Orígenes (entrevista a Hyman Hartman)

En su particular investigación del génesis, los científicos se afanan en encontrar una explicación a algo más que el nada simple surgimiento de la vida a partir del barro primordial. Cómo fue posible el nacimiento de la célula eucariota, de la que estamos compuestos todos los organismos multicelulares, sigue siendo un misterio enormemente atractivo para mentes inquisitivas.

Lo natural en el vacío sería que ni hubiera ni pudiera haber nada, puesto que la nada no engendra, por definición, nada. Lo natural en un universo con química inorgánica es que nada se replique, lo natural en un mundo de replicantes moleculares es que no formen grandes factorías con infinidad de procesos enlazados, que nada tenga autonomía ni persiga objetivos, por muy rudimentarios que fueren, y lo natural en un mundo de células procariotas es que no se evolucione hacia organismos multicelulares cohesivos, coherentes y con funciones distribuidas. Pero nada de ello ha sido natural, a la luz de la historia de la vida. De alguna forma que no podemos entender todavía del todo han evolucionado o han surgido la energía, la vida, la célula, la célula eucariota y los organismos complejos.

La física no tiene, de momento, una respuesta a la explosión que hizo nacer nuestro tiempo y nuestro espacio, ni menos a qué pudo precederla, si es que tiene sentido plantearse dicha cuestión (si no había tiempo ¿antes de qué?). El del origen de la vida es un campo muy activo de estudio desde que disponemos de herramientas de análisis y un marco teórico sólido en biología molecular, pero sigue siendo un campo misterioso. Igual sucede con el origen de los eucariotas. Un científico ruso llamado Konstantin Mereschowsky propuso, a principios del siglo XX (cuando no se disponía aún de las avanzadas herramientas de análisis de la biología molecular) que la primera célula eucariota surgió a partir de la unión simbiótica de otras células. Dicha hipótesis fue revitalizada por la bióloga Lynn Margulis, y análisis moleculares del DNA de la mitocondria (orgánulo celular) confirmaron su origen bacteriano.

Hyman Hartman, Profesor del MIT, es una de las mayores autoridades mundiales en el estudio de los orígenes de la vida y del Dominio Eukarya. Junto con Alexei Fedorov propuso una hipótesis bastante probable sobre el surgimiento de la célula eucariota. Esta se habría formado a partir de la unión de al menos tres tipos de célula procariota: una arquea, una bacteria y un tercer tipo, al que denomina Cronocito, que habría dispuesto, entre otras cosas, una estructura citoesquelética que permitiría engullir las otras dos células. Hartman y Fedorov compararon los ADNs de arqueas, bacterias y eucariotas, y llegaron a la conclusión, avalada por el número 347, de que había un tercer miembro en la primera endosimbiosis celular. 347 es el número de proteínas que Hartman y Fedorov consideran genuinamente eucarióticas, esto es, que no se encuentran ni en bacterias ni en arqueas. Los genes que las hacían posibles residieron probablemente en alguna célula del caldo celular primitivo, el Cronocito.

El Profesor Hartman ha tenido la cortesía de respondernos de forma bastante extensa y profunda a algunas preguntas sobre los orígenes. Debo agradecer una vez más a Marzo su esmerado trabajo de traducción.

En inglés:

1-What hypothesis do you have about the origin of life?

Origin of Life is solved by Clay replication and Evolution

The Origin of Life is an historical question and not an experimental question. In any historical reconstruction one must have documents.

The Documents

Since Darwin and even more important since Mendel, we have a theory for evolution and that is--- the amplification of unique events (mutation) by survival and replication. The modern theory of evolution by natural selection depends on the important idea of Darwinian Fitness- (survival of the fittest times the number of progeny). There however there must be a memory system, which stores the favorable mutations. (I.e. DNA or RNA or Clay)

Today we have the central dogma DNA → RNA → Protein

We now have available to us the memories stored in the DNA of extant organisms (e.g. Human Genome) and we are beginning to decipher their histories.

The last common ancestor

The DNA genomes of many organisms have been sequenced and we can now begin to read them. We compare the proteins and RNAs of close relatives and gradually expand these comparisons and are able to reconstruct their common ancestor. Ultimately we can reconstruct the last common ancestor of all living organisms and then begin to try to reconstruct how it originated. The surprise is that the last common ancestor found by these means is a complicated organism. That is because we have started with the central Dogma and not what was the dogma that preceded the central dogma.

The first simplification - RNA could have been the original memory system as it can replicate like DNA .The only organisms that have RNA as their memory storage molecules are RNA viruses found predominantly in the eukaryotes.

New Central Dogma

The RNA Protein world

RNA → Protein

This world was where the Genetic code was perfected.

Then it was found experimentally that some RNAs are also catalysts which speeded up certain chemical reactions and these RNAs were called ribozymes (Protein catalysts are called enzymes). Then it was postulated that RNA could not only replicate but it could catalyze chemical reactions just as enzymes would.

New New Central Dogma

Before DNA there was RNA and these RNAs could also catalyze reactions like protein enzymes.

Therefore RNA-> RNA

We are now in the RNA world

RNA World

The problem with the RNA World is that you have to produce the monomers the nucleotides AGCU and that is not easy and one must now appeal to the soup hypothesis

Soup Hypothesis

In 1953 Stanley Miller shocked an atmosphere of methane, ammonia and hydrogen which produced cyanide and formaldehyde and other aldehydes in the atmosphere and which in the presence of liquid water gave rise to amino acids.

This gave rise to the idea that the early earth had such a reducing atmosphere and that the oceans would become a dilute soup of organic molecules which on clay surfaces could polymerize into polymers such as polypeptides etc,

Therefore in the question as to which came first the chicken or the egg. It was neither it was the chicken soup,

No Soup Hypothesis

The Early Earth atmosphere

When we sent space probes to Mars and Venus our sister terrestrial planets, we found that their atmospheres were dominated by Carbon Dioxide and Nitrogen and found no evidence for Organic Molecules in the soils of Mars or on the surface of Venus. This meant that the best guess as to the primordial atmospheres of Venus and Mars was Carbon Dioxide and Nitrogen. Then came the analyses of the oldest rocks on earth, which showed that there was no evidence for an early atmosphere of Methane, Ammonia and Hydrogen. It showed rather that a primitive atmosphere of Carbon Dioxide and Nitrogen was compatible with the rock record of the ancient earth.

Sparking an atmosphere of Carbon Dioxide and Nitrogen does not form cyanide and aldehydes and therefore no organic molecules were formed in such an atmosphere and therefore no soup and therefore no RNA world.

Photochemistry to the rescue

It turns out that the solution to how to get reduced organic molecules from an atmosphere of CO2 and N2 is found in the iron in the surface of the ancient planet. It was the ferrous ions in the rocks, soils and oceans of the ancient earth, which provided the electrons, and in the presence of sunlight reduced the carbon dioxide and the nitrogen to organic acids, amino acids, sugars, fatty acids and nucleotides. Do we have a record of how one goes from carbon dioxide and nitrogen to organic acids, amino acids, sugars, fatty acids and nucleotides- the answer is yes. This is how photosynthesis operates today- it takes CO2 and N2 and converts them into amino acids etc. The biosynthetic pathways by which this occurs today are the memory of how this was originally accomplished on the primitive earth.

Sam Granick, a profound student of Photosynthesis, coined the phrase

Biosynthesis recapitulates Biopoesis.

Biosynthesis is a complex network of catalyzed chemical reactions and therefore such a network did not come into existence all at once. What is needed is an evolving system that can begin simple and evolve to more complex forms and this requires memory, What is therefore needed is a system which can evolve by mutation and natural selection.

The Clay Hypothesis

Aperiodic Crystals

It was first postulated by Schrodinger that an informational system that could evolve by mutation and selection would require an aperiodic crystal. On the one hand it had to have an ability to store information (aperiodicity) and on the other hand it should be easy to replicate by surface crystallization.

DNA and RNA realize these requirements. The information is stored in the sequence of nucleotides of the nucleic acids and at the same time they are able by means of Watson-Crick base-pairing to replicate one strand of RNA or DNA, for example, by means of template catalyzed polymerization into complementary RNA or DNA strands. DNA and RNA are one-dimensional aperiodic crystals.

Clays are two-dimensional aperiodic crystals. They are like a two-dimensional Chinese checkerboard. Let us suppose that there are white and black checkers fill every square in a very large hexagonal checkerboard. The number of possible distributions of black and white marbles is very large, the black and white marbles in our model are the aluminum and silicate ions found in the oxygen and hydroxide cages of the surface layer of the clay particle. Clays are extremely good catalysts and can catalyze many important Clay-Organic reactions. The most recent reaction is the ability to polymerize activated nucleotides into polynucleotides. (Ferris)

The major new idea is that like DNA the clays would replicate i.e. the distribution of Black and white marbles would appear in complementary fashion in the daughter clay particle. The pattern of black and white marbles would be the source of the catalytic properties of the clay surfaces. Those clays that were able to catalyze the synthesis of amino acids and eventually nucleotides would survive and replicate better that those clays that could not.

The new new new dogma

Clays →Clays Clay world

Clays →RNA → protein

RNA → Protein

DNA → RNA → Protein

2. -How the eukaryotic cell came to be?

There are three Cellular Domains: 1) Archaea 2) Bacteria and 3) Eukarya. Carl Woese was the first to separate the Archaea from the Bacteria by studying the nucleotide sequences of the RNA from the small ribosomal subunit. The separation between the Bacteria and the Eukarya and Bacteria has been based on the membrane bound organelle the nucleus.

The Archaea and Bacteria are small on average - one micron in diameter (micron = one millionth of a meter) and the eukaryotic cell on average -10 microns in diameter which means that it is a 1000 times larger in volume. It is possible to fit either an Archaea or a Bacterium inside a Eukaryotic cell. The mechanism by which a bacterium gets into a eukaryotic cell is called phagocytosis. If the bacterium takes up residence in the eukaryotic cell then we call that event endosymbiosis.

The Eukaryotic cell is a chimera. It has two organelles mitochondria (in animals and plants) and chloroplasts (plants), both of which came from Bacteria as they were engulfed and adopted by a eukaryotic cell. These organelles are emdosymbionts. There is a double membrane around these organelles – one coming from the bacterium and the other coming from the host cell. Both organelles have a chromosome containing DNA, which came from the bacterium.
The first problem to be solved in the origin of the eukaryotic cell is -Where did the nucleus come from? It is an organelle with a double membrane with pores and with DNA found bound with histones and other proteins to form what is called chromatin. There are certain Archaea, which have histones and therefore are candidates for being emdosymbionts and thus the nucleus like the chloroplast and the mitochondrion is an endosymbiont, the major difference is that it is an Archaeal endosymbiont.

The answer to the question as to the origin of the nucleus is-The Nucleus is an Archaeal Endosymbiont.

The remaining question then is what was the host cell in which the nucleus became an endosymbiont.

Host Cell

The proteome of a cell is the full catalogue of proteins found in that cell. For example E.coli has four thousand different proteins and an average Archaean has two thousand different kinds of proteins and humans have about twenty thousand different proteins.

If one compares the proteome of the Archaea, Bacteria and Eukarya, one can ask the question –What proteins are found in the Eukarya and not in the Archaea or in the Bacteria. The answer to that question points to a cell, which had an internal cytoskeleton and control proteins capable of phagocytosis. There are proteins involved with RNA rather than DNA. This implies that RNA dominated the memory of the host cell. (Hartman and Fedorov)

The Chronocyte Hypothesis

The evolution of the eukaryotic cell went as follows –the most ancient cell had a cytoskeleton and was dominated by RNA for its memory storage. Furthermore its metabolism was dominated by fermentation and perhaps a primitive photosynthesis.

A subset of these cells evolved efficient membrane based on a membrane bound photosynthesis based on ATP and subsequently went from RNA to DNA as its memory storage.

Then began a series of endosymbiotic events which began with an Archaean endosymbiosis and which resulted in the Nucleus- then a purple photosynthetic Bacterium was engulfed which evolved into a mitochondrion and finally in plants –a cyanobacterium was engulfed which resulted in a chloroplast.

What happened to the RNAs of the Host Cell, they were reverse-transcribed into the DNA of the Nucleus. The Host Cell is given the name the CHRONOCYTE because like the Greek god Chronos it swallowed its DNA progeny the Bacteria and the Archaea.

The ABC hypothesis

Eukaryotic Cell = Archaea + Bacteria + Chronocyte

3. -How much order and how much chaos is in a cell?

At the local level of a single enzyme it might be noisy but globally as a result of many interacting proteins the cell is globally stable- an example is bacterial chemotaxis.

Chemotaxis is a study of how a bacterium swims up a gradient of an attractant molecule found in its environment. The gradient across the diameter of a bacterial cell is not detectable (too noisy). What the bacterial cell does is to sample the noisy data and by a form of memory detects the gradient in time. The detector is not simply a single receptor in the cell’s membrane but a set of interacting receptors, which cooperatively are capable of great sensitivity. The theoretical methods of studying this set of interacting receptors is very similar to studying systems in condensed matter physics (i.e. the ising model of magnetism). Since about 30 percent of the proteins are found in the membrane of a bacterial cell and they interact with each other strongly. I would propose that the Membrane because of these non-linear interactions should be spelt Mem-Brain. It is at the membrane where the bacterial cell makes its decisions to swim or to twiddle based on its external environment and intracellular conditions. Thus what is noisy locally at single receptor is determined globally by interaction and memory. Work by D. Bray and Duke.

The global integration of the cell is in its infancy and so is the synthesis between condensed matter physics and the prokaryotic and eukaryotic cell.

4. -What mechanisms explain the production and evolution of living species from your point of view?

There are four mechanisms; 1) Geographic isolation which may take a long time 2) Speciation by infection which is caused by the infection of a sub-population by a bacterium (e.g. Wolbachia) or a virus (this would be rapid) 3) by sexual selection where there is a rapid change in a subpopulation in the choice of mates 4) ecological isolation where a sub-population invades a new ecological niche.

5. -about the viruses, are they living beings? what role do you think they have played in the history of life?

Yes Viruses are living beings as they mutate, replicate and are subjected to Darwinian Natural Selection.

In the Oceans today there are many more bacterial viruses than bacteria. The metagenomics of these viruses show that they have many bacterial genes, Bacterial viruses, or phages as they are called, are the result of system of infection for recombination used by the Bacteria. The evolution of bacteriaphages began with transformation of Bacteria by naked DNA, which evolved into the more efficient mechanism of plasmids, which are transmitted by contact between donor and recipient bacteria. The next step was the evolution of the plasmid into, for example, the lysogenic phages such as the E.coli phage lambda. The price to be paid for this system of recombination is the eventual evolution of lytic bacteriaphages such as, for example, T4.

In the eukaryotic cells the recombinational system is mediated by sex and that is why there are so few eukaryotic DNA viruses. The dominant viruses in the eukaryotic domain are RNA viruses. They must have evolved in an ancient RNA based cell the Chronocyte. Perhaps there was recombinational system in the Chronocyte that was mediated by RNA viruse

6.- What are you working on now? What is your most intellectual challenge? What is the mistery that you would dream to uncover?

I am now working on the evolution of the translational apparatus of the cell especially the evolution of the ribosome. This is related to my previous work and the origin and evolution of the Genetic code. (Look up on Pubmed my recent papers on the evolution of the ribosome and my older papers on the evolution of the genetic code).

The greatest intellectual challenge is to convince my fellow scientists that before there was RNA there was clay. (Look up papers of mine on the origin and evolution metabolism and the genetic code) There is a book which I edited with Cairns-Smith on Clay Minerals and the Origin of Life.

The mystery I dream about is: Why did biological evolution turn into cultural evolution? What happened about 40-50,000 years ago, which led to us? Why did they start painting in caves and burying their dead and perhaps using language?

En castellano:

1) ¿Qué hipótesis tiene usted sobre el origen de la vida?

La solución al origen de la vida es la replicación de la arcilla y la evolución

La del origen de la vida es una cuestión histórica y no experimental. En toda reconstrucción histórica son necesarios documentos.

Los documentos

Desde Darwin y, aún más importante, desde Mendel tenemos una teoría de la evolución: la amplificación de eventos singulares (mutación) por supervivencia y replicación. La moderna teoría de la evolución por selección natural depende de la importante idea de la aptitud darwiniana (supervivencia de los más aptos multiplicada por el número de la progenie). Sin embargo debe haber un sistema de memoria, que almacene las mutaciones favorables. (Esto es, ADN o ARN o arcilla).

Hoy tenemos el dogma central ADN→ ARN→ Proteína.

Tenemos ahora disponibles las memorias almacenadas en el ADN de organismos actuales (v.g. el genoma humano) y estamos empezando a descifrar sus historias.

El último antecesor común

Se han secuenciado los genomas de ADN de muchos organismos y ahora podemos empezar a leerlos. Comparamos las proteínas y ADN de parientes próximos y expandiendo gradualmente estas comparaciones podemos reconstruir su antecesor común. En definitiva, podemos reconstruir el último antecesor común de todos los organismos vivientes y entonces empezar a intentar reconstruir cómo se originó. La sorpresa es que el último antecesor común hallado por estos medios es un organismo complicado. Esto es porque hemos empezado con el dogma central y no con cuál fue el dogma que precedió al dogma central.

La primera simplificación: el ARN pudo haber sido el sistema de memoria original, ya que puede replicarse como el ADN. Los únicos organismos que tienen ARN como sus moléculas de almacenamiento de memoria son virus de ARN que se encuentran predominantemente en eucariotas.

Nuevo dogma central

El mundo de ARN y Proteínas

ARN → Proteína

En este mundo es donde se perfeccionó el código genético.

Entonces se halló experimentalmente que algunos ARN son también catalizadores que aceleran ciertas reacciones químicas, y a estos ARN se les llamó ribozimas (los catalizadores proteínicos se llaman enzimas). Entonces se postuló que el ARN no sólo podía replicarse, sino que podía catalizar reacciones químicas igual que harían los enzimas.

Nuevo nuevo dogma central

Antes del ADN hubo ARN, y estos ARN podían también catalizar reacciones como los enzimas proteínicos.

Por tanto, ARN→ ARN.

Estamos ahora en el mundo de ARN.

El mundo de ARN

El problema con el mundo de ARN es que hay que producir los monómeros de los nucleótidos A, G, C, U, y eso no es fácil, y hay que apelar a la hipótesis de la sopa.

La hipótesis de la sopa

En 1953 Stanley Miller electrocutó una atmósfera de metano, amoníaco e hidrógeno, lo que produjo en la atmósfera cianuro y formaldehído y otros aldehídos, que en presencia de agua dieron origen a aminoácidos.

Esto dio origen a la idea de que la Tierra primitiva tenía una tal atmósfera reductora y que los oceános se habrían convertido en una sopa diluída de moléculas orgánicas que sobre superficies de arcilla podrían polimerizar en polipéptidos, etc.

Por tanto, respecto a la pregunta de qué fue primero, si el huevo o la gallina: ninguno, fue el caldo de gallina.

La hipótesis sin sopa

La atmósfera de la Tierra primitiva

Cuando enviamos sondas espaciales a Marte y Venus, nuestros planetas terrestres hermanos, encontramos que sus atmósferas están dominadas por el dióxido de carbono y el nitrógeno, y no hallamos evidencia de moléculas orgánicas en los suelos de Marte o sobre la superficie de Venus. Esto significaba que la mejor suposición sobre las atmósferas primordiales de Venus y Marte era dióxido de carbono y nitrógeno. Entonces vinieron los análisis de las rocas más antiguas de la Tierra, que mostraron que no había evidencia de una atmósfera primitiva de metano, amoníaco e hidrógeno. Mostraron más bien que una atmósfera primitiva de dióxido de carbono y nitrógeno era compatible con el registro geológico de la Tierra antigua.

En una atmósfera de dióxido de carbono y nitrógeno las chispas no forman cianuro y aldehídos, por tanto no se formaron moléculas orgánicas en una tal atmósfera, por tanto no hubo sopa y por tanto no hubo mundo de ARN.

La fotoquímica al rescate

Resulta que la solución a cómo conseguir moléculas orgánicas reducidas a partir de una atmósfera de CO2 y N2 se encuentra en el hierro de la superficie del antiguo planeta. Fueron los iones ferrosos de las rocas, suelos y océanos de la antigua Tierra los que proveyeron los electrones y, en presencia de la luz solar, redujeron el dióxido de carbono y el nitrógeno a ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos. ¿Tenemos un registro de cómo se llega de dióxido de carbono y nitrógeno a ácidos orgánicos, aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y nucleótidos? La respuesta es sí. Así es como opera hoy la fotosíntesis: toma CO2 y N2 y los convierte en aminoácidos, etc. Las vías biosintéticas por las cuales esto ocurre hoy son la memoria de cómo se logró originalmente en la Tierra primitiva.

Sam Granick, un profundo estudioso de la fotosíntesis, acuñó la frase:

la biosíntesis recapitula la biopoyesis.

La biosíntesis es una compleja red de reacciones químicas catalizadas, y por tanto tal red no llegó a existir de una sola vez. Lo que hace falta es un sistema en evolución, que pueda empezar simple y evolucionar a formas más complejas, y esto requiere memoria. Lo que hace falta, por tanto, es un sistema que pueda evolucionar por mutación y selección natural.

La hipótesis de la arcilla

Cristales aperiódicos

Fue Schrödinger quien postuló por vez primera que un sistema informacional que pudiese evolucionar por mutación y selección requeriría un cristal aperiódico. Por una parte debía ser capaz de almacenar información (aperiodicidad); y por otra, debía ser fácil de replicar por cristalización superficial.

El ADN y el ARN cumplen estos requisitos. La información se almacena en la secuencia de nucleótidos de los ácidos nucléicos, que a la vez son capaces, por medio del apareamiento de bases descubierto por Watson y Crick, de replicar una hebra de ARN o ADN, por ejemplo, mediante polimerización catalizada por plantilla, en hebras complementarias de ARN o ADN. El ADN y el ARN son cristales unidimensionales aperiódicos.

Las arcillas son cristales aperiódicos bidimensionales. Son como un tablero bidimensional de damas chinas. Supongamos que hay fichas blancas y negras que llenan cada casilla en un tablero hexagonal muy grande. El número de posibles distribuciones de fichas blancas y negras es muy grande; las fichas blancas y negras en nuestro modelo son los iones de aluminio y silicato de las jaulas de oxígeno e hidróxido de la capa superficial de la partícula de arcilla. Las arcillas son catalizadores muy buenos, y pueden catalizar muchas importantes reacciones orgánicas. La reacción más reciente es la capacidad de polimerizar nucleótidos activados para formar polinucleótidos (Ferris).

La principal idea nueva es que, como el ADN, las arcillas se replicarían; esto es, la distribución de fichas blancas y negras aparecería, en forma complementaria, en la partícula de arcilla hija. El patrón de fichas blancas y negras sería la fuente de las propiedades catalíticas de las superficies de la arcilla. Las arcillas capaces de catalizar la síntesis de aminoácidos y después nuceótidos sobrevivirían y se replicarían mejor que las que no pudiesen.

El nuevo nuevo nuevo dogma

Arcilla → arcilla Mundo de arcilla

Arcilla → ARN → proteína

ARN → proteína

ADN → ARN → proteína

2) ¿Cómo surgió la célula eucariota?

Hay tres dominios celulares: 1) Archaea, 2) Bacteria y 3) Eukarya. Carl Woese fue el primero en separar las arqueas de las bacterias estudiando las secuencias de nucleótidos del ARN de la subunidad ribosómica pequeña. La separación entre las bacterias y los eucariotas se ha basado en el núcleo como orgánulo limitado por una membrana.

Arqueas y bacterias son como media pequeñas, una micra de diámetro (micra = una millonésima de metro), y las células eucariotas como media tienen diez micras de diámetro, lo que significa que son unas mil veces mayores en volumen. Se puede meter una arquea o una bacteria en una célula eucariota. El mecanismo mediante el cual una bacteria entra en una célula eucariota se llama fagocitosis. Si la bacteria se queda a vivir en la célula eucariota llamamos al suceso endosimbiosis.

La célula eucariótica es una quimera. Tiene dos orgánulos —mitocondrias (en animales y plantas) y cloroplastos (plantas)— que proceden de bacterias que fueron tragadas y adoptadas por una célula eucariota. Estos orgánulos son endosimbiontes. Están rodeados por una doble membrana: una membrana que procede de la bacteria y otra de la célula hospedadora. Ambos orgánulos tienen un cromosoma que contiene ADN, que procede de la bacteria.

El primer problema a resolver sobre el origen de la célula eucariota es: ¿de dónde vino el núcleo? Es un orgánulo con una doble membrana con poros, y con ADN unido a histonas y otras proteínas para formar lo que se llama cromatina. Hay ciertas arqueas que tienen histonas, y por tanto son candidatos para ser endosimbiontes, y por tanto el núcleo es un endosimbionte como el cloroplasto y la mitocondria; la principal diferencia es que es un endosimbionte arqueano.

La respuesta a la pregunta sobre el origen del núcleo es: el núcleo es un endosimbionte arqueano.
La pregunta que queda es qué era la célula hospedadora en la cual el núcleo se convirtió en endosimbionte.

La célula hospedadora

El proteoma de una célula es el catálogo completo de las proteínas de esa célula. Por ejemplo E. coli tiene cuatro mil proteínas diferentes, una arquea promedio tiene dos mil clases diferentes de proteínas, y los humanos tenemos unas veinte mil proteínas distintas.

Si se compara el proteoma de arqueas, bacterias y eucariotas se puede formular la pregunta: ¿qué proteínas se encuentran en eucariotas pero no en arqueas ni bacterias? La respuesta apunta a una célula que tenía un citoesqueleto interno y proteínas de control capaces de fagocitosis. Hay proteínas relacionadas con el ARN más bien que con el ADN. Esto implica que el ARN dominaba en la memoria de la célula hospedadora (Hartman y Fedorov).

La hipótesis del cronocito

La evolución de la célula eucariota fue como sigue: la célula más antigua tenía citoesqueleto y usaba predominantemente ARN para almacenamiento de memoria. Además su metabolismo estaba dominado por la fermentación y quizá una fotosíntesis primitiva.

Un subconjunto de estas células adquirió por evolución una fotosíntesis eficiente ligada a membranas y basada en ATP, y después pasó de ARN a ADN para el almacenamiento de memoria.

Entonces empezó una serie de sucesos endosimbióticos: primero la endosimbiosis con una arquea que resultó en el núcleo; luego se tragó una bacteria fotosintética púrpura que evolucionó hasta la mitocondria; y, finalmente, en las plantas, fue tragada una cianobacteria que resultó en un cloroplasto.

¿Qué ocurrió con los ARN de la célula hospedadora? Fueron transcritos a ADN del núcleo. Se da a la célula hospedadora el nombre de cronocito porque, como el dios griego Cronos, devoró a su progenie de ADN, las bacterias y la arquea.

La hipótesis ABC

Célula eucariótica = Arquea + Bacteria + Cronocito.

3) ¿Cuánto orden y cuanto caos hay en una célula?

En el nivel local de un enzima puede haber ruido, pero en conjunto, como resultado de múltiples interacciones entre proteínas, la célula es estable; un ejemplo es la quimiotaxis bacteriana.
En la quimiotaxis una bacteria nada contra un gradiente de concentración de una molécula en su entorno. El gradiente no es detectable a la escala del diámetro de una célula bacteriana (hay demasiado ruido). Lo que hace la célula bacteriana es muestrear los datos ruidosos y, mediante una forma de memoria, detectar el gradiente a lo largo del tiempo. El detector no es un solo detector en la membrana de la célula sino un conjunto de receptores que interactúan, y que en cooperación son capaces de alcanzar gran sensibilidad. Los métodos teóricos para estudiar este conjunto de receptores que interactúan son muy similares a los de estudio de sistemas en física de la materia condensada (por ejemplo el modelo de Ising del magnetismo). Ya que cerca del 30% de las proteínas se encuentran en la membrana de la célula bacteriana e interactúan fuertemente entre sí, yo propondría que, a causa de estas interacciones no lineales, "membrane" debería escribirse "Mem-Brain" [brain = cerebro]. Es en la membrana donde la célula bacteriana toma sus decisiones de nadar o girar según su ambiente externo y condiciones intracelulares. Así, lo que es ruidoso localmente en un solo receptor esta determinado globalmente por interacción y memoria. Trabajo de D. Bray y Duke.

La integración global de la célula está en su infancia, así como la síntesis entre la física de la materia condensada y la célula procariota y eucariota.

4) ¿Qué mecanismos explican, desde su punto de vista, la producción y evolución de especies vivientes?

Hay cuatro mecanismos. 1) Aislamiento geográfico, que puede tardar largo tiempo. 2) Especiación por infección, cuya causa es la infección de una subpoblación por una bacteria (vg. Wolbachia) o un virus; esta sería rápida. 3) Por selección sexual, donde hay en una subpoblación un cambio rápido en la selección de parejas. 4) Aislamiento ecológico, donde una subpoblación invade un nuevo nicho ecológico.

5) Acerca de los virus: ¿son seres vivos? ¿Qué papel piensa usted que han desempeñado en la historia de la vida?

Sí, los virus son seres vivos ya que mutan, se replican y están sujetos a la selección natural darwiniana.

En los océanos hay hoy muchos más virus de bacterias que bacterias. La metagenómica de estos virus muestra que tienen muchos genes bacterianos. Los virus de bacterias, o fagos como se los llama, son resultado del sistema de infección para la recombinación que usan las bacterias. La evolución de los bacteriófagos empezó con la transformación de bacterias por ADN desnudo, que evolucionó al mecanismo más eficiente de los plásmidos, que se transmiten por contacto entre la bacteria donante y la receptora. El siguiente paso fue la evolución del plásmido hasta, por ejemplo, los fagos lisogénicos como el fago lambda de E. coli. El precio que hubo que pagar por este sistema de recombinación fue que acabaron evolucionando bacteriófagos líticos como, por ejemplo, el T4.

En las células eucarióticas el sistema de recombinación está mediado por el sexo, y por eso es por lo que hay tan pocos virus eucariotas de ADN. Los virus dominantes en el dominio eucariota son virus de ARN. Deben de haber evolucionado en una antigua célula basada en ARN, el cronocito. Tal vez había en el cronocito un sistema de recombinación mediado por virus de ARN.

6) ¿En qué está usted trabajando ahora? ¿Cuál es su máximo desafio intelectual? ¿Que misterio desearía desvelar?

Estoy ahora trabajando en la evolución del aparato de traducción de la célula, especialmente la evolución del ribosoma. Esto está relacionado con mi trabajo anterior y el origen y evolución del código genético. (Busque en PubMed mis trabajos recientes sobre la evolución del ribosoma y los más antiguos sobre la evolución del código genético).

El mayor reto intelectual es convencer a mis colegas de que antes de haber ARN hubo arcilla. (Busque mis trabajos sobre el origen y la evolución del metabolismo y el código genético). Hay un libro que edité con Cairns-Smith, Clay Minerals and the Origin of Life.

El misterio con el que sueño es: ¿por qué la evolución biológica se transformó en evolución cultural? ¿Qué ocurrió, hace 40.000 o 50.000 años, que condujo a nosotros? ¿Por qué empezaron a pintar en cuevas y enterrar a sus muertos y quizá a usar el lenguaje?