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La física moderna puede explicarlo todo, desde doblar desde la partícula más pequeña hasta el comportamiento de cúmulos enteros de galaxias. Pero no puede explicar la vida. No existe una fórmula que determine la diferencia entre un trozo de materia viva y un trozo de materia muerta. La vida parece «emerger» misteriosamente de componentes no vivos, como las partículas elementales. La teoría del ensamblaje, cuyos principios básicos fueron publicados recientemente en Naturalezaes un enfoque audaz para explicar la vida en la escala más básica. Se basa en dos conceptos clave: complejidad e información (como la que contiene el ADN). La nueva teoría nos permite comprender cómo surgen ambos en los sistemas químicos.
“Emergencia” es una palabra que usan los físicos para explicar algo que es mayor que la suma de sus partes. Por ejemplo, cómo el agua puede percibirse como húmeda mientras que las moléculas de agua individuales no lo son. Por tanto, la humedad es una propiedad emergente. Aunque es una teoría matemáticamente elegante, sólo puede ser fiable si se prueba en el laboratorio. Para que las abstracciones de la hipótesis del ensamblaje estén ancladas en la realidad química, es importante realizar experimentos cuidadosamente planificados como el que estamos realizando mis colegas y yo.
El núcleo de la teoría del ensamblaje es la idea de que los objetos pueden definirse no como entidades inmutables sino por la historia de su creación. Esto nos lleva a los procesos mediante los cuales se construyen configuraciones complejas a partir de bloques de construcción más simples. La teoría propone un “índice de ensamblaje” que cuantifica los pasos mínimos o el camino más corto necesarios para ensamblar un objeto. Esta medida mide el grado de “selección” esencial para producir un conjunto de objetos en relación con la memoria, como por ejemplo: B. ADN: necesario para la creación de seres vivos.
Después de todo, los seres vivos no surgen espontáneamente, como el helio en las estrellas. Necesitas ADN como plantilla para crear nuevas versiones.
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Quince pasos para crear una molécula de vida
Pero ¿cómo podrían verificarse experimentalmente estas construcciones teóricas? Un aspecto central de la nueva teoría ya ha sido probado en nuestro laboratorio. Se trata de determinar el índice de ensamblaje mediante espectrometría de masas, un instrumento analítico que se puede utilizar para medir la relación entre la masa y la carga de las moléculas.
Al fragmentar moléculas y analizar sus espectros de masas, podemos estimar su velocidad de ensamblaje. Esto significa que podemos ver literalmente cuántos pasos se necesitan para que diferentes fragmentos se combinen en una molécula particular. Este índice también se puede medir mediante otras técnicas como la espectroscopia infrarroja y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear.
Como parte de nuestra investigación, pudimos determinar la velocidad de ensamblaje de varias moléculas en el laboratorio y mediante simulaciones por computadora. Nuestro trabajo muestra que las moléculas asociadas con la vida, como las hormonas y los metabolitos (productos de reacciones metabólicas), son en realidad más complejas y requieren más información para ensamblarse que las moléculas no asociadas exclusivamente con la vida, como el dióxido de carbono. Carbón.
De hecho, hemos demostrado que una velocidad de ensamblaje de más de 15 pasos sólo se encuentra en moléculas relacionadas con seres vivos, como sugiere la teoría.
La hipótesis del ensamblaje también ofrece ideas sobre el origen de la vida que pueden comprobarse. Como él plantea, hay un punto en el que las moléculas se vuelven tan complejas que comienzan a utilizar información para hacer copias de sí mismas (de repente necesitan memoria e información), una especie de umbral en el que la vida emerge de la no vida.
En última instancia, los sistemas no biológicos pueden adquirir capacidad selectiva y una memoria mínima (al igual que el Sol formó los planetas acumulando grandes cantidades de masa). Pero la existencia de organismos vivos o la tecnología que crean, desde Lego hasta la ciencia espacial, no es posible sin altos niveles de memoria y elección.
sopa quimica
Planeamos estudiar más a fondo este origen de la vida creando una especie de sopa química en nuestro laboratorio. En tal sopa, con el tiempo podrían surgir moléculas completamente nuevas, ya sea añadiendo diferentes reactivos o por casualidad, a medida que controlamos su velocidad de ensamblaje y el crecimiento del sistema. Ajustando las velocidades y condiciones de reacción, podríamos estudiar este fascinante punto de transición de la no vida a la vida y descubrir si sigue las predicciones de la teoría del ensamblaje.
También desarrollamos “generadores de sopa química” que mezclan sustancias químicas simples con otras complejas. Estos generadores pueden ayudarnos a comprender mejor cómo se puede construir la complejidad con la teoría del ensamblaje y cómo se puede iniciar la selección fuera de la biología.
Esto podría darnos una pista de cómo evolucionó originalmente la vida, comenzando con opciones mínimas y progresando hacia demandas cada vez mayores. ¿Se construyen los objetos de manera predecible en condiciones idénticas? ¿O el azar entra en juego en algún momento? Esto nos ayudaría a comprender si el origen de la vida es determinista y predecible o, por el contrario, más bien caótico.
La teoría del ensamblaje podría aplicarse más allá de las moléculas y estimular estudios de otros sistemas que dependen de combinaciones, como agregados de materiales, polímeros o química artificial. Esto podría conducir a nuevos conocimientos científicos o innovaciones tecnológicas. Podría revelar patrones sutiles mediante los cuales las moléculas poseen ciertas propiedades desproporcionadamente por encima de una tasa mínima de ensamblaje.
También sería posible utilizar la teoría para estudiar la evolución misma. Los investigadores podrían estudiar el papel de los fragmentos celulares en la formación de una célula completa, que a su vez se forma a partir de moléculas más pequeñas que se combinan para formar aminoácidos y nucleótidos. Seguir de esta manera el surgimiento de redes metabólicas y genéticas podría proporcionar pistas sobre las transiciones en la historia evolutiva.
El seguimiento de cómo se ensamblan los objetos requiere un seguimiento experimental preciso, pero puede valer la pena. La teoría del ensamblaje promete una comprensión radicalmente nueva de la materia, con la posibilidad de descubrir principios universales de construcción jerárquica que van más allá de la biología.
Las configuraciones complejas de la materia pueden no ser objetos inmutables, sino puntos de referencia en un proceso de construcción abierto que se propaga en el tiempo. El universo puede obedecer ciertas leyes físicas, pero en última instancia es creativo.
Lee Cronin Es investigador de la Universidad de Glasgow.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación.
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