para copiarse: de veinte minutos por ronda fueron bajando hasta cinco. Solo se premiaba, pues, una cosa: copiarse más deprisa en el tiempo concedido. Allí no había células, ni huéspedes, ni nada que hubiera que infectar. El mundo entero había quedado reducido a replicasa, materias primas y tiempo.
El propio montaje era un tamiz. Solo medía una cosa, y por eso solo retenía lo que tenía que ver con ella. El ARN original del virus tenía más de cuatro mil doscientas bases.
Trasvase tras trasvase, se fue acortando. La razón es sencilla: la replicasa tiene que copiar la cadena de principio a fin cada vez. Cuanto más corta sea, antes termina una copia y antes puede empezar la siguiente.
Al llegar a la ronda setenta y cuatro, el ARN superviviente medía aproximadamente una sexta parte del original. En experimentos posteriores de este tipo se seleccionaron variantes de apenas algo más de doscientas bases; otros laboratorios llegaron después a obtener algunas de solo unas cincuenta.
De más de cuatro mil doscientas a poco más de doscientas. A este producto se lo conoce popularmente como el monstruo de Spiegelman.
¿Qué se había borrado? Basura, desde luego, no.
Para un virus que vive dentro de las células, aquellas secuencias codificaban lo necesario para reconocer al huésped, montar su cubierta y completar la infección. Todo ello era indispensable para seguir vivo. Solo que, en un tubo de ensayo donde únicamente se medía la velocidad de copia, esas funciones no reportaban ni un céntimo de beneficio. No solo no aportaban nada: consumían tiempo.
El experimento demuestra algo muy acotado, pero sólido: la selección solo optimiza aquello que su criterio define. Todo lo que no contribuya a satisfacer ese criterio y además tenga un coste acabará borrado.
Se parece a una carrera de fondo en la que solo cuenta quién cruza antes la meta. Quien lleve equipaje terminará por tirarlo, aunque dentro esté todo lo que va a necesitar para vivir una vez que llegue.
Cambia el criterio y cambiará también el elenco de supervivientes. En 1974, el mismo laboratorio añadió al tubo un colorante que entorpecía la copia. Después de varias rondas de trasvases, ganó un ARN mutante al que aquel colorante no le hacía mella.
Dicho de otro modo: el criterio de selección es ya una construcción. En esta serie llamamos construcción a aquello que tiene límites, establece requisitos y decide qué se conserva. Conserva lo que premia. Todo cuanto queda fuera, por indispensable que resulte en otro lugar, se borra.
En la naturaleza tampoco es una cuestión abstracta. Todo entorno define, de alguna manera, «qué cuenta como éxito». Lo que ocurre es que nadie lo ha puesto por escrito.
En un tubo de ensayo, el criterio lo fija quien hace el experimento. En una extensión abierta de agua, ¿quién lo fija? Nadie. Y, aun así, se sigue borrando.
Hay algo más que conviene ver en ese tubo: todas las moléculas están sumergidas en la misma agua, todo se comparte, y la selección solo puede distinguir entre copiarse deprisa y copiarse despacio. La membrana de la que trata este ensayo cambia precisamente eso.
II Quién se queda con el beneficio
Imagina una masa de agua perfectamente mezclada, con muchas moléculas flotando en ella capaces de copiarse a sí mismas. Esas entidades tienen un nombre: replicadores. Cuenta como tal cualquier cosa que pueda producir copias tomando como modelo su propia estructura. Supongamos ahora que una de esas cadenas sufre una mutación y genera una capacidad catalítica que puede difundirse libremente: hace que cierta reacción vaya un poco más deprisa.
Esa molécula ha pagado el coste de producir la mejora. ¿Y el beneficio? Se difunde por el agua y todos los replicadores pueden aprovecharlo. Es como si una familia pagara de su bolsillo la reparación del ascensor de su edificio: todos los vecinos pueden usarlo, y la familia que ha pagado no obtiene por ello ninguna ventaja adicional. Así, la relación entre «quién introdujo la mejora» y «quién deja más descendientes» se debilita, hasta desaparecer.
Por eso, lo más importante de separar las moléculas no es protegerlas. Es volver a vincular el beneficio de una mejora con quien la produjo.
Veamos otro problema. Los errores de copia imponen un límite estricto.
En 1971, el químico alemán Manfred Eigen formuló una relación de umbral entre los errores de copia y la cantidad de información que puede conservarse. Cuatro años antes había recibido el Nobel por sus investigaciones sobre reacciones químicas extremadamente rápidas. La lógica de esa relación no es complicada: basta con pensar en copiar un libro.
Supón que estás copiando un libro y que tienes una probabilidad del uno por ciento de equivocarte en cada letra. Si copias diez letras, lo más probable es que aciertes todas. Si copias mil, es casi seguro que habrá algún error. Cuantas más letras, más deprisa cae la probabilidad de que el texto entero quede sin fallos.
Añadamos ahora una condición: la copia correcta gusta más, así que se vuelve a utilizar como modelo. Las copias equivocadas también circulan, pero tienen menos éxito.
Si el libro es tan largo que casi ninguna copia sale enteramente bien, la popularidad ya no basta para concentrar la «versión correcta» en ningún ejemplar. La información se dispersa.
Probemos con unas cifras ilustrativas. Si la versión correcta tiene una ventaja de diez a uno y la tasa de error por posición es del uno por ciento, el límite ronda las doscientas treinta posiciones. Si la tasa baja al uno por mil, el límite sube a unas dos mil trescientas.
Son órdenes de magnitud calculados por el modelo. Las células actuales copian el ADN con enzimas y sucesivas rondas de corrección: aproximadamente una letra errónea por cada mil millones copiadas. Por eso pueden conservar genomas de miles de millones de letras.
Los virus de ARN actuales son un ejemplo vivo de ese límite. Cometen muchos errores al copiarse y la mayoría tiene genomas de unos pocos miles a algo más de diez mil letras. Los coronavirus rondan las treinta mil, uno de los tamaños mayores entre los virus de ARN. Y precisamente ellos llevan su propia enzima correctora.
La dirección del problema está clara: una copia sin ayuda de enzimas solo permite conservar secuencias de longitud limitada. Pero fabricar enzimas que aumenten la precisión exige secuencias más largas. Es la célebre paradoja de Eigen.
Eigen ya propuso una salida en aquel artículo de 1971. Hacia 1977, junto con Schuster, la desarrolló en una serie sistemática de artículos. La llamaron hiperciclo.
La idea consiste en no exigirle a una cadena larga que guarde por sí sola toda la información, sino hacer que varias cadenas más cortas se ayuden entre sí. El producto de A favorece la copia de B; B favorece la de C; y el último miembro vuelve a favorecer a A. El círculo queda cerrado. Ninguna cadena necesita ser larga, aunque entre todas pueden portar una gran cantidad de información.
La debilidad se señaló muy pronto. ¿Qué pasa si una cadena muta y sigue recibiendo la ayuda del eslabón anterior, pero deja de ayudar al siguiente? Acapara recursos de copia sin dar nada a cambio y, como se ahorra el esfuerzo, se copia más deprisa. En una sopa bien mezclada, un miembro de esos que «toman y no dan» puede comerse el círculo entero.
En 1979, John Maynard Smith cuestionó directamente la estabilidad de la propuesta. Al año siguiente, otros tres investigadores publicaron un artículo cuyo título reunía tres palabras: hiperciclos, parásitos y empaquetamiento. La tercera era la salida.
En 1987, dos investigadores construyeron el marco que después se conocería como modelo de corrección estocástica. Consistía en repartir varias cadenas con funciones complementarias entre muchos compartimentos pequeños. Las cadenas se copiaban dentro de cada compartimento; cuando este alcanzaba cierto tamaño, se dividía y las cadenas se distribuían al azar entre los dos compartimentos hijos.
Lo ingenioso es esto: el reparto aleatorio genera continuamente diferencias entre compartimentos, y el éxito o el fracaso de cada compartimento selecciona después entre esas diferencias. Algunos reciben por casualidad una combinación más equilibrada y el conjunto prolifera más deprisa. En los compartimentos invadidos por miembros que «toman y no dan», el rendimiento del conjunto cae y quedan menos compartimentos hijos.
Es un poco como dividir una clase numerosa en pequeños grupos para hacer un trabajo. En la clase entera, quienes no hacen nada se pierden entre los demás y se llevan igualmente su nota. Al formar grupos, aquel que por casualidad reúna a demasiados holgazanes no entregará el trabajo, mientras que el que reúna a pocos lo hará bien. La holgazanería no ha cambiado. Lo que cambia es sobre quién recaen sus consecuencias: ahora vuelven al grupo donde se produce.
Aparecen así dos niveles de selección que tiran en sentidos distintos. La selección entre moléculas favorece a las que se copian deprisa. La selección entre compartimentos favorece, en sentido contrario, a los que mantienen funciones complementarias. La selección del nivel superior limita la del inferior. Volveremos a encontrarnos con esta forma muchas veces a lo largo de la serie.
Cuando las unidades del nivel inferior pueden copiarse por separado, pero quedan alojadas en una unidad superior que se reproduce como conjunto, la selección puede avanzar en direcciones opuestas en ambos niveles. Que el nivel superior consiga contener al inferior depende de una cosa: de que su éxito o su fracaso esté realmente ligado a su composición interna.
Un experimento de 2016 respaldó este mecanismo. Los investigadores dividían periódicamente un sistema de copia de ARN en pequeñas gotas y después volvían a mezclarlo. En un sistema que permanecía homogéneo, el ARN que «toma y no da» podía adueñarse de los recursos de copia. Las diferencias entre poblaciones creadas por la separación periódica, en cambio, permitían que las gotas menos lastradas aportaran más al conjunto, y el sistema no acababa devorado.
Es una demostración de laboratorio actual, no un registro de lo que sucedió realmente en la Tierra primitiva. Y funciona bajo ciertas condiciones: la velocidad de crecimiento de los compartimentos tiene que depender de verdad de lo que contienen. Si se fusionan demasiado deprisa, sus diferencias se borran.
Además, una membrana no es la única solución. Las moléculas adheridas a una superficie mineral, o las que no pueden difundirse muy lejos, también pueden retener el beneficio cerca de sí sin necesidad de membrana. Lo que la selección necesita es que el beneficio permanezca junto a quien lo produce. En la séptima sección veremos esas otras posibilidades.
III Trece órdenes de magnitud
Empecemos por el material de la membrana. Las moléculas que la componen tienen una peculiaridad: un extremo se lleva bien con el agua y el otro la rehúye. Se llaman moléculas anfipáticas. El ejemplo cotidiano más familiar es el jabón: un extremo puede agarrarse a la grasa y el otro disolverse en el agua. Por eso consigue llevarse la suciedad grasienta.
Echa un montón de esas moléculas al agua y ocurrirá algo interesante. Exponer al agua el extremo que la rehúye resulta desfavorable desde el punto de vista energético. Así que las moléculas se agrupan solas, juntan esos extremos y los esconden en el interior, mientras dejan hacia fuera los extremos afines al agua.
A partir de cierta concentración pueden disponerse en dos capas: dos hileras de moléculas con las colas enfrentadas y las cabezas afines al agua mirando, respectivamente, hacia el agua de dentro y la de fuera. Pero los bordes de esa bicapa, expuestos al agua, siguen teniendo una energía elevada. La lámina se curva por sí sola, junta sus bordes y acaba formando una pequeña vesícula cerrada.
Una pompa de jabón también tiene dos capas de moléculas de jabón, solo que entre ellas hay una capa de agua y las colas se proyectan hacia el aire. La membrana celular es justo lo contrario: dos capas de moléculas encierran una capa aceitosa. Su espesor ronda apenas los cinco nanómetros. Habría que apilar veinte mil para alcanzar el grosor de una hoja de papel.
El proceso no necesita ninguna proteína que lo catalice. Ocurre por sí solo. En 1985 se extrajeron algunas moléculas orgánicas del meteorito de Murchison, caído en Australia en 1969, y se pusieron en agua. También ellas formaron espontáneamente pequeñas vesículas. Las materias primas para hacer membranas están incluso en las piedras que caen del cielo.
Y hay quien les echa una mano. En 2003 se descubrió que una arcilla muy común aceleraba mucho la formación de vesículas de ácidos grasos. Las partículas de arcilla, además, quedaban atrapadas dentro.
Años antes ya se había observado que la superficie de esa misma arcilla ayudaba a enlazar, una tras otra, las unidades del ARN, hasta formar cadenas de varias decenas de unidades. Una sola partícula de arcilla servía para las dos cosas.
Pero el autoensamblaje tiene su propio margen de condiciones, más estrecho de lo que parece. Para que las moléculas empiecen a agruparse, su concentración en el agua debe alcanzar cierto valor. Y ese valor no es constante: cambia con la temperatura, la concentración de sales y la acidez, además de variar enormemente de unas moléculas a otras.
Los fosfolípidos de las membranas celulares actuales arrastran dos colas que rehúyen el agua por cada molécula. Los ácidos grasos más simples solo tienen una. El ácido oleico del aceite de oliva es uno de ellos.
En química, la concentración suele expresarse en moles por litro. Como referencia, disolver casi sesenta gramos de sal en un litro de agua equivale a un mol por litro. El agua de mar tiene aproximadamente la mitad de esa concentración.
En los fosfolípidos de dos colas, cuyo efecto hidrófobo es muy fuerte, aquel umbral suele estar por debajo de una millonésima de mol por litro. En los ácidos grasos de una sola cola y estructura más sencilla puede subir hasta una milésima o incluso unas centésimas de mol por litro. Los separan varios órdenes de magnitud.
Esto tiene una consecuencia muy concreta: una membrana de ácidos grasos simples y una membrana moderna son cosas muy distintas en cuanto a «cuántas moléculas andan libres por el agua» y «a qué velocidad intercambian material las membranas».
Los ácidos grasos simples también son exigentes con la acidez. El ácido oleico, por ejemplo, solo forma vesículas estables en un intervalo muy estrecho de pH, aproximadamente entre ocho y nueve. Si el medio es más ácido, se agrupa en gotas de aceite; si es más alcalino, tiende a dispersarse en agregados menores.
Luego está la permeabilidad. La membrana separa dentro y fuera, pero lo hace estableciendo una clasificación con diferencias inmensas. Moléculas como el oxígeno atraviesan con enorme facilidad su zona hidrófoba, con valores de permeabilidad que pueden superar los cien centímetros por segundo. El agua ronda la centésima de centímetro por segundo.
El glicerol es pequeño y no tiene carga, pero su afinidad por el agua es alta: el valor cae a unos cinco millonésimos de centímetro por segundo. En el caso del ion potasio puede bajar hasta una billonésima de centímetro por segundo.
Entre el oxígeno, el más rápido, y el ion potasio, el más lento, hay unos trece o catorce órdenes de magnitud. Es decir: el segundo pasa más de diez billones de veces más despacio que el primero.
¿Qué significan trece órdenes de magnitud? Aproximadamente la diferencia entre «un segundo» y «trescientos mil años». Una misma membrana está casi abierta de par en par para una molécula y casi por completo cerrada para otra.
Estas cifras proceden de membranas, temperaturas y métodos de medida distintos; no deben tratarse como un juego de parámetros exactos. Pero sus órdenes de magnitud muestran con gran consistencia algo: esto no es una pared, sino un tamiz con una gradación tremendamente abrupta. Y la forma de ese tamiz determina qué problemas tendrá que resolver la célula.
Como retiene el potasio, la célula puede mantener composiciones iónicas distintas a ambos lados: en tus células hay unas treinta veces más potasio que fuera, y unas diez veces menos sodio. Como no retiene el agua, la presión osmótica exige una solución aparte.
Tampoco retiene el oxígeno, así que sus efectos tóxicos no se evitan cerrando la puerta. A la inversa, el oxígeno de tus pulmones llega a la sangre precisamente así: atravesando directamente las membranas, sin necesitar ninguna puerta.
Hay, sin embargo, una anomalía en esa clasificación: el protón, el núcleo que queda cuando un átomo de hidrógeno pierde su electrón. Si nos guiáramos por los demás iones con una sola carga, esperaríamos encontrarlo en el mismo intervalo que el potasio.
En realidad, su permeabilidad ronda entre una diezmilésima y una centésima de centímetro por segundo. Se escapa mucho más fácilmente que el potasio: en una misma membrana, la diferencia alcanza siete u ocho órdenes de magnitud. No hay una única explicación aceptada de por qué se fuga con tanta facilidad.
Una posibilidad es que a veces se forme en la membrana una hilera de moléculas de agua. El protón puede «pasarse» de una a otra a lo largo de esa hilera, en lugar de tener que abrirse paso él mismo. Guarda este detalle. Lo necesitaremos en la quinta sección.
La selectividad trae de inmediato un problema de transporte. Hay cosas que la membrana no consigue detener y otras que detiene demasiado bien. Muchas de las materias primas que necesita la célula pertenecen precisamente a este segundo grupo.
Las células modernas lo resuelven con tres clases de dispositivos. Los canales forman un paso hidrófilo continuo por el que las sustancias se deslizan a favor de su diferencia de concentración, normalmente sin gasto de energía por parte del canal. Los transportadores se unen a su carga, cambian de forma y la llevan al otro lado. Las bombas consumen energía directamente para trasladar sustancias contra la diferencia de concentración.
Las primeras membranas, sin embargo, quizá no necesitaran estos dispositivos. En un experimento de 2008 se utilizaron membranas hechas con moléculas simples, como los ácidos grasos. Al añadir las materias primas al exterior, las moléculas pequeñas podían entrar mientras las cadenas largas de ácidos nucleicos permanecían dentro. Así, entraban los materiales y no se escapaba el molde, lo que permitía alargar nuevas cadenas siguiendo ese molde dentro de las vesículas. Lo que se ensambló entonces aún no era ARN: fabricar ARN sobre un molde de ARN dentro de vesículas de este tipo no se logró por primera vez hasta 2013.
No intervino ninguna proteína de transporte en todo el proceso. Pero los experimentos también pusieron al descubierto una contrapartida. Cuanto menos compacta es la membrana, más fácil resulta que los nutrientes entren sin proteínas de transporte; también se escapan con mayor facilidad las moléculas pequeñas y los iones del interior. Una membrana más compacta retiene mejor el contenido, pero depende más de dispositivos especializados para captar materias primas con carga.
Aquí no rige una regla sencilla de «cuanto más estable sea la membrana, mejor». Cuanto más larga es la cadena, más pesa el efecto de su extremo hidrófobo, más estable resulta la membrana y más lento es el intercambio de moléculas entre dentro y fuera. Con cadenas cortas ocurre lo contrario.
Los iones metálicos con dos cargas, como el magnesio y el calcio, son especialmente problemáticos. Se unen a las cabezas de estas moléculas y deshacen la membrana. Bastan unos pocos milimoles de magnesio por litro para destruir vesículas de ácido oleico puro. Y precisamente el magnesio es necesario para muchas reacciones catalizadas por ARN.
IV La frontera resuelve la dilución y crea presión
Una membrana mantiene ciertas moléculas reunidas en un mismo volumen local. El problema de la dilución se atenúa. En su lugar aparece un problema mecánico. Empecemos por la ósmosis.
Toma una bolsa con poros finísimos en las paredes: las moléculas de agua pueden atravesarlos, las de azúcar no. Llénala de agua azucarada y sumérgela en agua pura. ¿Qué ocurrirá?
El agua entrará en la bolsa. La bolsa se hinchará hasta que la presión provocada por esa hinchazón impida que siga entrando agua. Esa presión se llama presión osmótica. Una pasa sumergida en agua pura se hincha poco a poco por la misma razón.
Su magnitud depende de una sola cosa: cuántas «partículas que no pueden pasar» hay de más dentro respecto a fuera. No importa si las partículas son grandes o pequeñas; importa cuántas son. Sustituye ahora la bolsa por una membrana celular y el azúcar por ARN, proteínas y otras macromoléculas. Ocurrirá lo mismo.
Los glóbulos rojos humanos no tienen pared celular. En agua pura se hinchan y revientan en poco tiempo. Por eso los hospitales usan suero fisiológico para las infusiones intravenosas, y no agua pura.
La presión osmótica de una disolución diluida puede estimarse con una relación sencilla. Cerca de la temperatura ambiente, cada mol por litro de una sustancia que no puede atravesar la membrana corresponde a unos dos coma cinco megapascales de presión. ¿Cuánto es eso? Algo más de diez veces la presión de un neumático de coche.
Así que una diferencia de solo diez milimoles por litro entre dentro y fuera produce unos veinticinco kilopascales. Una diferencia de cien milimoles por litro produce unos doscientos cincuenta. Una diferencia de concentración muy pequeña basta para estirar una membrana lipídica hasta romperla. Encerrar muchas macromoléculas impermeantes en una vesícula no se limita, por tanto, a elevar su concentración. También crea una carga permanente.
Las bacterias modernas reparten esa carga entre al menos tres mecanismos.
La pared celular soporta la mayor parte del esfuerzo mecánico causado por la hinchazón. En entornos muy salinos, las células pueden acumular o liberar activamente pequeñas moléculas para ajustar la diferencia entre dentro y fuera. Y, ante una entrada repentina de agua dulce, tienen en la membrana dispositivos parecidos a la válvula de seguridad de una olla a presión: se abren automáticamente cuando aumenta la tensión y dejan salir rápidamente parte del contenido para evitar que la membrana reviente.
Este último dispositivo no es un canal ordinario de alimentación. Es una válvula para aliviar una subida brusca de presión.
¿Cuánta presión hay realmente dentro de una bacteria moderna? Según el método de medida, las estimaciones van desde unas decenas de kilopascales hasta alrededor de dos megapascales; las más altas corresponden al grupo de pared celular gruesa. La relación entre órdenes de magnitud está clara: la bicapa lipídica solo soporta una tensión limitada. Las células modernas han trasladado la carga permanente a la pared celular y utilizan válvulas de escape para los cambios repentinos.
La pared celular tampoco sale gratis. Mientras la bacteria crece, hay que ir abriendo cortes en ella y reconstruyéndola. La penicilina bloquea precisamente la reconstrucción: se sigue cortando, pero ya no se puede reparar, y la presión interna de la propia bacteria acaba haciéndola estallar.
Un gran grupo de bacterias añade otra membrana por fuera de la primera. Así frena muchas sustancias dañinas, pero también parte de los nutrientes. El grupo al que pertenece el bacilo de la tuberculosis lleva esto más lejos: lo envuelve una capa de lípidos parecida a la cera, que muchos fármacos no consiguen atravesar. Esa es una de las razones por las que cuesta tratar la tuberculosis. Cada capa de protección añade una cuenta que pagar. Pero son las cuentas de las células actuales; no podemos atribuírselas retrospectivamente a las primeras.
Los experimentos fuera de las células recurren a tres estrategias para esquivar o aprovechar este problema. Una es igualar tanto como sea posible las concentraciones de las disoluciones de dentro y de fuera de la vesícula. Otra es usar sustancias que crucen deprisa la membrana, de modo que el volumen aumente a la vez que la superficie. La tercera hace lo contrario: introduce deliberadamente macromoléculas impermeantes en el interior y aprovecha la diferencia de presión para impulsar la captación de membrana en competencia con otras vesículas.
Viene después la división. Para transmitir lo que lleva dentro, una vesícula tiene que crecer y también partirse en dos. Los primeros métodos eran bastante brutales. El mismo equipo de 2003 hizo crecer vesículas de ácidos grasos añadiendo más ácidos grasos que pudieran absorber; después las obligó a pasar por poros estrechos para convertirlas en vesículas pequeñas.
Así se podía completar el ciclo, pero el estrujamiento lo imponía el aparato experimental y, además, se perdía contenido. Ese era justamente el problema que quiso resolver un trabajo de 2009: ¿podía una vesícula llegar por sí sola al borde de la división, en vez de ser partida a la fuerza?
Veamos primero un hecho geométrico. La superficie de una esfera es proporcional al cuadrado de su radio; el volumen, al cubo. Cuanto más grande es la esfera, más escasa resulta su superficie en relación con su volumen. Es una de las razones por las que las células suelen ser pequeñas: si crecen demasiado, la membrana no da abasto para aprovisionar el interior.
La restricción no depende del material de la membrana. Es pura geometría. ¿Qué ocurre si siguen incorporándose moléculas a la membrana y aumenta su superficie, pero el volumen interior no consigue seguirle el ritmo?
La esfera deja de ser la única forma que puede acomodar tanta superficie. El exceso se manifiesta en formas elipsoidales, tubulares o en largos filamentos. A la inversa, si el agua o el contenido interior aumentan más deprisa que la superficie de la membrana, la tensión sube y acaba habiendo fugas o una rotura.
Szostak dedicó sus primeros años de investigación a los extremos de los cromosomas, trabajo por el que compartió el Nobel de Fisiología o Medicina en 2009. Desde los años noventa orientó su laboratorio hacia otra pregunta: cómo empezó la vida.
En 2009, Ting Zhu y Szostak convirtieron esta restricción geométrica en una vía de crecimiento y división que no necesitaba ninguna proteína. Colocaron vesículas grandes de ácido oleico en una disolución cuyo soluto atravesaba lentamente la membrana y añadieron una cantidad de ácido oleico equivalente a unas cinco veces los lípidos que ya tenían las vesículas en sus membranas. La superficie de la membrana exterior aumentó primero; el volumen interno no pudo crecer al mismo ritmo.
En unas decenas de minutos, las vesículas esféricas se alargaron hasta convertirse en filamentos. Después bastaron las fuerzas de cizallamiento producidas por una agitación suave para partirlos en varias vesículas hijas. Y las pérdidas de ARN del interior fueron mucho menores que con el estrujamiento mecánico de los experimentos anteriores.
El mismo artículo incluía un control. Al sustituir el soluto por otro que atravesaba rápidamente la membrana, el agua entraba detrás de él y el aumento de volumen alcanzaba al de superficie. Las vesículas tendían entonces a conservar su forma esférica, y la formación de filamentos disminuía mucho. El control decía algo importante: añadir ácidos grasos no provocaba automáticamente la división.
La clave era un desajuste temporal entre el crecimiento de la superficie y el del volumen, seguido por fuerzas externas de cizallamiento que completaban la rotura. Aquí, crecer y dividirse no eran una capacidad. Eran un desajuste. La distinción importa porque cambia la forma de la pregunta.
Si la división es una «capacidad», tenemos que explicar de dónde sale esa capacidad. Si es un desajuste, en cambio, solo tenemos que explicar por qué la superficie y el volumen no crecieron al mismo ritmo. Y la respuesta está en la geometría y la permeabilidad, no en un dispositivo nuevo.
V La membrana no es un recipiente, es un generador
Esta sección trata de lo más contrario a la intuición de todo el ensayo: una membrana puede ser, por sí misma, un dispositivo energético. Imagina una presa. El agua se eleva y se crea un desnivel entre ambos lados. Ese desnivel ya es energía: basta con abrir una compuerta y dejar que el agua vuelva a bajar para mover una turbina.
La célula hace lo mismo, solo que no eleva agua, sino protones. Los bombea de un lado de la membrana al otro y crea así una diferencia de concentración de protones y una diferencia de potencial eléctrico.
Esas diferencias son el desnivel. ¿De qué tamaño? El voltaje entre los dos lados es de apenas un centenar largo de milivoltios, pero la membrana solo tiene unos pocos nanómetros de espesor. La equivalencia es de treinta millones de voltios por metro. Hay quien lo compara con un relámpago.
En la membrana hay además un dispositivo que funciona como una turbina: cuando los protones regresan a favor del desnivel, lo hacen girar, y ese giro se utiliza para fabricar la moneda energética de la célula. En un día, una persona fabrica y gasta una cantidad de esa moneda cuyo peso total se aproxima al de su propio cuerpo. Así que aquí la membrana no es el recipiente. Es la propia presa.
Esta explicación, sin embargo, pasó dieciséis años siendo rechazada. En julio de 1961, Peter Mitchell publicó en Nature un artículo que proponía justamente este esquema. El marco dominante de la época era muy distinto.
Según la explicación mayoritaria, la cadena respiratoria fabricaba primero una «molécula intermediaria de alta energía» capaz de difundirse, y esta entregaba después la energía al paso siguiente. La idea encajaba con otra forma de obtener energía que ya se conocía, por lo que muchos investigadores esperaban aislar, capturar o demostrar la existencia de una molécula intermediaria concreta.
Mitchell decía que no tenía por qué ser así. La energía podía existir primero como un desequilibrio entre los dos lados de una membrana, sin corresponder a ninguna molécula de alta energía en el sentido tradicional. La hipótesis encontró una resistencia intensa y prolongada, y la causa no fue solo el conservadurismo.
Exigía aceptar algo muy extraño para la época: que la energía podía no estar alojada en una molécula. También había dificultades técnicas. Las preparaciones experimentales de entonces dejaban escapar protones con facilidad y resultaba difícil controlar la integridad de las membranas. Muchos experimentos no permitían, por eso, distinguir limpiamente entre ambos modelos.
Desde los años cincuenta hasta comienzos de los setenta se propusieron numerosos candidatos a intermediarios de alta energía. Se sospechó de casi todos los componentes de la cadena respiratoria. Ninguno obtuvo una confirmación decisiva que pudiera reproducirse de forma general. En 1962, Boyer, que más tarde recibiría el Nobel por estudiar aquel dispositivo giratorio, creyó haber atrapado uno. Resultó ser un intermediario del trabajo de otra enzima, sin relación con este asunto.
En 1963, Mitchell dejó la universidad por motivos de salud. Restauró una vieja mansión abandonada en el suroeste de Inglaterra y fundó con su propio dinero un pequeño instituto de investigación. Allí hacía experimentos con su colaboradora Moyle. A mediados de los sesenta hicieron también otra cosa.
Demostraron que el inicio de la respiración de las mitocondrias iba acompañado de una expulsión medible de protones, y estudiaron las relaciones cuantitativas entre los distintos pasos de la cadena respiratoria y el transporte de protones. Era un apoyo directo a la idea de que «el transporte de electrones mueve realmente protones de un lado al otro de la membrana».
En 1966 llegó un experimento elegante. Dos investigadores colocaron primero una estructura membranosa vegetal en un medio ácido, cargando de protones su interior. Después la trasladaron rápidamente a un medio más alcalino que contenía las materias primas necesarias. Así crearon artificialmente un desnivel de protones entre dentro y fuera.
En la oscuridad, sin ningún transporte de electrones impulsado por la luz, ese desnivel permitió sintetizar moneda energética durante un breve lapso. El experimento favorecía mucho a Mitchell. Aun así, no zanjó de inmediato la discusión: los defensores del intermediario podían retocar su explicación y proponer que «el desnivel forma indirectamente alguna molécula intermediaria aún desconocida».
Lo verdaderamente difícil de esquivar llegó con una reconstitución de 1974. Dos investigadores tomaron la bomba de protones accionada por luz de una arquea halófila, de las que contribuyen a teñir de rosa el agua de las salinas, y la introdujeron en vesículas artificiales junto con el dispositivo giratorio de las mitocondrias. Al iluminarlas, la bomba generaba el desnivel y el dispositivo giratorio lo aprovechaba para fabricar moneda energética.
Del sistema se habían retirado todos los demás componentes de la cadena de transporte de electrones. Quedaban solo tres cosas: una bomba, una membrana cerrada y una turbina. La conversión de energía seguía produciéndose.
Desde la propuesta de 1961 hasta que el debate principal se cerró hacia 1977 transcurrieron unos dieciséis años. El Nobel de Química de 1978 se concedió en solitario a Mitchell.
Y cerrar el debate no significó que uno de los bandos se declarara vencido. A finales de los setenta estaba prácticamente resuelta la cuestión principal: si el desnivel a través de la membrana era el paso central de la conversión de energía. Persistían, sin embargo, discrepancias importantes sobre los detalles del acoplamiento. En 1977, varias figuras principales de los antiguos bandos rivales escribieron juntas un artículo de revisión. El hecho mismo mostraba que empezaban a compartir un marco más amplio.
Conviene mirar también las magnitudes del mecanismo. En una cadena respiratoria típica de las mitocondrias de mamífero, por cada pareja de electrones recibida del NADH, un transportador de electrones procedentes de la degradación de los alimentos, los distintos pasos trasladan en total unos diez protones al lado exterior de la membrana. El rotor de aquel dispositivo, situado dentro de la membrana, es un anillo de piezas repetidas. Una vuelta completa permite fabricar tres moléculas de moneda energética.
Así, si el anillo del rotor tiene diez piezas, una vuelta necesita unos diez protones: alrededor de tres coma tres por cada molécula producida. Si tiene catorce piezas, la cifra es de unos cuatro coma siete.
En la naturaleza se conocen anillos de apenas ocho piezas y otros de hasta diecisiete. Los de las mitocondrias de los mamíferos tienen ocho: unos dos coma siete protones por molécula producida. El coste en protones de fabricar una molécula de moneda energética varía, por tanto, de unos organismos a otros.
Y el giro de ese dispositivo no es una metáfora. En 1997, unos investigadores japoneses pegaron a su eje un filamento fluorescente y lo vieron girar directamente al microscopio.
Utilizaron solo la mitad del dispositivo que sobresale de la membrana. Al suministrarle moneda energética, funcionaba al revés: la consumía y giraba. Una turbina también puede servir de bomba. Ese mismo año, Boyer, que había predicho el giro mucho antes, compartió el Nobel de Química con el británico Walker, que había resuelto su estructura.
Un detalle más. El mecanismo no exige que la membrana sea absolutamente impermeable a los protones en sentido matemático. Exige que las fugas sean lo bastante pequeñas en comparación con los flujos de bombeo y de retorno.
Es una condición de proporciones, no de absolutos. También se discute si el ion que mueve la turbina tuvo que ser desde el principio un protón. Unos sostienen que el sodio es más antiguo. Una de sus razones es física: si las primeras membranas dejaban escapar muchísimos protones, pero perdían menos iones de sodio, un desnivel de sodio sería efectivamente más fácil de mantener durante mucho tiempo.
Otros sostienen que los protones son más antiguos. Argumentan que entre los fluidos hidrotermales alcalinos naturales y un agua de mar más ácida puede existir directamente un desnivel de protones ya hecho. La primera energía aprovechada podría, así, haberla suministrado la geoquímica. Las pruebas disponibles no dan una respuesta indiscutible sobre cuál de los dos iones movió primero la turbina.
Pero hay algo que no depende de esa respuesta. Este mecanismo no conserva una «concentración de protones» en una disolución homogénea. Define la energía como un desequilibrio entre los dos lados de la membrana. En cuanto ambos lados se mezclan libremente, el desnivel desaparece.
La reconstitución de 1974 convirtió esto en un control experimental: sin una vesícula cerrada, el desplazamiento de protones producido por la bomba no genera un desnivel a través de la membrana. Con una vesícula íntegra que también lleve la turbina, iluminar basta para producir moneda energética.
Ser frontera y ser dispositivo energético no son, por tanto, dos funciones distintas de la membrana. Crear una separación entre dentro y fuera es, en sí mismo, la condición física necesaria para almacenar esa energía.
Ahora podemos recuperar la anomalía de la tercera sección. La inmensa mayoría de los seres vivos actuales basa este sistema energético en los protones; solo una minoría de bacterias y arqueas utiliza sodio. Y el protón es precisamente, entre todos los iones con una sola carga, el que más fácilmente se fuga a través de una membrana.
No es una elección que se pueda cambiar a la ligera. Para conservar el desnivel entre ambos lados, cuanto más lentas sean las fugas, mejor. Y, sin embargo, se eligió justo el ion que más deprisa se escapa. La restricción del final de la tercera sección apunta a una posible razón: las primeras membranas eran vulnerables a los iones con dos cargas, como el magnesio y el calcio, mientras que el magnesio era indispensable para la catálisis.
De entrada, tampoco había tantos iones utilizables entre los que elegir.
VI No se reúne todo, y también se compite
Una membrana encierra unas moléculas y, al hacerlo, deja otras fuera. Suena a obviedad, pero tiene consecuencias que pueden calcularse.
Si una vesícula se forma limitándose a encerrar al azar un volumen de una disolución homogénea, el número de moléculas de cada tipo que entran se parece al reparto de semillas de sésamo que esparcimos sobre muchos cuencos pequeños. Podemos calcular cuántas tocarán por término medio a cada cuenco; cuántas caerán en uno concreto es cosa del azar.
Hagamos las cuentas para una vesícula de cien nanómetros de diámetro. Si la concentración ambiental de una molécula esencial es de un nanomol por litro, a cada vesícula le corresponden de media apenas unas tres diezmilésimas de molécula. Es decir, solo unas tres vesículas de cada diez mil recibirán al menos una. Si la concentración sube a un micromol por litro, la media ronda las cero coma treinta y dos moléculas y la probabilidad de recibir al menos una es de aproximadamente el veintisiete por ciento.
Solo al llegar a diez micromoles por litro, con una media de unas tres coma dos moléculas, la probabilidad asciende a alrededor del noventa y seis por ciento. Supongamos ahora que hacen falta cinco componentes distintos, que cada uno está a una concentración de un micromol por litro y que debe entrar al menos una molécula de cada tipo.
Bajo el supuesto simplificador de que sus repartos son independientes, la probabilidad de que una vesícula reúna los cinco ronda el uno coma cuatro por mil. Para diez componentes, unos dos por millón. Es como una receta que necesita cinco condimentos: si cada condimento solo está, por casualidad, en aproximadamente una de cada cuatro cocinas, apenas una o dos cocinas de cada mil tendrán los cinco.
Este cálculo se usa a menudo como referencia de partida en los experimentos, aunque los sistemas reales pueden apartarse de él. Las moléculas pueden adsorberse a la membrana, agruparse entre sí o tener afinidad por ella. Pero hay que medir en cada sistema cuánto se apartan y en qué dirección. No podemos dar por hecho que la desviación será siempre favorable.
El mecanismo que genera diferencias entre compartimentos es el mismo que hace que cada compartimento se quede sin parte de lo que necesita. No puedes quedarte solo con la primera mitad.
En un volumen pequeño, la cantidad de cada molécula poco abundante puede ser un número discreto: cero, uno, dos. «Cuál falta» se convierte entonces en una diferencia sustancial entre compartimentos, no en una pequeña fluctuación de concentración. El modelo de corrección estocástica aprovecha justamente esas diferencias y, a la vez, tiene que cargar con ellas.
Las células actuales tampoco se libran. En 2002 se introdujeron dos genes fluorescentes en Escherichia coli: uno hacía que la célula emitiera luz cian y el otro, amarilla. Delante de ambos genes se colocaron interruptores idénticos. En principio, cada célula debía emitir la misma cantidad de luz de los dos colores.
Pero, al microscopio, unas bacterias de la misma población se veían más cian y otras más amarillas. Mismos interruptores, mismo entorno. La diferencia procedía del azar con el que actuaban, cada una por su cuenta, aquellas moléculas presentes en cantidades muy pequeñas dentro de la célula.
Además de que no siempre entra todo, hay algo más directo: los compartimentos compiten. En 2004, tres investigadores, entre ellos otra vez Szostak, encerraron ARN incapaz de atravesar la membrana en vesículas de ácidos grasos y elevaron así su presión osmótica interna. Pero una membrana de ácidos grasos no es un material fijo. Cada molécula de ácido graso puede circular por el agua e intercambiarse entre vesículas distintas.
Cuando conviven vesículas «hinchadas y tensas» con otras más relajadas, las primeras alivian su tensión absorbiendo ácidos grasos y las segundas pierden parte de su membrana. Una crece y otra se encoge. Como dos globos: el más hinchado va arrancándole la piel, poco a poco, al más desinflado. Según el contenido que se hubiera introducido, la superficie de las primeras crecía entre un veinte y un cincuenta por ciento. En el mecanismo no interviene ninguna catálisis.
En este experimento, el ARN era solo una macromolécula impermeante: más ARN dentro, más presión, entrada neta de ácidos grasos y mayor superficie de membrana. Una diferencia química interna alteraba la velocidad de crecimiento de la frontera por pura mecánica física.
Es una demostración de laboratorio, pero deja ver algo: lo que contiene una bolsa puede determinar si esa bolsa crece deprisa o despacio, sin que haga falta una sola enzima en todo el proceso. Volvamos al tubo de ensayo de la primera sección: allí la selección solo distinguía velocidades de copia. Aquí, el contenido de la bolsa ha quedado ligado al destino de la propia bolsa.
En 2011, el mismo laboratorio añadió a las vesículas de ácidos grasos una pequeña cantidad de los fosfolípidos que utilizan las células actuales. Las vesículas con fosfolípidos retenían mejor los ácidos grasos y les arrebataban membrana a las que no los tenían. Así crecían cada vez más.
Quizá esto explique por qué las membranas celulares acabaron pasando a los fosfolípidos: al principio bastaba un poco para llevar ventaja en la disputa por la membrana. Pero, al aumentar su proporción, la membrana se volvía más compacta y las materias primas del exterior ya no entraban. La célula tenía que fabricar entonces toda una serie de dispositivos de transporte. Una ventaja traía de paso el problema siguiente.
VII También puede haber un dentro y un fuera sin membrana
En las células de tu cuerpo hay, ahora mismo, muchas «habitaciones» sin membrana. El nucléolo, dentro del núcleo celular, es una gota sin ninguna membrana que la envuelva. Ante una temperatura elevada u otra forma de estrés, la célula forma en unos minutos nuevas gotas por condensación; cuando pasa el estrés, se dispersan de nuevo.
En esta sección veremos tres maneras de crear un dentro y un fuera sin recurrir a una membrana. La primera son esas gotas. Al mezclarse ciertas macromoléculas cargadas, se agrupan espontáneamente en una región muy concentrada que coexiste con la disolución diluida de alrededor sin mezclarse uniformemente con ella.
Se parece a la separación entre aceite y agua, aunque no es lo mismo. Dentro de la gota hay muchísima agua, y las moléculas pueden entrar y salir rápidamente; simplemente, al repartirse, tienden a quedarse dentro. Lo que aparece es una frontera de concentración, no una barrera continua.
El fenómeno se conoce desde hace mucho. En 1929, dos químicos neerlandeses especializados en coloides lo describieron de forma sistemática. En los años treinta, el bioquímico soviético Oparin lo incorporó a sus ideas sobre el origen de la vida. Llamó coacervados a esas estructuras.
Antes de eso, Oparin y el británico Haldane ya habían propuesto, por separado, que en los mares primitivos se habían ido acumulando compuestos orgánicos, como en una sopa aguada. El coacervado fue el primer recipiente que Oparin encontró para las moléculas de aquella sopa.
La biología celular moderna volvió a estudiar estas gotas como mecanismo de organización de la célula hacia 2009. Entonces se observó que ciertos gránulos de las células germinales de un nematodo se fusionaban, goteaban e intercambiaban materia rápidamente, como líquidos.
En un experimento de 2018 se introdujo en gotas modelo una ribozima capaz de cortar ARN. Tanto la ribozima como el ARN que debía cortar se concentraron en las gotas más de mil veces, y el corte siguió produciéndose. Pero concentrar no garantiza mejorar: a igual concentración, el corte dentro de esas gotas resultaba unas sesenta veces más lento que en una disolución ordinaria.
Los inconvenientes de las gotas son igualmente concretos. No tienen una barrera continua, no retienen los iones y, por tanto, no pueden conservar el desnivel del que hablamos antes. Además, se fusionan unas con otras. En cuanto lo hacen, desaparecen sus diferencias.
Ha habido intentos de sortear la fusión. Un trabajo de 2022 construyó un sistema en microporos de roca calentada y sobre superficies de burbujas de gas. Se observó que las gotas podían acumularse, crecer, fusionarse y romperse bajo la acción de diferencias de temperatura y corrientes.
Esto muestra que los movimientos del entorno pueden sustituir parte de la maquinaria de división de una membrana. No demuestra que un poro concreto de una roca del Arcaico sostuviera realmente una población de gotas así.
La segunda posibilidad son las cubiertas de proteínas. Algunas bacterias tienen pequeñas jaulas proteicas cuya cubierta es un icosaedro, como un balón de fútbol minúsculo. Su diámetro típico va de cien a varios cientos de nanómetros, y contienen enzimas que fijan dióxido de carbono.
Esa enzima también está en las hojas de las plantas, y suele decirse que es la proteína más abundante de la Tierra. La jaula mantiene una concentración de dióxido de carbono mayor dentro que fuera, lo que permite a la enzima trabajar mucho más deprisa.
Estas estructuras se encuentran en todas las cianobacterias conocidas y en algunas bacterias autótrofas. Las pruebas estructurales indican que sus dos tipos principales probablemente sean dos sistemas construidos de forma independiente.
Hay otra clase de cubiertas más pequeñas, de unos veinte a cuarenta nanómetros de diámetro, que se autoensamblan a partir de proteínas semejantes a las de las cubiertas víricas e incorporan su carga mediante etiquetas específicas. Y hay otras que solo contienen gas: ayudan a muchas bacterias y arqueas acuáticas a regular su flotación, como la vejiga natatoria de los peces.
Muchos de estos compartimentos surgieron por invenciones independientes. Por eso no podemos dar una cifra total de las veces que la evolución ha inventado la separación.
La tercera posibilidad ni siquiera está fabricada por seres vivos. Desde los años ochenta y noventa del siglo pasado se viene proponiendo que los primeros espacios locales de reacción no tenían por qué ser vesículas que flotaran libremente.
En ciertos puntos del fondo marino, el agua se infiltra en las rocas, reacciona con ellas y vuelve a salir convertida en un fluido templado y alcalino. Al mezclarse con el agua de mar que lo rodea, precipitan minerales que forman pequeñas estructuras porosas, como panales de paredes minerales delgadas.
En el primer ensayo hablamos de la «Ciudad Perdida» del fondo del Atlántico. Sus chimeneas blancas de carbonatos alcanzan los sesenta metros, la altura de un edificio de veinte pisos. El agua de cada poro mantiene un intercambio limitado con los poros vecinos y con el exterior. La estructura mineral proporciona, de entrada, una separación geométrica.
La propuesta cuenta con el apoyo de experimentos físicos y simulaciones. En 2002, dos investigadores estudiaron el comportamiento del ADN en agua sometida a diferencias de temperatura a escala microscópica. La diferencia térmica por sí sola desplazaba el ADN hacia el lado más frío. Al añadir convección, las corrientes devolvían continuamente las moléculas a la región del gradiente térmico y las atrapaban. Tanto los experimentos como los modelos podían producir concentraciones locales superiores a unas mil veces la inicial.
En 2007 se simuló por ordenador esa acción conjunta en conductos hidrotermales. En poros largos y estrechos, de un milímetro de anchura y cerrados por un extremo, incluso los nucleótidos sueltos podían concentrarse más de cien millones de veces.
La salinidad, sin embargo, impone una restricción concreta. Con una concentración de sal de unos cero coma cinco moles por litro, aproximadamente la del agua de mar, el efecto disminuye mucho y puede llegar a ser difícil de detectar. Los experimentos con poca sal no se pueden extrapolar directamente a la composición iónica del agua de mar natural.
Estos experimentos y simulaciones muestran que las corrientes térmicas de los microporos pueden concentrar moléculas de verdad. No hay pruebas, en cambio, de qué sistema hidrotermal concreto del Arcaico lo hizo realmente.
Y los poros minerales tienen un problema que no pueden resolver por sí solos. Un poro no se copia. Puede concentrar, catalizar y ofrecer un compartimento, pero no puede fabricar un segundo ejemplar de sí mismo.
Una gota, al menos, puede partirse en dos. Las cubiertas proteicas las fabrica la propia célula y se reproducen con ella. Un poro mineral es solo un lugar. Se queda donde está.
Si en un poro aparece una combinación favorable de moléculas, pero el poro no crece, no se divide ni transmite su contenido a poros hijos formando un linaje, no aparece la «reproducción de compartimentos» que necesita el modelo de corrección estocástica.
Las corrientes pueden llevar el contenido a nuevos poros situados aguas abajo. Pero eso no equivale a que se desplace un compartimento entero con todos sus componentes. Entre el compartimento mineral y la célula libre median varios obstáculos: cómo crece una frontera dentro del poro, cómo se desprende del mineral llevándose el contenido sin deshacerse, cómo consigue crecer y dividirse por su cuenta una vez liberada y cómo genera su propio desnivel cuando pierde aquel que ya venía dado.
Cada paso es un problema de ingeniería concreto. Dondequiera que ocurriera la primera química, lo que salió después de allí fueron siempre células que llevaban consigo su propia membrana.
VIII Vemos la frontera, pero no de qué estaba hecha
¿Cuánto puede reducirse un compartimento capaz de mantenerse por sí mismo? Si ha de alojar material hereditario, maquinaria para fabricar proteínas, proteínas del metabolismo básico y suficiente agua e iones, las estimaciones clásicas sitúan el límite inferior de una célula autónoma esférica en unos doscientos cincuenta nanómetros de diámetro.
La cifra tiene una historia. En 1996 se anunció el hallazgo, en un meteorito procedente de Marte, de estructuras diminutas parecidas a bacterias. Medían entre unas decenas y cien nanómetros de largo.
Dos años después, la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos reunió a especialistas para discutir cuál podía ser el tamaño mínimo de una célula. Las estimaciones de aquella reunión situaron el límite inferior aproximadamente ahí. Aquellas «bacterias marcianas» eran demasiado pequeñas para guardar todo el equipaje que necesita una célula.
Entre las bacterias marinas planctónicas que se han cultivado, Pelagibacter ubique es una de las células más pequeñas que viven libremente y se reproducen de forma autónoma. También es una de las bacterias más abundantes del océano. Su volumen ronda entre 0,015 y 0,058 micrómetros cúbicos. Su anchura es de apenas ciento y tantos nanómetros: harían falta unas quinientas colocadas una al lado de otra para igualar el grosor de un cabello.
Hay candidatos aún menores, con volúmenes de alrededor de cero coma cero uno micrómetros cúbicos. Pero estos grupos diminutos suelen tener genomas muy reducidos y quizá dependan de otros miembros de su comunidad para obtener metabolitos. Que puedan considerarse «capaces de mantenerse de forma independiente» es, por tanto, una cuestión de definición que sigue en disputa.
Los micoplasmas carecen de pared celular; uno de ellos causa la neumonía por micoplasma. Sus células suelen medir apenas entre trescientos y ochocientos nanómetros. Sin embargo, han perdido muchas capacidades de síntesis y dependen del huésped para obtener diversas sustancias. Algunos virus gigantes son mayores que estas células mínimas.
Por eso, «la célula más pequeña capaz de copiarse» y «la célula más pequeña que vive de verdad en libertad» no son el mismo récord. Ambas, no obstante, alcanzan tamaños en el límite de un microscopio óptico corriente: incluso a mil aumentos, solo se ve un punto borroso.
¿Qué dejaron, entonces, las primeras membranas? La membrana en sí no se convierte en fósil. Sus moléculas lipídicas se descomponen tras la muerte. Lo que puede perdurar son los esqueletos de carbono relativamente estables que deja su degradación.
Los distintos grupos de organismos fabrican esqueletos algo distintos, por lo que estos restos reciben el nombre de biomarcadores. Buscar las primeras membranas equivale, en la práctica, a buscar los restos moleculares más antiguos que puedan atribuirse a una membrana celular.
Es mucho más difícil de lo que parece. Estas moléculas están en las rocas en concentraciones ínfimas, a menudo inferiores a una parte por mil millones. Y los lodos de perforación, los plásticos, los disolventes de laboratorio y el petróleo que se haya infiltrado después bajo tierra pueden introducir, cualquiera de ellos, materia orgánica más joven.
A finales del siglo XX se anunció la presencia de estas moléculas en rocas australianas de unos dos mil setecientos millones de años. En 2012 se extrajeron nuevos testigos mediante técnicas ultralimpias. Los resultados publicados en 2015 mostraron que las cantidades detectadas apenas se distinguían de las de un control en blanco, sin muestra alguna. Contaremos la historia completa en el quinto ensayo.
Tras pruebas de este tipo, los restos moleculares de lípidos de membrana cuya edad puede confirmarse como la misma que la de la roca llegan de forma fiable a unos mil seiscientos cuarenta millones de años; también se han publicado hallazgos de unos mil setecientos treinta millones. Hay, en cambio, microfósiles con forma celular de unos tres mil cuatrocientos millones de años. Durante esos mil setecientos millones de años de diferencia, las células evidentemente tenían membranas. Lo que ocurre es que aquellas membranas no dejaron moléculas cuyo rastro podamos seguir.
En el primer ensayo vimos las tres capas de pruebas de esos microfósiles. Lo que conservan son formas carbonosas, contornos mineralizados y estructuras filamentosas. No conservan una bicapa lipídica con toda su estructura molecular intacta. Hay una gran distancia entre ver una frontera de aspecto celular y saber de qué estaba hecha su membrana.
En el segundo ensayo vimos que las bacterias y las arqueas actuales usan dos familias distintas de lípidos de membrana: sus esqueletos son imágenes especulares entre sí, y también difieren las colas y la forma de unirlas. Aún no sabemos a cuál de las dos pertenecía la primera membrana, o si no pertenecía a ninguna.
Podemos volver ya a la construcción de este ensayo. Una membrana define el «fuera» al definir el «dentro». Con ese acto resuelve la dilución, vuelve a ligar el beneficio de una mejora a quien la produce y, de paso, crea la condición física que permite almacenar energía. Pero, desde el instante en que se establece, empieza también a producir su propio resto: lo que la construcción no puede contener y tampoco puede eliminar. En esta serie lo llamamos resto.
Son resto los componentes que quedan fuera en el reparto aleatorio. Lo que falta, falta: un volumen pequeño implica, por sí mismo, cantidades discretas. Es resto la presión osmótica, que no se ha resuelto, sino que se ha trasladado a la pared celular y a las válvulas de escape. Es resto lo que hay que bombear hacia fuera: las bombas deben seguir gastando energía. Y también es resto todo lo que ha quedado fuera de la membrana.
Ninguno de estos restos se ha resuelto. Todos siguen ahí. Solo han cambiado de sitio, o ha cambiado quién carga con ellos. Y en las rocas hay otro resto: podemos ver que aquella frontera existió, pero no podemos ver de qué estaba hecha.
Los criterios siguen cribando. Las rocas vuelven a abrirse bajo el corte. En los laboratorios, las vesículas siguen alargándose en filamentos, rompiéndose y arrebatándose lípidos de membrana.