Context
En els inicis de la vida en el sistema solar, fa 4 x 109 anys, molècules formades en estrelles, en nebuloses irradiades i en planetes, algunes portades per pols i asteroides, acabaren formant part de la Terra inicial. La capacitat del carboni de formar grans molècules d’una extraordinària varietat, amb la combinació amb l’hidrogen, el nitrogen i l’oxigen va permetre la formació dels compostos moleculars dels éssers vius. La formació de les membranes de lípids i fosfolípids va permetre el confinament i concentració suficient de molècules en disposició d’interaccionar per a la formació dels organismes vius. Entre aquests organismes inicials LUCA (Last Universal Common Ancestor), que és considerat un referent per a les hipòtesis sobre l’origen de tota la vida cel·lular fins als éssers humans.
La nova atmosfera terrestre contendria amoníac (NH3), metà (CH4), vapor d’aigua (H2O), diòxid de carboni (CO2) i nitrogen (N), així com petites quantitats d’altres gasos. Una part de l’oxigen formaria òxids amb diferents minerals de la superfície i, sense una capa d’ozó que l’aturés, la radiació ultraviolada podia ser intensa. La vida, o algun component molecular orgànic, podria haver arribat a la Terra de l’espai (panspèrmia) o bé ser d’origen local terrestre fa uns quatre mil milions d’anys (4 x 109), encara que el mecanisme no seria massa diferent en un o altre dels llocs. Es tracta de la formació de molècules orgàniques basades en la capacitat del carboni de formar forts enllaços entre els mateixos àtoms de carboni, sigui en cadenes obertes o tancades, o mitjançant enllaços simples, dobles o triples (figura 9). El carboni dona lloc a multitud de compostos diferents també perquè els seus àtoms poden unir-se amb molts altres elements de mida atòmica similar com el nitrogen, l’oxigen i l’hidrogen.
Figura 9. Enllaços del carboni. El carboni pot formar llargues cadenes dels seus propis àtoms. Aquesta propietat bastant exclusiva s’anomena Catenació que pot ser oberta o tancada, lineal o ramificada. La força de l’enllaç C-C és molt alta i tot plegat permet un nombre molt gran de formes moleculars, relacionades o no amb la matèria viva. Els àtoms de carboni d’una molècula es classifiquen segons el nombre de veïns de carboni que tenen: un carboni primari té un carboni veí i un carboni quaternari té quatre carbonis veïns.
L’alta energia dels volcans, els llampecs, la radioactivitat en els materials i la radiació ultraviolada podrien haver causat o afavorit reaccions químiques que haurien produït molècules complexes a partir dels compostos simples com els esmentats abans, formant una sopa on les diferents molècules podien interaccionar juntament amb les, hipotèticament, arribades per la panspèrmia. La presència de certes molècules amb capacitat catalitzadora podria haver accelerat les reaccions químiques. Probablement, la clau definitiva fora l’aparició d’un mecanisme de reproducció de les molècules més estables o amb més capacitat d’organitzar estructures més adaptables i complexes, amb més capacitat de penetrar en i resistir les pressions de l’entorn. Tot plegat amb una tendència clara a l’increment de complexitat de molècules i estructures, encara que inicialment les reaccions podrien ocórrer d’una forma aleatòria.
En un moment donat, l’aparició de les molècules d’ADN optimitzaria la funció de replicació, mantinguda des d’aleshores per pràcticament totes les formes de vida fins a l’actualitat. Com passa actualment, alguns canvis per error o trencament, diferents mutacions en el procés de replicació produiria unes molècules noves i també estructures més adaptables i altres menys adaptables, essent les primeres les que en replicar-se més ràpidament o millor esdevindrien més nombroses i dominants.
La primera cèl·lula
Molt possiblement, algunes molècules d’àcids nucleics com l’ADN i l’ARN i altres molècules grans i petites en la sopa primigènia, podrien quedar contingudes en unitats individualitzades, cel·les o cèl·lules, envoltades per una coberta de greixos, sobretot de fosfolípids, que no es barregen bé amb l’aigua que, fins al moment, ha permès la mobilitat lliure i interacció de totes les molècules presents. Els fosfolípids formen una monocapa i molt sovint una bicapa molecular de manera espontània quan se’ls posa a l’aigua, en un mitjà aquós i, una barrera com aquesta, individualitzaria les primeres protocèl·lules. Barreges d’aminoàcids i glúcids formarien les proteïnes i glicoproteïnes estabilitzadores de la membrana, canals iònics per facilitar certa permeabilitat i receptors diversos que esdevingueren els nous òrgans dels sentits d’aquestes noves cèl·lules. També els enzims que catalitzen tota mena de reaccions de síntesi i catabolisme.
El valor de les membranes de lípids en l’evolució de la matèria viva ha estat capital (figura 10). Les membranes aïllen compartiments del mitjà aquós garantint un confinament i concentració suficient de molècules implicades en els diferents aspectes de les reaccions de la vida, i entre ells l’anabolisme i catabolisme, la catàlisi, l’acumulació i obtenció d’energia i la multiplicació.
Donada la ubiqüitat i uniformitat de les estructures i mecanismes cel·lulars actuals, és molt probable que només una classe de protocèl·lules se’n sortís i tirés endavant. Podria ser que l’últim (o el primer segons com es miri) avantpassat comú universal en la Terra es desenvolupés fa uns 3.500 milions d’anys (3,5 x 109). Seria el que coneixem com un Procariota, amb membrana cel·lular i ribosomes per a la síntesi de proteïnes, però sense nucli ni altres orgànuls com mitocondris o cloroplasts. Això no obstant, com les cèl·lules modernes, segurament feia servir l’ADN com a codi genètic, l’ARN per a la transmissió d’informació i la síntesi de proteïnes, i també enzims per a catalitzar les reaccions.
LUCA (acrònim en anglès de Last Universal Common Ancestor, l’últim avantpassat comú universal) és considerat operativament, per donar un referent a les hipòtesis de treball sobre aquesta qüestió, l’organisme que va donar origen a tota la vida cel·lular moderna, des de bacteris unicel·lulars fins a organismes complexos com els éssers humans. LUCA va fer la seva aparició uns 400 milions d’anys després de la formació del planeta. La hipòtesi del seu origen es basa en la comparació dels genomes de les espècies vives, comptant les mutacions acumulades al llarg del temps. LUCA tindria un genoma d’almenys 2.5 megabases, codificant al voltant de 2.600 proteïnes, comparable als procariotes moderns. LUCA seria un microorganisme anaeròbic procariota.
Els procariotes són organismes unicel·lulars sense nucli i així, el seu ADN, a diferència de les cèl·lules eucariotes (vegeu el capítol següent), no està confinat. Aquests organismes mai formen teixits diferenciats. En la classificació actual, se separen en dos dels tres grans dominis de la vida: els Bacteris i els Arqueobacteris. Les cèl·lules eucariotes amb nucli són el tercer domini de la vida.
Figura 10. Els fosfolípids varen permetre l’aparició de membranes lipídiques que separen dos compartiments.