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Sunday, May 7, 2017

On the universality of life

Cyanobacteria were among the earliest life forms on Earth, and are still found in almost every habitat. Over millions of years, they created the atmospheric oxygen that we breathe today.
(Image credit: Josef Reischig/Wikimedia.)

HOW FREQUENT IS life in our universe? The answer depends, primarily, on how easy it is for life to arise in the first place.

Even in the case that life had the smallest imaginable chance of occurring — while not being impossible, as we can tell for ourselves — we would certainly not be alone in the cosmos. The sheer size of our universe simply rules out the possibility that ours is the only planet to harbour life. If only one in a trillion stars were to have an orbiting planet in conditions such that the emergence of life were possible — these relate to the presence of liquid water, which is thought to be one of the few essential requirements for life as we know it — the number of stars in the universe is so inconceivably huge that there would exist billions of such habitable worlds throughout the cosmos.

How life on Earth began, how matter suddenly self-organised into autonomous systems with the ability to perpetuate themselves over time, is undoubtedly one of the most fascinating questions ever presented to human curiosity. It is also among the most hotly debated ones, and there are still a number of possibly valid answers to it. The most widely accepted one is that life, by what seems an unimaginable stroke of luck, at some point spontaneously assembled itself from the different essential molecules, such as lipids and amino acids, that where ubiquitous in the hot primordial seas of young Earth. Alternatively, if life on our planet did not arise on its own, then it must have been introduced from outer space, perhaps as frozen primitive cells which hitched a long ride on a comet or an asteroid. Nonetheless, in most scientists’ view, it is far more likely that some extremely primitive form of life arose by fortunate assembly of organic molecules — which is not that fortunate after all, given that it took hundreds of millions of years for this to happen — rather than the aggregate probability that life originated in some other part of the universe and was subsequently brought to Earth by whichever means.

By studying nature over centuries, we have gradually worked out the set of intangible rules that govern all forms of life on Earth. Such rules, I believe, are directly derived from the physical laws that permeate our cosmos, and are therefore universal. If the fundamental laws of physics, such as those which describe the gravitational and electromagnetic forces, seem to apply evenly throughout the known universe, then the principles of life, being an elaboration of the former, should be equally valid in any setting where life is viable, provided that there is sufficient time for life to arise. Although long time spans seem to be required for the emergence of life, once this occurs, life must abide to the very same laws that direct it on our own world. If we were to gather these laws under a single name, we should turn to what is undoubtedly one of the most transformative concepts in the history of science — so much so that some persist to reject it still today, in quite the same way as others in the past rejected the notion that the Earth is not at the centre of the universe. The concept’s name is, of course, evolution.

As an omnipresent life-powering process, evolution arises from the combination of various properties of life itself. The first of these is life’s necessity to replicate itself in order to avoid death, for even an ideal organism that is not affected by ageing, given sufficient time, will ineluctably die of some cause. The process of replication of living things is bound to be imperfect, due to the impossibility of perfection being an intrinsic and evident property of our universe. Perfection is a concept devised by humans; in reality, there exists no perfectly smooth surface, no perfectly uniform substance, no matter or process which is free from the smallest degree of physical imperfection, anywhere in the cosmos. In fact, there are no such things as ‘perfection’ and ‘imperfection’ in the universe; anything that abides to its physical laws is just fine. The impossibility of perfection implies that, instead of being identical copies of each other, organisms will accumulate minute differences over generations, thus introducing variation, which is a central ingredient of evolution, in their populations.

Secondly, because of the pressures imposed by the environment in which organisms live — which can often be reduced to the restless struggle to eat and not being eaten — such differences between creatures of a same kind will make them not just different, but better or worse than others at playing the game of life. Specifically which individuals are better, however, is something that can vary at any time, in response to the whims of an ever-changing environment. One of the fundamental principles of life, which is but an application of simple causality, prescribes that those individuals which are better adapted to the environment will survive longer and replicate more, gradually displacing the less-fit individuals in their population and slowly shaping their species over time. This phenomenon, which seems obvious today, yet took thousands of years for us to grasp, is called natural selection. And, together with variation, it is the driving force behind evolution.

Evolution is therefore the consequence of two unavoidable phenomena in life: first, variation between living things, caused by imperfections in the processes by which these replicate themselves; and second, natural selection of those individuals which are better equipped for survival. Because variation provides the ‘pool’ of possible forms from which natural selection can ‘pick’, those organisms which are constantly exposed to very hostile environments, such as viruses or cancer cells, tend to vary extremely quickly, by favouring imperfect replication systems that allow them to adapt and evolve faster.

It is therefore sensible to affirm that, wherever in the universe life may arise, even if we cannot predict many of its qualities, we can be certain that it will abide to the universal laws of replication, variation and selection; quite simply because these are the only possibility for the survival of life, just as gravity is the only possibility for the existence of stars and planets. Moreover, there are some physical characteristics of living things that could indeed be predicted under certain conditions. For example, even if the concrete shape and lifestyle of alien organisms is unknowable to us, we can safely say that they will need to gather some information about their surroundings — they will need some way to sense. If we accept that life will occur within a fluid, such as water or air, it is virtually sure that, as their complexity increases, living beings will soon evolve some means of sensing mechanical or electrical changes in such fluid. If life is exposed to the light of a star — which is needed for liquid water to exist — evolution will no doubt come up with sensors to detect changes in this light: eyes, as simple or complex as we may imagine them. Even very basic organisms, such as the mould or cyanobacteria in our world, will benefit from some chemical way to learn, at least to an elementary degree, what is going on in their immediate vicinity. This is so important an advantage, that some of these sensors have already arisen multiple times here on Earth. For instance, the eyes of an octopus and our own eyes are not evolutionarily related — that is, the eyes of vertebrates and cephalopods were independently evolved — and yet they perform the same exact function and are staggeringly similar. This phenomenon, termed convergent evolution, gives a hint of just how powerful a life-shaping force natural selection can be.

It is also enlightening that, despite evolution sometimes giving rise to complex life forms, we find a striking variety of very simple organisms living around us today — so simple indeed that we cannot even see them. The fact that a huge diversity of microorganisms, including bacteria and viruses, still thrive on Earth four billion years after the beginning of life is a clear sign that complexity is not a requisite for survival. This is especially true in the case of intelligence, which we tend to regard as the pinnacle of evolution. Complexity, particularly in the case of advanced intelligence, is a very expensive characteristic to develop and maintain for a species, and therefore evolution does not go down that path very often; otherwise, there would be many more complex and highly intelligent species around us. Moreover, with all of man’s supposed superiority over all other life forms, one must consider the actual likelihood that our species will still be here in just a million years from now. In my view, it is difficult to overstress how unlikely our long-term survival is, especially as we are already failing to manage the development of our own populations, as well as the unsustainable overuse of natural resources which we regard to be infinite. On the other hand, the simplest life forms on this planet have been around almost since the beginning of life, and are likely to stay until the day Earth becomes completely uninhabitable.

If an overdeveloped intelligence is probably not very suitable for long-term survival, it does spark a unique phenomenon — the temporary alteration of the rules of life. Thanks to the development of our societies, technology and medicine, those who, according to nature’s dictates, are less fit for survival, nevertheless have an opportunity to defy natural selection. In other words, we have used our intelligence to bypass the very laws which dictate who survives and who perishes; and by doing so, although making life much fairer from our standpoint, we have effectively arrested the progress of our evolution. We have in fact just begun treading our own evolutionary path, which will be largely independent of the natural environment around us; the threats to our survival are no longer to come from the natural world, but rather from the artificial world that we have built for ourselves.

I maintain that life is far from a one-off accident. Life is a property of our cosmos. Given the appropriate setting, it will naturally occur, in the same way as stars, nebulae or black holes are triggered by a specific series of conditions and events. Our knowledge of life on Earth tells us that the laws which define such life, whatever its shape, size or ecological role may be, are but a natural consequence of the imperfect character of the universe and the plain interactions between life forms and their environment (including other life forms). Together with the unfathomable scale of the cosmos, of which Earth itself is just an unremarkable, negligible blue atom, the simplicity and universality of these principles indicate that life is no uncommon thing in our universe. On the contrary, life must be everywhere around us; although it may be too far away, buried in the void reaches of space, for us ever to discover it.

Sobre la universalidad de la vida

Las cianobacterias fueron unas de las primeras formas de vida en la Tierra, y aún pueden encontrarse en casi cualquier hábitat. A lo largo de millones de años, crearon el oxígeno atmosférico que respiramos hoy.
(Imagen: Josef Reischig/Wikimedia.)

¿CÓMO DE FRECUENTE es la vida en nuestro universo? La respuesta depende, fundamentalmente, del grado de facilidad con que la vida pueda aparecer en primer lugar.

Incluso en el caso de que la probabilidad de la aparición de vida fuera lo más pequeña imaginable —sin llegar a ser nula, como sabemos por experiencia—, ciertamente no estaríamos solos en el cosmos. La extensión del universo en que vivimos simplemente invalida la posibilidad de que el nuestro sea el único planeta en albergar vida. Si tan sólo una de cada billón de estrellas tuviera en órbita un planeta con condiciones tales que la aparición de vida fuera posible —éstas están ligadas a la presencia de agua líquida, uno de los pocos requisitos indispensables para la vida tal como la conocemos—, el número de estrellas en el universo es tan inconcebiblemente grande que podría haber miles de millones de tales mundos habitables.

El comienzo de la vida en la Tierra, la súbita auto-organización de la materia inerte en sistemas autónomos con la capacidad de perpetuarse a sí mismos en el tiempo, es sin duda uno de los más fascinantes enigmas jamás presentados ante la curiosidad humana. Ha sido también uno de los más largamente debatidos, y aún hoy en día existen diferentes posibles explicaciones. La más aceptada es que la vida, mediante lo que aparenta ser un inimaginable golpe de suerte, en algún momento se originó espontáneamente a partir de las diferentes moléculas esenciales, tales como lípidos y aminoácidos, que abundaban en los cálidos mares primordiales de una Tierra todavía joven. Por el contrario, si la vida no comenzó en nuestro planeta, entonces tuvo que haber sido introducida desde el espacio, quizá en forma de células primitivas que, congeladas, realizaron un larguísimo viaje a bordo de un cometa o un asteroide. No obstante, en la opinión de la mayoría de los científicos, es mucho más probable que una forma de vida extremadamente primitiva surgiera de una combinación fortuita de moléculas orgánicas —quizá no tan fortuita, teniendo en cuenta que fueron necesarios cientos de millones de años para que esto ocurriera—, frente a la probabilidad conjunta de que la vida se originase en algún otro rincón del universo y fuera luego transportada a la Tierra por cualesquiera medios.

A lo largo de siglos de estudiar la naturaleza, hemos ido descubriendo un conjunto de reglas intangibles que gobiernan toda forma de vida en nuestro planeta. Tales reglas, en mi opinión, se derivan directamente de las leyes físicas que rigen nuestro universo, y son, por tanto, universales. Si las leyes fundamentales de la física, tales como las que describen las fuerzas gravitatoria y electromagnética, parecen aplicarse homogéneamente a lo largo y ancho del universo conocido, entonces las leyes de la vida, siendo una elaboración de aquéllas, deben ser igualmente válidas en cualquier escenario en el que la vida sea posible, siempre que se disponga de suficiente tiempo para el surgimiento de la misma. Aunque esto parece requerir lapsos de tiempo considerablemente largos, una vez que la vida nazca, donde quiera que esto suceda, deberá por fuerza adherirse a los mismos principios que la rigen en nuestro propio mundo. Si quisiéramos reunir estos principios bajo un solo nombre, deberíamos acudir al que es sin duda uno de los conceptos más transformativos en la historia de la ciencia; tanto así, que algunos insisten en rechazarlo incluso hoy, al igual que otros en el pasado rechazaron la idea de que la Tierra no se encuentra en el centro del universo. El nombre de tal concepto es, por supuesto, evolución.

Como proceso propulsor de la vida, la evolución nace de la combinación de varias propiedades fundamentales de la misma. La primera de éstas es que la vida necesita replicarse a sí misma con el fin de evitar la muerte, dado que incluso un organismo ideal que fuera inmune al envejecimiento, llegado un punto, perecería irremediablemente por una u otra causa. El proceso por el cual las formas de vida se replican a sí mismas está condenado a ser imperfecto, ya que la imposibilidad de perfección es una propiedad evidente e intrínseca de nuestro propio universo. La perfección es un concepto ideado por el ser humano; en la realidad, no hay ninguna superficie perfectamente lisa, ninguna sustancia perfectamente uniforme, ningún proceso o materia libre del más mínimo grado de imperfección física, en ningún lugar del cosmos. De hecho, cosas tales como ‘perfección’ o ‘imperfección’ son inexistentes; cualquier cosa que se ciña a las leyes de la física es simplemente aceptable. La imposibilidad de perfección implica que, en lugar de ser copias idénticas, los organismos irán acumulando diferencias minúsculas a lo largo de las generaciones, introduciendo así variación, la cual es un ingrediente esencial de la evolución, en sus poblaciones.

En segundo lugar, debido a las presiones impuestas por el entorno en que los organismos viven —las cuales pueden a menudo reducirse a la perpetua lucha por comer y no ser comido—, tales diferencias entre criaturas de la misma clase las harán no sólo diferentes, sino mejores o peores jugadoras del juego de la vida. Qué individuos en concreto son mejores, no obstante, es algo que puede variar en cualquier momento, en respuesta a los caprichos de un entorno natural siempre cambiante. Uno de los principios fundamentales de la vida, el cual no es sino una aplicación de la simple causalidad (que no casualidad), establece que aquellos individuos mejor adaptados al entorno sobrevivirán por más tiempo y se replicarán más, desplazando gradualmente a los individuos peor adaptados de la población, y moldeando así lentamente a su especie. Este fenómeno, que parece obvio hoy en día pero nos llevó miles de años aprehender, se conoce como selección natural. Y, junto con la variación, es la fuerza motriz de la evolución.

La evolución es, por tanto, la consecuencia de dos fenómenos inevitables en la vida: primero, variación entre los seres vivos, a raíz de las imperfecciones en los procesos por los cuales éstos se replican a sí mismos; y segundo, selección natural de aquellos individuos mejor equipados para la supervivencia. Dado que la variación provee el ‘suministro’ de posibles formas entre las que la selección natural puede ‘escoger’, los organismos que sufren una exposición constante a entornos altamente hostiles, como virus o células cancerosas, tienden a variar extremadamente deprisa, favoreciendo sistemas de replicación imperfectos que les permiten adaptarse y evolucionar más rápidamente.

Es por tanto sensato afirmar que, dondequiera que la vida tome forma en el universo, incluso si no podemos predecir muchas de sus cualidades, podemos estar seguros de que obedecerá las leyes universales de replicación, variación y selección; sencillamente porque éstas son el único medio para la supervivencia de la vida, del mismo modo que la gravedad es el único medio para la existencia de estrellas y planetas. Hay, además, ciertos aspectos de la vida que probablemente sí podrían ser predichos bajo circunstancias específicas. Por ejemplo, aun cuando la forma y conducta de organismos extraterrestres nos son incognoscibles, podemos decir con seguridad que estos tendrán la necesidad de recopilar alguna clase de información relativa a su entorno; en otras palabras, necesitarán un modo de sentir. Si asumimos que la vida tendrá lugar en un fluido, tal como agua o aire, es prácticamente seguro que tales criaturas, conforme aumenta su complejidad, pronto adquirirán una forma de detectar cambios mecánicos o eléctricos en dicho fluido. Si la vida está expuesta a la luz de una estrella —la cual es necesaria para la presencia de agua líquida—, la evolución proveerá sin duda sensores para detectar cambios en esta luz: ojos, tan simples o complejos como queramos imaginarlos. Incluso organismos muy simples, comparables al moho o las cianobacterias de nuestro mundo, necesitarán de algún medio químico para conocer, al menos a un nivel elemental, lo que ocurre en su entorno inmediato. Esto constituye una ventaja tan crucial, que algunos de estos sensores ya han aparecido más de una vez aquí en la Tierra. Por ejemplo, los ojos de un pulpo y nuestros propios ojos no guardan ninguna relación evolutiva —es decir, los ojos de los vertebrados y de los cefalópodos evolucionaron independientemente—, pese a que ambos desempeñan idénticas funciones y son asombrosamente similares. Este fenómeno, denominado evolución convergente, da una idea de la potencia de la selección natural como fuerza moldeadora de la vida.

Es también aleccionador el hecho de que, a pesar de que la evolución a veces da lugar a formas de vida complejas, todavía encontramos una sorprendente variedad de organismos muy simples a nuestro alrededor —tan simples, de hecho, que no podemos siquiera verlos—. El que una inmensa diversidad de microorganismos, incluyendo bacterias y virus, continúen proliferando en la Tierra cuatro mil millones de años después del inicio de la vida es una clara señal de que la complejidad no es un requisito para la supervivencia. Esto es especialmente cierto en el caso de la inteligencia, la cual tendemos a considerar como la cúspide de la evolución. La complejidad, especialmente en el caso de la inteligencia avanzada, es un rasgo muy caro de desarrollar y mantener para una especie y, en consecuencia, la evolución no suele seguir ese camino; de lo contrario, encontraríamos muchas más especies complejas y altamente inteligentes a nuestro alrededor. Es más, con toda la supuesta superioridad del ser humano sobre cualquier otra forma de vida, uno debe considerar la probabilidad de que nuestra especie continúe aquí dentro de tan sólo un millón de años. En mi opinión, es difícil exagerar cómo de improbable es nuestra supervivencia a largo plazo, especialmente teniendo en cuenta que ya estamos fallando en controlar el desarrollo de nuestras poblaciones, así como el sobreuso insostenible de unos recursos naturales que creemos infinitos. Por otra parte, los organismos más simples de este planeta llevan aquí casi desde los propios comienzos de la vida, y probablemente seguirán aquí hasta el día en que la Tierra se vuelva absolutamente inhabitable.

Aunque una inteligencia desproporcionadamente alta probablemente no sea un rasgo muy deseable para la supervivencia a largo plazo, al menos desencadena un fenómeno único: la alteración temporal de las leyes de la vida. Gracias al desarrollo de nuestras sociedades, tecnología y medicina, aquellas personas que, de acuerdo a los dictados de la naturaleza, son menos aptas para la supervivencia, tienen sin embargo la oportunidad de desafiar a la selección natural. En otras palabras, con nuestra inteligencia, hemos sido capaces de circunvalar las leyes que dictan quién sobrevive y quién perece; y con ello, aunque hemos hecho la vida mucho más justa desde nuestro punto de vista, también hemos detenido el progreso de nuestra evolución. De hecho, no hemos sino comenzado a adentrarnos en nuestra propia senda evolutiva, la cual habrá de ser, en gran medida, independiente del entorno natural que nos rodea; las amenazas a nuestra supervivencia no se hallan ya en el mundo natural, sino en el mundo artificial que nos hemos construido.

Yo sostengo que la vida está muy lejos de ser un accidente excepcional. La vida es una propiedad de nuestro universo. Dadas las condiciones adecuadas, ocurrirá de forma natural, del mismo modo que las estrellas, las nebulosas o los agujeros negros se originan a consecuencia de una serie específica de condiciones y eventos. Nuestro conocimiento de la vida en la Tierra nos enseña que las leyes que la definen, sin importar la forma, tamaño o función ecológica que la vida adopte, no son sino una consecuencia natural del carácter imperfecto del cosmos y de la simple interacción entre las formas de vida y su entorno (incluyendo otras formas de vida). Junto con la escala inconcebible del cosmos, del cual la propia Tierra no es más que un invisible átomo azul, la simplicidad y universalidad de estos principios indican que la vida no es algo inusual en nuestro universo. Al contrario, la vida tiene que ser omnipresente a nuestro alrededor; aunque quizá se halle demasiado lejos, sepultada en la profundidad vacía del espacio, como para que lleguemos a descubrirla.