La vida en la Tierra
Licenciatura en Ciencias de la Tierra
Facultad de Ciencias, UNAM
Definición de vida
• Why Is the Definition of Life So Elusive?
Epistemological Considerations. Serhiy A. Tsokolov. Astrobiology, Volume 9, Number 4, 2009.
• A pesar de la necesidad obvia de una definición de
vida, no hay una definición que sirva tanto un principio metodológico que unifique la investigación en
astrobiología y como fundamento teórico fundamental para educar a una nueva generación de científicos. • Cada teoría, hipótesis o punto de vista adopta
definiciones de la vida en concordancia con premisas e intereses científicos específicos.
Definición de vida
• Una definición “ideal” requiere especificar las
condiciones necesarias y suficientes para la
aplicación del término que es definido.
• Las definiciones se pueden clasificar en tres
grupos:
– La vida es definida en términos que no están
definidos
– Una combinación de descripciones
– Un paso específico en una evolución gradual de
un sistema químico complejo a un sistema
viviente primitivo que es definido arbitrariamente
como “vida mínima”.
Definiciónes con términos no
definidos
• Los organismos vivos se distinguen por su complejidad específica (Orgel, 1973)
• La vida es un proceso que organiza la materia a niveles más altos de complejidad y mantiene esa complejidad (Anbar 2002)
• La vida se define como un un sistema material que puede adquirir, guardar, procesar y usar información para organizar sus actividades (Dyson, 1999).
• La vida es una propiedad esperada colectivamente
auto-organizada de polímeros catalíticos (Kauffman
1993).
• La vida es un sistema químico autosustentado capaz de realizar evolución Darwinana (Joyce, 1994).
Definiciónes con términos no
definidos
• Pseudo-definiciones
– Vida es aquello que es común a todos los
seres vivos (De Duve, 2002).
– Vida es una forma de capturar y usar energía
y materiales (Starr and Taggart 1992)
– Las cosas vivas son agregados peculiares de
materia ordinaria y de fuerza ordinaria
Definiciones con términos no
definidos
• Trampas intuitivas
– Son definiciones que incluyen términos que
intuitivamente son entendibles a partir de su
uso diario, como si su significado fuera claro y
sin ambigüedades.
– Orden, organización, complejidad,
información
Definiciones de vida
• Los sistemas vivientes son aquellos sistemas que pueden mantener e incrementar el grado ordenamiento en un ambiente menos
ordenado (Libbert, 1982).
• Hay orden y organización en los entornos naturales, las comunidades vivientes que ocupan cada entorno y en los organismos individuales mismos (Beck et al. 1991).
• Los organismos vivientes están caracterizados por el orden morfológico y funcional (Babloyanz, 1986)
• A través del mundo viviente el caos es transformado en orden (Capra 1997).
• Schrödinger (1994): La vida parece ser un comportamiento
ordenado y reglamentado de la materia, no basado exclusivamente en su tendencia de ir del desorden al orden, sino basado
parcialmente en un orden existente que es mantenido. Un
organismo se mantiene estacionario por sí mismo a un alto nivel de ordenamiento.
Orden
• Coloquialmente: un arreglo particular en contraste con un arreglo aleatorio.
• En este caso el orden depende de las suposiciones del observador
Orden
Definición de Boltzmann: Probabilidad de un microestado
8 moléculas (suponiendo que cada una
Termodinámica
• Todos los procesos espontáneos que ocurren
en un sistema cerrado tienden a proceder hacia
el incremento de la entropía del sistema
• La entropía mide la cantidad de energía de un
sistema que no puede usarse para producir
trabajo.
• La entropía está relacionada con la mayor
probabilidad de un estado
• El orden está relacionado con la menor
probabilidad de un estado
Probabilidad de que las moléculas se mezclen (Pm) contra la probabilidad de que permanezcan separadas (Ps)
Pm incrementa durante el mezclado al
igual que la entropía, Ps no cambia porque la temperatura permanece constante.
Probabilidad de un estado aleatorio (PT) contra la probabilidad de un arreglo
ordenado (PO), el cual depende de su grado de movimiento que está
relacionado con la temperatura del sistema.
PT decrece con el descenso de la temperatura, mientras que PO se mantiene igual o aumenta.
Segunda ley de la termodinámica: Todos los procesos espontáneos que ocurren en un sistema cerrado
tienden a aumentar la entropía del sistema, lo que está relacionado con un decrecimiento del orden
Tercera ley de la termodinámica: La entropía de un cristal ideal a cero grados Kelvin es definida como cero y el orden de un cristal ideal es
máximo
El “orden” en cada uno de estos estados proviene de una percepción, es una trampa intuitiva.
No hay una definición de orden, pero se utiliza como si supiéramos de que estamos hablando.
La probabilidad de un estado determinado es utilizado para medir la entropía y el orden, no para definirlo.
Orden
• Debemos distinguir dos clases de “orden”, uno que caracteriza los procesos de la vida y un segundo que está relacionado con la estructura de un cristal y la dinámica.
• Los cristales están ordenados en términos de su
estructura regular pero absolutamente desordenados en términos de la distribución termodinámica de sus
elementos.
• Para que los cristales sean comparables con los
organismos vivos deberían estar en solución. Además tendrían que existir en un estado lejos del equilibrio en términos de su potencial químico o distribución dentro de la rejilla cristalina. Lo que está en contra de las
características del estado cristalino.
Orden
• El concepto de “orden” cuando se aplica
a la vida se refiere a estados
termodinámicos heterogéneos.
• El concepto coloquial de “orden” está
asociado con la regularidad o secuencias
periódicas de elementos.
• Complejidad es otro término cuya
definición no es clara cuando se usa
asociada con la vida
Confusiones contextuales
• Surge cuando un término usado en un contextocientífico es usado para caracterizar la “realidad” en otro contexto científico.
• Ejemplos:
– La vida es una estructura jerárquica de unidades funcionales
que ha adquirido a través de la evolución la habilidad de guardar y procesar la información necesaria para su propia reproducción (Gatlin 1972).
– La vida está hecha de tres elementos básicos: materia, energía e información (Fong 1973).
– La vida puede ser descrita como un flujo de energía, materia e información (Baltscheffsky 1997).
– La vida se define como un sistema material que puede adquirir, guardar, procesar y usar información para organizar sus
Información
• En la teoría de comunicación (Hartley, Shannon
y Weaver) el término “información” implica una
secuencia arreglada de elementos.
• Aunque la secuencia puede ser decodificada en
una señal con significado, el arreglo en sí
mismo carece de significado.
• Información no debe ser confundida con
significado.
Información
• En ciencias cognitivas la palabra
información es identificada con
conocimiento en general y en casos
particulares con información sensorial,
cognición y memoria.
• Este uso siempre implica información
acerca de algo y siempre implica
Información
• El término también es usado como una metáfora. • Por ejemplo para hablar de un conjunto de datos o
Información
• En biología se utiliza el término bioinformación, que es interpretado de varias formas.
• Algunas interpretaciones más reducidas de la
información es la llamada información genética (con sus términos relacionados que incluyen al código genético, el programa genético, el plano del DNA).
• Interpretaciones más amplias ponen a la noción de información en el contexto de la maquinaria del
organismo viviente como un todo, designando diferentes niveles y redes de control, circuitos, ciclos de
retroalimentación y procesos homeostáticos.
• Estas nociones diferentes de información dan lugar a dos tipos de definiciones de vida expresadas a partir de la misma palabra
Información
• En un caso la definición de vida como un
“sistema que procesa información” es redefinida
como un sistema de procesamiento de
información genética:
– La expresión fenotípica del material genético es lo que normalmente definimos como el fenómeno de la vida (Küppers, 1990)
– La existencia del genoma y del código genético divide a los organismos vivos de la materia no viva (Yocker 2002)
– El DNA hace RNA, el RNA hace proteínas y las proteínas nos hacen a nosotros (Keller, 1994)
Información
• La versión gen-centrista de la descripción de la vida refleja el paradigma central de la biología molecular, la cual postula una trasmisión lineal, unidireccional de la información de los ácidos nucleicos a los polipéptidos (Crick 1958).
• En su definición más restringida y técnica, la información es entendida como una secuencia de elementos en una molécula lineal de DNA, RNA o un polipéptido.
• No se puede dar otra interpretación de información en el contexto de la teoría de Shannon o otras teorías
matemáticas.
• Cualquier otro significado de la información en las definiciones centradas en los genes son metáforas.
Información
• En algunas instancias, las secuencias de los ácidos nucleicos son descritas como los planos o programas que incluso se ha propuesto que tienen significado.
• Este uso implica que los genes contienen los planes que son transmitidos a través de las generaciones:
– Aunque el organismo muera el plano de información de la estructura y función del organismo, el cual para la vida que conocemos está basado en un código químico, sobrevive de generación en generación (Shulze-Makuch et al 2002).
• En otro uso relacionado los genes contienen instrucciones para fabricar organismos:
– Toda la vida conocida y la vida artificial son llevadas por un programa (Abel 2002).
– En la materia viva las reacciones químicas están dirigidas por secuencias de nucleótidos en el mRNA (Yockey et al 2002).
• Se supone que los genes tienen un significado relacionado con sus productos péptidos:
– Los códigos genéticos tiene significado por las características que imparten a los sistemas en los que residen (Shulze-Makuch et al. 2002).
– El DNA tiene un significado debido a los segmentos expresados del DNA (exones) que son leídos por la maquinaria molecular de la célula (Shulze-Makuch and Irwin 2004).
• A los genes también se les da un atributo de
conocimiento relacionado con los factores del ambiente: – Puede decirse que el orden observable en las secuencias
genómicas, y la forma organizada en la que son expresados, representa la suma de toda la información del sistema
acumulada a través de su historia de interacciones internas y externas (Guimarães 2002).
– Una célula debe ser capaz de establecer y mantener una representación molecular de su ambiente – una especie de “realidad virtual” de sus alrededores codificada en su
Información
• En un uso extremo los genes son considerados
como el motor principal de todos los procesos
de los organismos vivos:
– El “movedor que no se mueve” describe
perfectamente al DNA. Actúa, crea, forma y
desarrolla y no es cambiado durante el proceso (Delbrück 1971).
• Esta visión ha llevado a una monarquía absoluta
de los genes en la jerarquía de la vida y a una
de las grandes falacias de la biología.
• The Watson-Crick era, which began as a
narrowly defined and proper theory and
paradigm of the gene, has mistakenly evolved
into a theory and a paradigm of life… . The
failure is located in the mistaken idea that
complex behavior may be traced solely to
genetic agents and their surrogate proteins
without recourse to the properties originating
from the complex and nonlinear interactions of
these agents (Strohman, 1997, p 194).
• La misma definición de vida como un sistema que procesa información puede ser entendida de manera diferente si la palabra información no se reduce a
secuencias de polímeros biológicos.
• Los genes no codifican, programan controlan o llevan el metabolismo o la homeostasis (regulación del ambiente interno para mantener una condición estable o
constante).
– El DNA es una molécula muerta, entre las menos reactivas y químicamente inertes del mundo… La secuencia lineal de nucleótidos del DNA es usada por la maquinaria de la célula para determinar que secuencia de aminoácidos debe ser
construido en una proteína y para determinad cuando y donde debe ser hecha una proteína (Lewontin 1992).
• Los genes están regulados por una variedad de mecanismos.
• Los genes no son agentes activos. La maquinaria completa del organismo decide cuando un gen debe expresarse, en que momento y lugar y qué información debe ser extraída de una secuencia de nucleótidos
• Un sistema vivo como un todo no puede ser dividido en elementos de orden o control principal o secundario.
• Los procesos de la vida en un organismo y su contenido de información pueden ser vistos como ciclos sinfín que involucran distintos elementos.
• En esta circulación no hay “productos finales” con respecto a la información.
• El principio del uso de la información cíclica es universal en la organización biológica puede ser observado en
todos los niveles: molecular, celular, fisiológico e incluso en la organización social.
Visiones centradas en el gen y en el organismo
relacionadas con el flujo de información
Descripciones en vez de
definiciones
• De acuerdo con esta posición la única manera
de definir la vida es a partir de listar sus
propiedades observadas y postular que están
de alguna manera conectadas entre si y al
fenómeno general llamado “vida.
– No parece que exista una propiedad características única que sea a la vez intrínseca y única de la vida. En vez de esto tenemos que argumentar que la vida llena ciertos estándares, o que califica por la
presencia colectiva de un cierto conjunto de
Descripciones en vez de
definiciones
Algunos términos no son precisos
Sirven como “definiciones de trabajo” para un discurso científico específico Pero no son definiciones
Descripciones en vez de
definiciones
• Una definición “ideal" especifica las condiciones
necesarias y suficientes para la aplicación del
término que se define. Este no es el caso de las
definiciones descriptivas.
• Si admitimos que hay una lista de
características que se aplica a todos los
organismos vivos y los distingue de los sistemas
no vivos, de igual manera esta no es una
definición sino descripciones secundarias.
• Estas características son las manifestaciones
observables y registrables de principios más
Descripciones en vez de
definiciones
• ¿Que es lo que pasa específicamente en los
sistemas vivientes que les permite crecer,
metabolizar, adaptarse, reproducirse,
evolucionar, incrementar su complejidad y
procesar información?
• La reproducción requiere una unidad que sea
reproducida, esta es la razón por la cual es
operacionalmente secundaria al establecimiento
de la unidad y no puede entrar como una
característica definitoria de la organización de
los sistemas vivos (Varela 1979)
Descripciones en vez de
definiciones
• Se necesita una jerarquía causal
• En algunos casos las conexiones causales ocurren en series, mientras que otros procesos ocurren en paralelo. • Ejemplo:
Adaptación evolución reproducción (transmisión de información genética)
La información genética es procesada en una red
homeostática circular dentro del organismo como un todo.
La retroalimentación de la circularidad homeostática está causalmente conectada con dos características
paralelas de la vida: la utilización de la energía y la creación del orden.
Descripciones en vez de
definiciones
• El problema es que no es aún claro que características son primarias y cuáles secundarias, qué procesos
interactúan con otros en una red causal y si hay una
característica o procesos centra, el cual es fundamental para otros secundarios o terciarios y para observaciones posteriores.
• La determinación de la jerarquía de las características de lo vivo puede tener una uso práctico para la
astrobiología
• Por ejemplo si se supone que las reacciones
autocatalíticas y los ciclos de retroalimentación son
principios organizacionales primarios de la vida y que los polímeros basados en carbono y soluciones acuosas
son secundarios, entonces será posible ampliar la
búsqueda de vida en el universo para incluir químicas que no estén basadas en el carbón.
Ausencia de un contexto
interdisciplinario general
• La definiciones, por ejemplo del mercurio o del agua, están inscritas dentro de una teoría. De esta forma
pueden definirse como H2O y el elemento 80 de la tabla periódica.
• Las definiciones más precisas típicamente tienen un contexto científico más amplio.
• Este contexto no ha sido propuesto para la definición de la vida.
• Debe ser interdisciplinario y no sólo una “teoría de la biología”.
• Es necesario construir una serie general y universal de sistemas donde los sistemas vivientes sean un caso particular de un panorama más general.
“Vida mínima” como definición
• Problemas en la biología transicional:– ¿Cómo surgió la vida en la Tierra?
– ¿Qué sistemas bióticos extraterrestres podemos esperar encontrar en el universo?
– ¿es posible sintetizar sistemas vivientes artificiales?
• Estas preguntas están relacionadas con una cuestión metodológica.
• Si suponemos que la transición hacia la vida es un
continuo, entonces la cuestión principal es investigar y construir series transicionales que van de sistemas
prebióticos supramoleculares con algunas, pero no todas las propiedades asociadas a la vida y luego los primeros organismos bioticos que despliegan todas las propiedades.
