La naturaleza está llena de procesos que mantienen un estado ordenado. Quizás haya visto juguetes magnéticos que mantienen un objeto suspendido en el centro de un espacio, de manera que cualquier movimiento leve hace que se vuelva a colocar en su lugar. La gravedad mantiene a los planetas en órbitas y comprime las estrellas en esferas. El efecto giroscópico mantiene al ciclista en posición vertical. Las dunas de arena mantienen su forma debido al ángulo de reposo de los granos de arena apilados. La fuerza centrípeta mantiene huracanes y tornados dando vueltas alrededor de un centro. El efecto Coriolis mantiene los patrones del viento. Estos ejemplos familiares pueden explicarse con referencia a las leyes naturales.

Hay un tipo diferente de mantenimiento en biología, llamado homeostasis. Es el tema del libro del biólogo Scott Turner, Purpose and Desire: What Makes Something “Alive” and Why Modern Darwinism Has Failed to Explain It [Propósito y deseo: ¿Qué hace que algo esté “vivo” y por qué el darwinismo moderno no lo ha explicado?] Este tipo de «equilibrio dinámico» es mantenido por la maquinaria que actúa sobre otra maquinaria. Ninguna ley natural puede mantener ese tipo de orden. De hecho, las leyes naturales conducirían a la decadencia y la muerte si no fuera por respuestas programadas capaces de superar lo que sucedería naturalmente. Aquí hay algunos ejemplos de ese tipo de mantenimiento activo.

Duerme en ello

¿Por qué es necesario dormir? Una nueva teoría de Zada ​​et al. publicado en Nature Communications (acceso abierto) propone que el cuerpo necesita un turno de noche para que los equipos de reparación tengan tiempo para trabajar. De acuerdo con un comentario de acceso abierto sobre este artículo en Current Biology por Philippe y Wang, «el sueño puede reparar las roturas de ADN acumuladas durante la vigilia para mantener la integridad del genoma y probablemente frenar el envejecimiento neuronal».

Las actividades diurnas energéticas son costosas. El zumbido de actividad en el núcleo, con el desenrollado y desenredado frecuente del ADN a medida que se leen y transcriben los genes, puede causar alteraciones genéticas. Entre las más peligrosas se encuentran las roturas de doble cadena (DSB), que pueden provocar la muerte celular o el cáncer. Los sistemas de reparación DSB requieren que los dos extremos de las hebras sueltas se unan y se vuelvan a unir, un proceso complejo de máquinas moleculares diseñadas para este tipo de emergencia. Los experimentos en cerebros de pez cebra mostraron que los genes de reparación de DSB estaban regulados al alza durante el sueño.

En conjunto, las observaciones comunes de las doble-hebras rotas dependientes de la estela y la reparación de las doble-hebras rotas dependientes del sueño en moscas, ratones y pez cebra apuntan hacia una función central emocionante del sueño que podría ser fundamental para comprender una amplia gama de biología desde el envejecimiento celular hasta la degeneración neural. Durante demasiado tiempo, el campo del sueño ha estado dominado por descripciones a nivel del sistema de la fenomenología que no reflejan los fundamentos biológicos completos de este estado crítico. El descubrimiento de las funciones del sueño en el nivel subcelular finalmente enfoca la necesidad de comprender y definir el sueño en el nivel celular. [Énfasis añadido.]

Sin el equipo de reparación trabajando activamente para mantener nuestros cerebros cada noche, se podrían acumular sustancias tóxicas. Un artículo en The Journal of Neuroscience relaciona el sueño de baja calidad con la enfermedad de Alzheimer. Winer et al. diga que los sujetos con una cantidad decreciente de sueño entre los 50 y los 70 años tienden a tener acumulaciones de proteínas β-amiloides y tau que son diagnósticas de la enfermedad (lea el resumen en Science Daily). Quizás esto se deba a la falta de tiempo para que el equipo de mantenimiento del turno de noche trabaje. Zada et al. Había demostrado que los efectos estaban relacionados con la duración del sueño, no con el reloj circadiano, por lo que la falta de sueño puede ser perjudicial ya sea que se trate de un búho nocturno o de un madrugador. Philippe y Wang explican por qué no podemos estar despiertos todo el tiempo.

La idea intuitiva de que el sueño es una fase restaurativa no debería ser extraña para nadie, pero la acumulación de evidencia molecular o subcelular tangible que ilustra científicamente dicho papel es en realidad bastante reciente. La actividad neuronal del cerebro durante la vigilia tiene un costo. A medida que uno explora y aprende, se crean nuevas conexiones y aumenta la fuerza sináptica en muchas regiones del cerebro, una dinámica que no se puede mantener indefinidamente. Por lo tanto, una de las primeras funciones hipotéticas para el sueño es garantizar la homeostasis sináptica. En relación con este aumento de la actividad sináptica durante la estela está la producción y acumulación de desechos y proteínas como el beta amiloide (Aβ), y el sueño es probablemente un período importante durante el cual se eliminan los metabolitos tóxicos principales del cerebro, incluido el Aβ.

Fotosíntesis: Estabilidad Bajo Estrés

Las plantas están a la merced del sol. No pueden moverse, pero la cantidad de luz solar está cambiando constantemente. Demasiada luz puede vencer a los fotocentros en sus cloroplastos, lo que da como resultado especies reactivas de oxígeno (EOR), moléculas que pueden dañar las células. Por la noche, hay muy poca luz, pero el exceso de electrones debe manejarse a medida que aumenta el nivel de luz en la mañana. Dos artículos recientes cuentan cómo las máquinas de la planta mantienen la homeostasis en estas condiciones. Saroussi et al., Escribiendo en PNAS, exploran “Salidas alternativas para sostener el transporte de electrones fotosintéticos durante las transiciones de oscuridad a luz”.

La mayoría de las formas de vida en la Tierra no pueden existir sin la fotosíntesis. Nuestra comida y ambiente dependen de ello. Para obtener altos rendimientos fotosintéticos, la energía luminosa debe acoplarse de manera eficiente a la fijación de CO2 en moléculas orgánicas. Las condiciones ambientales subóptimas pueden impactar severamente la conversión de energía lumínica a biomasa y conducir a la producción de oxígeno reactivo, que a su vez puede causar daño celular y pérdida de productividad. Por lo tanto, las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas han desarrollado una red de salidas alternativas para mantener el flujo de electrones derivados de la fotosíntesis.

Los autores describen tres mecanismos que utilizan las plantas para gestionar el flujo de electrones en exceso en diferentes momentos del día. Uno implica el uso de proteínas específicas para convertir O2 a H2O. Otro involucra PTOX (plastid terminal oxidasas) que capturan el exceso de electrones durante la cadena de transferencia de electrones (la secuencia de máquinas que genera la fuerza motriz de protones para la ATP sintasa). «Anteriormente se demostró que el PTOX controla el estado redox de la piscina de PQ [plastoquinona] en la oscuridad y puede actuar como una válvula de seguridad durante períodos de estrés ambiental». El tercer mecanismo transfiere el exceso de electrones a las máquinas que sintetizan el almidón. Basta con decir que las plantas tienen varias cuadrillas preparadas para protegerse de la luz solar excesiva o escasa.

Otro artículo de la Universidad de Kobe, publicado por Kadota et al. en la revista Plants, muestra que las hojas de trigo usan aceptadores de electrones múltiples «para suprimir la producción de especies reactivas de oxígeno».

Las plantas son susceptibles al estrés, y con el impacto global del cambio climático y la creciente demanda de alimentos por parte de la humanidad, es crucial comprender qué causa el estrés de las plantas y la tolerancia al estrés. Cuando las plantas absorben el exceso de energía lumínica durante la fotosíntesis, se producen especies reactivas de oxígeno, lo que puede causar un estrés oxidativo que daña las estructuras importantes. Las plantas pueden suprimir la producción de especies reactivas de oxígeno oxidando P700 (el centro de reacción clorofila en el fotosistema I). Un nuevo estudio ha revelado más sobre este proceso vital: el flujo de electrones cíclicos inducido por la oxidación del P700 es una recombinación de carga eléctrica que se produce en el fotosistema I.

La forma en que estos sistemas transfieren los electrones para evitar el sobrecalentamiento y evitar que las EOR causen daños trae a la mente las salvaguardas de la fábrica humana. Una planta de energía bien diseñada tendrá válvulas de escape, procedimientos y maquinaria para evitar el sobrecalentamiento. Una fábrica de explosivos bien diseñada tendrá múltiples regulaciones y medidas de seguridad para manejar sustancias delicadas. Con las plantas, estas salvaguardas vienen incorporadas.

Coordinación de Traducción de Levadura

Un último ejemplo se refiere al humilde eucariota unicelular, la levadura. Los investigadores de la Universidad de Göttingen aprendieron más sobre cómo las células de levadura se protegen de las proteínas cortas.

La célula contiene transcripciones del material genético, que migran desde el núcleo celular a otra parte de la célula. Este movimiento protege las transcripciones genéticas del reclutamiento del «espliceosoma». Si esta protección no ocurre, toda la célula está en peligro: lo que significa que pueden desarrollarse cáncer y enfermedades neurodegenerativas.

En la mayoría de las células eucariotas, los ARN mensajeros transcritos a partir del ADN se empalman primero con el espliceosoma, que corta intrones y sutura los exones antes de que los ARNm se envíen fuera del núcleo a los ribosomas para su traducción. Las partes del espliceosoma, llamadas snRNA (ARN nuclear pequeño) también abandonan el núcleo junto con el ARN mensajero, pero los snRNA no se traducen en proteínas. Los científicos habían pensado que la levadura era diferente. Pensaron que el snRNA de la levadura nunca abandonó el núcleo. El equipo aprendió que, de hecho, entran al citosol para madurar antes de regresar al núcleo. ¿Porque es esto importante? Si el snRNA permaneciera en el núcleo, los spliceosomas tratarán de trabajar con ellos, pero no estarían listos.

“Esta es la razón por la que las células sanas primero deben enviar a los precursores del ARN mensajero fuera del núcleo celular inmediatamente después de su producción: es para evitar que sean utilizados por los espliceosomas en desarrollo. Esta comprensión básica es importante para identificar la causa subyacente del desarrollo de enfermedades «.

Aprendemos de su artículo en Cell Reports que múltiples proteínas están involucradas en este proceso de traslado, y que «la exportación de snRNA evita la incorporación de snRNA inmaduros en los espliceosomas». Si no logran salir a tiempo, pueden suceder cosas malas: » El ensamblaje espliceosomal con snRNA inmaduros da como resultado defectos de empalme en todo el genoma «. Eso es lo que encontraron cuando interfirieron con la operación del transbordador. Dicen «Importante», dos veces acerca de esto:

Es importante destacar que, en las tres situaciones en las que los pre-snRNAs se pusieron en contacto con el espliceosoma, esta máquina molecular incorporó estos snRNPs inmaduros, revelando que el espliceosoma no puede distinguir entre snRNA inmaduros y maduros. Es importante destacar que todos los espliceosomas «inmaduros» y, por lo tanto, defectuosos conducen a defectos de empalme. A partir de estos datos, sugerimos que la transferencia de snRNA es probablemente obligatoria para todos los eucariotas y para todos los snRNA, incluido el U6, porque representa un mecanismo de garantía de calidad para espliceosomes intactos.

El espliceosoma, por cierto, es una de las máquinas moleculares más grandes y complejas de la célula. Aquí vemos que es asistido por otras máquinas.

Ejemplos como estos pueden multiplicarse por miles: máquinas vivas ayudadas por otras máquinas para mantener la homeostasis. Estos son muy diferentes a los procesos no vivos que pueden mantener el orden de acuerdo con la ley natural. Estos realmente contrarrestan lo que sucedería naturalmente. Al igual que los ingenieros humanos construyen máquinas que pueden hacer lo que las leyes naturales no dirigidas nunca harían por sí mismas, como levantar toneladas de maquinaria de metal a través del aire, volarlo por un continente y aterrizarlo suavemente en el suelo, los seres vivos hacen sus «milagros» (como la fotosíntesis) mediante dispositivos de alta ingeniería. Y más allá de eso, estos dispositivos se mantienen en equilibrio dinámico gracias a otros dispositivos que saben cómo manejar las tensiones y anomalías. ¡Esto es seguramente maravilloso!

Crédito de la foto: Gregory Pappas en Unsplash.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News