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  • Oxígeno, agua y luz
    La toxicidad de los elementos básicos para la vida

    Por Joe W. Francis

    Toda criatura viviente está hecha de unidades sorprendentemente pequeñas y complejas llamadas células. Las células, vistas bajo el microscopio parecen no hacer mucho; sin embargo, están llenas de máquinas diminutas involucradas en reacciones tremendamente complejas. La mayoría de los procesos vitales son tan minúsculos y transparentes que no podemos verlos en acción ni con microscopio. Pero la química biológica está trabajando constantemente en las células vivas. Los típicos libros de texto sobre bioquímica de nivel universitario contienen más de mil páginas y describen entre cientos y miles de reacciones complejas que ocurren simultáneamente dentro de estos diminutos paquetes biológicos que llamamos células.

    A pesar de esta inmensa complejidad, las células vivas están formadas principalmente por cuatro elementos: carbón, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Dos de ellos, el hidrógeno y el oxígeno, están unidos y forman agua, la molécula más abundante en los organismos vivos. La molécula de oxígeno misma juega un papel importantísimo en la regeneración de energía dentro de la célula. Además, todas las criaturas vivientes necesitan una fuente de energía. En la mayoría de los ecosistemas, la energía proviene en última instancia de la luz. Por ejemplo, toda la energía de los alimentos que consumimos puede ser rastreada hasta la energía luminosa capturada por células. Entonces, no es extraño que el oxígeno, el agua y la luz sean tan abundantes en la tierra. Los organismos vivos están expuestos continuamente a estos elementos tan importantes para la vida. Los investigadores del origen de la vida, que tratan de determinar cómo empezó ésta por medios naturales, deben incorporar el agua, el oxígeno y la luz a sus fórmulas del inicio de la vida. Sin embargo, es muy curioso que estos tres elementos sean dañinos para la vida. De hecho, las células vivas pelean momento a momento y día tras día una batalla contra la toxicidad del oxígeno, el agua y la luz. Examinemos la toxicidad de cada uno de estos elementos.

    El oxígeno interactúa con muchos átomos y moléculas. Esto resulta evidente en las estructuras metálicas que nos rodean, las cuales tienden a oxidarse o aherrumbrarse con el tiempo. Si el contenido de oxígeno de nuestra atmósfera fuera un poco más alto que el actual 21 por ciento, el peligro de incendios forestales devastadores y de una atmósfera inestable y explosiva disminuiría significativamente las posibilidades de la proliferación de la vida en el planeta. Los efectos tóxicos de un nivel elevado de oxígeno pueden observarse directamente en los pulmones dañados de pacientes humanos que hayan recibido oxígeno por razones terapéuticas.

    El oxígeno es tóxico para los organismos vivos porque cuando interactúa con las células, la molécula de oxígeno misma se descompone en derivados tóxicos. Estos derivados interactúan con las moléculas esenciales de las células y las modifican. Consecuentemente, debido a que vivimos en un ambiente oxigenado, nuestras células y su contenido siempre están siendo amenazadas por los derivados tóxicos del oxígeno. Si no se neutralizara constantemente esta amenaza, la vida dejaría de existir. Las células producen una gran variedad de enzimas, incluyendo una muy importante llamada superóxido dismutasa (SOD), que atrapa y desactiva el superóxido, la especie dominante de oxígeno tóxico. La SOD se encuentra dentro de la célula, fuera de ella y en sus membranas. Las células de nuestro cuerpo están literalmente rodeadas de SOD. De hecho, la concentración de SOD en el ambiente celular puede ser 100,000 veces mayor que la concentración de superóxido.

    Debido a que el oxígeno apareció muy temprano en el desarrollo de la vida, la SOD o un mecanismo de protección similar tendría que haber aparecido en una fase temprana de la evolución. Esto representa varios problemas. Uno es que sería necesario que la SOD atrapara específicamente el superóxido, pero no el oxígeno. El superóxido y el oxígeno son muy similares en tamaño y forma y si la SOD reaccionara con el oxígeno y evitara su entrada a la célula, la vida quedaría amenazada. Las células poseen también encimas esenciales especializadas en unirse al oxígeno. Es fascinante que las enzimas que atrapan el oxígeno se parezcan a las que atrapan el superóxido en que utilizan el mismo tipo de átomos de metal para atraer y atrapar el oxígeno. Entonces parece que en una etapa muy temprana de la evolución de la vida aparecieron simultáneamente dos encimas complejas que permiten a las células tomar oxígeno a la vez que las protegen de los efectos dañinos del oxígeno tóxico.

    Muchos escenarios del origen de la vida excluyen el oxígeno molecular debido a su reactividad y toxicidad. Sin embargo, el oxígeno atmosférico juega un papel muy importante en la filtración de los dañinos rayos ultravioleta (UV) del sol. En la atmósfera de nuestros días, que contiene oxígeno, una parte de la luz UV sí llega a la tierra y daña a los seres vivos. A la larga, la luz UV altera el DNA de las células causando mutaciones, cáncer o muerte celular. De hecho, es muy probable que el DNA de nuestras células resulte dañado con cada exposición a la luz solar. Se estima que el DNA de cada célula de los animales de sangre caliente puede sufrir más de 10,000 alteraciones al día. Sin embargo, rara vez notamos el daño porque nuestras células poseen elaborados mecanismos de reparación del DNA que pueden revertir los daños ocasionados por la luz UV y otros agentes. En los humanos hay más de 100 genes involucrados en la reparación del DNA. De hecho, todos los organismos, incluyendo a las bacterias, poseen complejos mecanismos de reparación del DNA dañado por la luz. Muchos organismos poseen hasta cuatro tipos diferentes. En las bacterias, hay un mecanismo de reparación de respaldo llamado SOS que se activa si la célula se ve agobiada por daños a su DNA. Estos mecanismos son complejos e involucran muchas partes para lograr su objetivo. Veamos cómo se consigue la restauración del DNA dañado por la luz UV.

    El DNA es una molécula con forma de fibra trenzada doble. Generalmente la luz UV hace que la doble trenza se pegue en algún punto. Los mecanismos de reparación reconocen el punto donde las trenzas están pegadas, lo cortan, y vuelven a sintetizar lo perdido. Para ello se requieren por lo menos una encima que reconozca el punto pegado, otra que haga el corte y una más que resintetice y selle. En algunos organismos, una sola enzima llamada fotoliasa puede reparar los daños producidos por la luz UV, pero necesita la ayuda de dos moléculas cofactoriales complejas y, sorprendentemente, debe ser expuesta a luz de una longitud de onda específica para poder funcionar. No sólo en la totalidad de las células podemos encontrar elaborados mecanismos de reparación. En las plantas, las algas y algunas bacterias existen complejos sistemas que interactúan intencionalmente y muy específicamente con la luz. Estos sistemas fotosintéticos proporcionan carbón y oxígeno a la mayoría de los seres vivos de la tierra.

    La cianobacteria, una bacteria fotosintética que se encuentra en los océanos, podría ser responsable de movilizar aproximadamente el 50 por ciento del carbón que necesitan todos los seres vivos de la tierra. Curiosamente, la maquinaria fotosintética de estas bacterias puede sufrir quemaduras por el sol. Algunas de sus proteínas se queman a tal grado que dejan de funcionar. Sin embargo, los investigadores han descubierto en el océano un virus que infecta a las bacterias y repara los defectos. La existencia de mecanismos de reparación tan elegantes y esenciales que contrarrestan los efectos tóxicos de la luz y el oxígeno enfatiza el hecho de que los mecanismos de reparación tendrían que haber existido desde las etapas tempranas de la evolución de la vida. Además, como la fotosíntesis produce oxígeno, las células tendrían que poseer mecanismos de protección contra el oxígeno antes del advenimiento de la fotosíntesis.

    Las células no sólo deben poseer mecanismos de protección y reparación para evitar los daños producidos por la luz y el oxígeno, también deben estar diseñadas para manejar los efectos perjudiciales del agua. Las moléculas de agua poseen muchas características únicas que apoyan la vida. Sin embargo, a nivel celular y molecular, el agua tiene una fuerza tremendamente destructiva. Puede desbaratar las moléculas mediante un proceso llamado hidrólisis. Durante la hidrólisis, las moléculas de agua fuerzan su entrada a los espacios existentes entre los átomos o entre moléculas que se están dividiendo, evitando así la formación de estructuras moleculares más grandes, como las proteínas. De hecho, para que las células sinteticen las proteínas es necesario eliminar el agua, es decir ocasionar una reacción de deshidratación. ¿Cómo ocurre esta deshidratación en el ambiente acuoso de una célula? El interior de las células es muy espeso debido a la abundancia de moléculas, proteínas y encimas que ayudan a la formación de una proteína. No se ha postulado la existencia de tal ambiente y mecanismos de eliminación de agua o provisión de catalizadores de enzimas durante la síntesis de las proteínas en el diluido ambiente acuoso de la tierra primitiva. De hecho, este problema ha llevado a los investigadores del origen de la vida a concluir que las proteínas y otros polímeros grandes (moléculas con forma de cadena) se construyeron en ambientes secos como el barro o la arena.

    El agua también destruye las células por medio de hinchamiento incontrolado. Esto puede observarse fácilmente en glóbulos rojos puestos en agua: las células se hinchan y revientan rápidamente. La razón es la difusión, un proceso donde el agua busca lugares con bajo contenido de la misma. Como hemos señalado, el interior de la célula típica tiene bajo contenido de agua, comparado con sus alrededores. Por ello, todas las células del planeta enfrentan una continua batalla contra la entrada de agua.

    Las células poseen varios mecanismos para manejar el continuo flujo de agua hacia su interior. Las células de plantas y bacterias, por ejemplo, poseen rígidas paredes que resisten el hinchamiento y rompimiento. Dichas paredes pueden ser bastante elaboradas. En el caso de las bacterias, son estructuras a manera de colchas formadas con mucha precisión por cadenas de proteínas y azúcar. Las células animales no poseen paredes rígidas, pero a cambio bombean sodio constantemente hacia el exterior para contrarrestar el movimiento del agua hacia su interior. La bomba es una fascinante estructura proteínica llamada bomba de sodio y potasio que despide tres iones de sodio a cambio de dos iones de potasio. La membrana celular contiene miles de estas bombas que trabajan incesablemente para conservar el volumen de la célula a pesar de la fuerza apabullante del agua, consumiendo hasta un tercio de la energía de la célula. Sin embargo, la bomba está diseñada para trabajar en un ambiente que contenga sodio y potasio en ciertas concentraciones, por ejemplo, en el cuerpo humano. Saque una de estas células de su ambiente salado y acuoso, póngala en agua y la bomba no podrá evitar que la célula reviente. ¿Cómo sobreviven entonces los organismos unicelulares que viven en agua dulce?

    Organismos unicelulares de estanque como el paramecio utilizan una estructura llamada vacuola retráctil parecida a una bolsa grande que recoge y excreta continuamente el exceso de agua. El agua entra a la vacúola porque el paramecio bombea sales activamente hacia el interior de la vacúola utilizando proteínas similares a la bomba de sodio y potasio. Entonces, parece que el paramecio y otros organismos unicelulares de estanque resisten el hinchamiento y no revientan debido a que poseen bombas proteínicas y vacúolas retráctiles.

    Podríamos argumentar que con tiempo suficiente podría desarrollarse por evolución uno de estos mecanismos de protección, pero la evolución simultánea de varios mecanismos complejos necesarios para proteger a las células de los mismos elementos básicos que necesitan para vivir (es decir, agua, oxígeno y luz), ciertamente complica el problema del origen de la vida. Por otro lado, ¿cómo encaja esta observación en las teorías de la creación y el diseño? La necesidad de que existan simultáneamente varios mecanismos de protección complejos para que la vida pueda tener lugar ciertamente coincide con una creación diseñada, premeditada y construida en poco tiempo. Sin embargo, uno se preguntaría ¿por qué un creador o diseñador utilizaría agentes tóxicos? La toxicidad podría considerarse como un derivado de la reactividad química. La reactividad es necesaria en un mundo donde las cosas están diseñadas para moverse e interactuar. Además, aun los agentes más benignos pueden ser tóxicos en ciertas circunstancias. Lo sabemos por la experiencia diaria. Por ejemplo, muchos alimentos benéficos y necesarios pueden ser dañinos si se ingieren en cantidades excesivas. También sabemos que sustancias químicas potencialmente tóxicas y destructivas pueden aportar tremendos beneficios si se utilizan dentro de ciertos parámetros. Por ejemplo,  el combustible de un motor es una tecnología maravillosa que mejora la vida; sin embargo, colocado en una parte equivocada del motor puede conducir al desastre y la destrucción.

    En conclusión, el agua, el oxígeno y la luz, tres de los requisitos básicos para la vida pueden ser extremadamente tóxicos para los seres vivos. Sin embargo, los organismos poseen complejos mecanismos de protección dentro de cada célula que parecen haber resguardado la vida desde el momento mismo de su aparición en la tierra.