Los albores de la vida (4): Amanecer con una nueva luz

La vida existe, nosotros existimos, entonces en algún momento debe haber visto la luz el primer organismo viviente. En las últimas entregas de este blog hemos estado explorando lo que hasta la fecha sabemos del surgimiento de la vida en la tierra – que en la realidad es más una conjetura que certeza, aunque apoyada en una creciente cantidad de documentación científica.

Entre otras cosas, ha ido mejorando nuestro entendimiento de los procesos químicos que pueden haber dado origen a los primeros organismos. En la entrega anterior vimos como probablemente se formaron las membranas de las primeras células, y cómo pudieron haberse desarrollado las moléculas portadoras de la información genética. Estos son aspectos muy importantes de los primeros organismos, pero falta un ingrediente fundamental: el metabolismo, o sea, el mecanismo que le permite obtener energía para funcionar. El estudio del posible metabolismo de los primeros organismos puso el origen de la vida en una nueva luz.

Otro hallazgo que puso en una nueva luz a los primeros organismos, es que tal vez no se formaron en el mar, sino – posiblemente – en charcas en tierra.

De estos aspectos hablaremos en la presente entrega, para así cerrar este paréntesis sobre el cambio más importante que experimentó nuestro planeta: la aparición de la vida.

Metabolismo primero

Tal como ya se mencionó en la entrega anterior, los organismos también necesitan tener un proceso metabólico. O sea, tienen que ser capaces de convertir moléculas ingeridas en nutrientes y energía. Se ha propuesto que, para entender cómo pueden haberse formado los primeros organismos, es importante estudiar qué metabolismo pueden haber tenido, en lugar de enfocarse sólo hacia el desarrollo del material genético. Es fundamental considerar a los sistemas prebióticos (y los vivos) en términos de energía: el aumento de la energía de los sistemas físicoquímicos prebióticos puede haber causado la aparición de moléculas más complejas[1].

Los científicos que estudian el origen de la vida tienden a ubicarse en uno de dos campos: genetistas o “metabolistas”. Los últimos, defensores del punto de vista del “metabolismo primero”, consideran que una red de reacciones químicas complejas proporcionó el medio ambiente a partir del cual se desarrolló un sistema genético. Los partidarios de la teoría del “ARN primero” argumentan que los biopolímeros replicantes aparecieron primero y que posteriormente dieron paso al metabolismo[2].

El concepto del “metabolismo primero” es distinto al del “ARN primero”, no sólo por considerar que el metabolismo se desarrolló antes del ARN, sino también por plantear que la primera vida consistía de un conjunto de moléculas pequeñas que cada una por separado era irrelevante, pero que en combinación con las otras formaba redes capaces de hacer, aunque fuera de forma rudimentaria, justamente lo que define a la vida: autosostenerse mediante un proceso metabólico, dividirse y multiplicarse[3].

Autótrofos y heterótrofos

Ha habido cierta discusión acerca de si los primeros organismos eran autótrofos o heterótrofos. Esto tiene que ver con los nutrientes de los que se alimentaban y obtenían energía. Los heterótrofos se alimentan de compuestos orgánicos, lo que es en la actualidad lo más común. Todos los animales, por ejemplo, incluyendo los humanos, son heterótrofos[4]. Los autótrofos, por otro lado, se alimentan de compuestos inorgánicos; como fuente de carbono para la producción de sus moléculas biológicas, utilizan el dióxido o monóxido de carbono. Las plantas y ciertos procariontes son ejemplos de organismos autótrofos[5].

Inicialmente se pensó que los primeros organismos pudieron ser heterótrofos, ya que se consideró que la atmósfera primordial tenía una composición tal (con la presencia de, entre otros, hidrógeno) que se podían formar compuestos orgánicos, que pudieran haber servido como alimento para los primeros organismos[6]. Después, sin embargo, se consideró que la atmósfera terrestre, al tener un alto contenido de dióxido de carbono, no tenía una composición que podía dar origen a compuestos orgánicos de manera abiótica. Esto implicaría que los primeros organismos debieron haberse nutrido con substancias inorgánicas, no orgánicas; o sea, que eran autótrofos. Esto tiene un impacto importante sobre el metabolismo de estos primeros organismos[7]. Sin embargo, posteriormente se determinó que la atmósfera terrestre primordial tuvo una composición más benévola y que se formaban con cierta facilidad ciertos compuestos orgánicos (ver la entrega anterior), de manera que los primeros organismos pueden haber sido heterótrofos.

La fijación de dióxido de carbono para formar moléculas biológicas es fundamental para los organismos autótrofos. Los autótrofos actuales lo hacen con la ayuda de proteínas. Sin embargo, los primeros organismos no tenían esta ayuda. Pero se determinó que, ante la inexistencia de proteínas, ciertos metales de transición (tales como el hierro, el níquel y el cobalto) pueden haber catalizado la fijación del dióxido de carbono[8]. Así que entre los primeros organismos también pueden haber figurado unos autótrofos.

Procesos metabólicos

Existen tres requisitos para un metabolismo primitivo: energía, un catalizador mineral, y un ciclo químico perpetuado. La energía era proporcionada por la luz del sol (para ambientes poco profundos o terrestres) y/o fuentes calientes hidrotermales. Los catalizadores minerales pueden haber sido parte de las rocas en el entorno. La reacción química perpetua que pudiera haber existido en la tierra primordial es el ciclo inverso de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico), que usa dióxido de carbono y agua para hacer compuestos de carbono[9].

El ciclo de Krebs es el principal proceso metabólico en todos los organismos actuales. Es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular, donde la energía almacenada en alimentos ingeridos (carbohidratos, grasas, proteínas, etc.) es liberada mediante su conversión en dióxido de carbono y energía química en la forma de trifosfato de adenosina (ATP)[10].

Sin embargo, el ciclo de Krebs es muy complejo, al requerir de muchos pasos y en cada paso de la actividad de enzimas catalizadoras (facilitadoras) específicas, que ni existían en la tierra primordial cuando apareció la primera vida. Por tanto, es preciso encontrar una versión simplificada de este ciclo, que sí cumpla con los requisitos, en términos de los compuestos disponibles para los primeros organismos y del ambiente en el que se desarrollaron. Un buen candidato es la combinación de dos ciclos no biológicos (llamados los ciclos HKG y del malonato), que utilizan compuestos orgánicos prebióticos. Entre los compuestos producidos por este ciclo combinado se encuentran ciertos aminoácidos, que pueden haber servido para la formación de compuestos biológicos[11].

Por otro lado, si los primeros organismos eran autótrofos (alimentándose de compuestos inorgánicos), se requiere un proceso metabólico capaz de convertir compuestos inorgánicos en moléculas orgánicas y energía. Para esto se ha hallado, como mineral clave, el sulfuro de hierro (FeS y FeS2, pirita), con una adición de níquel. Especialmente en ambientes calientes, tales como las fuentes hidrotermales (una teoría sugiere que la vida surgió en fuentes termales; ver abajo), este compuesto puede haber facilitado la conversión de carbono inorgánico (dióxido de carbono) en moléculas orgánicas y energía, la cual puede haber tomado lugar en la superficie del mineral[12]. También se ha experimentado, con éxito parcial, con catalizadores metálicos en una suspensión con sulfuros de zinc y de sodio, para replicar el ciclo de Krebs sin catalizadores enzimáticos[13].

Redes autocatalíticas

Los dos conceptos, del Mundo ARN y el mundo de metabolismo primero, no son opuestos: antes de la aparición de los replicadores como el ARN, debe haber existido un mundo caracterizado por la presencia de una variedad de moléculas orgánicas relativamente sencillas. Es posible que éstas hayan formado redes catalíticas, que a su vez dieron origen al mundo más complejo de los replicadores[14].

El concepto del mundo del “metabolismo primero”, anterior al desarrollo del ARN y el ADN, requiere de una manera para reproducirse y transmitir su organización a la siguiente generación. Para cumplir este requerimiento pueden haber servido redes compuestas de moléculas mutuamente catalíticas (ver abajo), que permiten la copia de conjuntos moleculares enteros. Este concepto se hace eco de las ideas de Oparin: de glóbulos contentivos de una variedad de moléculas que, conjuntamente, les proporcionan a los glóbulos las propiedades básicas de la vida, en términos de metabolismo y reproducción.

La primera célula puede haberse formado cuando una membrana fosfolipídica (ver la entrega anterior), al cerrarse, encapsuló un conjunto de las biomoléculas que permitían la subsistencia del organismo. Un modelo genérico para este proceso es la “autogénesis” del antropólogo estadounidense Terrence Deacon, que postula una sinergia entre dos procesos fundamentales: por un lado, una catálisis recíproca, y por otro, un proceso de auto-ensamblaje. La catálisis recíproca (una forma de autocatálisis) es un fenómeno común en la bioquímica: se refiere a la situación en la que la molécula A cataliza la producción de la molécula B, y viceversa, o sea, que B a su vez cataliza la producción de A[15]. Esto permite la producción de grandes cantidades de ciertas biomoléculas sin muchos errores, lo que es fundamental para la producción de los compuestos clave de la actividad de un organismo. El auto-ensamblaje, por otro lado, se refiere a procesos tales como la generación de la membrana celular, que tal como vimos, ocurre de manera prácticamente espontánea. Según el modelo de la autogénesis, la vida puede aparecer cuando los dos procesos se ayudan mutuamente: productos secundarios de la catálisis recíproca sirven de materia prima para el auto-ensamblaje, y el auto-ensamblaje provee un contenedor que impide la dispersión de los compuestos involucrados en la catálisis recíproca[16].

Aun no se ha logrado recrear en el laboratorio alguna red autocatalítica. Sin embargo, tenemos pistas de cuáles pudieran ser moléculas clave en tales redes. Estas incluyen en primer lugar los lípidos, compuestos oleosos que, tal como vimos en la entrega anterior, forman de manera espontánea las membranas que encierran a todas las células vivas. Las burbujas de lípidos (vesículas) pueden crecer y dividirse de manera similar a las células vivas. Además, los lípidos pueden actuar como catalizadores, de manera similar a las enzimas y ribozimas. Esta es una propiedad crucial para formar redes autocatalíticas. Después, las vesículas aceitosas pueden acumular y almacenar información de composición, y al dividirse la vesícula, transmitir la información a la progenie. Este sistema de herencia sería independiente de las moléculas genéticas; el ARN y el ADN, cuya presencia en esta fase inicial del desarrollo de la vida no sería necesaria. Inclusive, las vesículas estarían sujetas a selección natural en respuesta a cambios ambientales, lo que pudiera dar origen a una evolución darwiniana[17].

Se ha logrado en experimentos combinados con modelos digitales, construir un sistema autocatalítico autorreplicante, con la presencia de replicantes simples. La presencia de compuestos quirales con quiralidades opuestas (ver la entrega anterior) parece beneficiar estos sistemas[18]. En los sistemas autocatalíticos parece que se desarrollan preferentemente sólo algunos tipos estructuras composicionales, caracterizadas por un alto grado de organización y repetitividad[19].

El ARN y el ADN pueden haber aparecido en una fase posterior al desarrollo de la vida. En efecto, en ciertos modelos de sistemas autocatalíticos se ha determinado que se pueden formar, como consecuencia de la actividad autocatalítica, moléculas largas afines a los biopolímeros que codifican información genética: el ADN y ARN[20].

¿Mutación y selección primero?

La mayoría de los modelos de la aparición de la vida se enfocan en las características que deben haber tenido las primeras células, dejando la mutación y la selección natural en un segundo plan. Pero también hay quienes proponen lo opuesto: que primero vino la selección y mutación, y la replicación (multiplicación) después. Según esta hipótesis, hubo una “pre-vida”: un entorno químico en el que abundaban compuestos orgánicos sencillos (los así llamados monómeros) que formaban cadenas (polímeros) de distintos tipos, más o menos al azar. Ciertos polímeros se volvían más abundantes que otros, dependiendo por ejemplo de su estabilidad y de la disponibilidad de los monómeros de que eran compuestos; esto es una forma de selección en la pre-vida. También pudiera haberse dado mutación de estos polímeros, permitiendo la aparición de variantes más exitosas. En algún momento, uno de estos polímeros puede haber adquirido la capacidad de dividirse en dos partes, cada una creciendo hasta alcanzar su tamaño original para después volver a dividirse: esto sería la aparición de la replicación, lo que marcaría la transición de la pre-vida a la vida. Este polímero capaz de replicarse reemplazaría rápidamente a la pre-vida, y se puede aseverar que la selección que ocurría en la fase de pre-vida era para la capacidad de reproducirse[21].

En efecto, se ha encontrado moléculas capaces de crecer, dividirse y diversificarse, embarcando en un tipo de selección natural. El hallazgo se dio de manera fortuita en un laboratorio holandés, donde se formaron, en un líquido con aminoácidos, moléculas conformadas por cadenas de proteínas (a su vez compuestas por aminoácidos), que crecían y se dividían en algún momento. Si había disponibilidad de tipos distintos de aminoácidos, se formaban distintas variantes de estas moléculas, que competían entre sí para obtener aminoácidos para crecer más. O sea, casi con vida, aunque no del todo por no ser capaces de sustentarse[22].

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El entorno

Aparte de estas nuevas hipótesis acerca de la aparición de los primeros organismos, hay también nuevas ideas sobre el lugar donde ésta se originó, que colocan el amanecer de la vida en una nueva luz. ¿En qué ambiente pueden haberse formado los primeros organismos? En la entrega anterior vimos que puede haber sido importante la presencia de ciertas rocas o minerales que proporcionaron elementos, un entorno protegido, y/o condiciones químicas adecuadas para el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Pero esto no nos dice dónde eran más propicias las condiciones para la aparición de la vida.

Inicialmente, se pensó que los primeros organismos aparecieron en la superficie terrestre, donde la composición de la atmósfera primordial (que no tenía oxígeno, y más bien metano, dióxido de carbono, hidrógeno, etc. – ver las primeras dos entregas de esta serie, Los albores de la vida) pudo haber facilitado la formación de los compuestos biológicos necesarios para la vida. De hecho, estudios iniciales, tales como los experimentos de Miller mencionados en la entrega anterior[23], indicaron que ciertas moléculas orgánicas, relevantes como base para los compuestos biológicos, pudieron haberse formado bajo condiciones parecidas a las que prevalecían cuando la tierra estaba joven. Pero cuando se supo que la tierra fue azotada por bombardeos de meteoritos durante los primeros 600 millones de años de su existencia (ver la primera entrega de esta serie), cuando ya empezó a desarrollarse la vida, se buscó un ambiente alternativo a la superficie terrestre, que no estuviera afectado tanto por los meteoritos: el mar.

En la segunda entrega se habló de los primeros organismos. Todos los organismos que conocemos caen en uno de los tres dominios de la vida que han sido identificados[24]: los eucariontes, las arqueas, y las bacterias (los últimos dos conforman los procariontes)[25]. Los procariontes incluyen todos aquellos organismos cuyas células no tienen un núcleo, y son más antiguos que los eucariontes, cuyas células sí cuentan con un núcleo. Entre las bacterias y las arqueas, las arqueas parecen ser las más primitivas: explotan recursos distintos, desde compuestos orgánicos comunes como los azúcares, hasta el uso de amoníaco,​ iones de metales o incluso hidrógeno como nutrientes. Las arqueas existen en una gran variedad de hábitats;​ muchas arqueas, pero también algunas bacterias[26], son extremófilas (algunas arqueas sobreviven a altas temperaturas, hasta por encima de 100 °C[27]), y este tipo de hábitat fue visto históricamente como su nicho ecológico.​ Por tanto, se considera que los primeros organismos, que vivían mucho antes de la aparición del oxígeno en la atmósfera terrestre, pueden haber pertenecido al dominio de las arqueas, y que éstos eran metanogénicos, o sea, tenían un metabolismo basado en la producción de metano a partir de hidrógeno y CO2 [28]. Entre las arqueas, las extremófilas parecen estar entre las más antiguas[29], de manera que se postuló que la vida terrestre se originó en ambientes de fuentes calientes.

Fuentes hidrotermales

Las fuentes de agua caliente (agua hidrotermal, con temperaturas de hasta 405 °C) presentes en ciertas zonas en el fondo de los océanos, a gran profundidad, fueron descubiertas en 1977 [30]. Aparte de las fuentes de aguas muy calientes, ácidas, existen también fuentes con aguas alcalinas, con temperaturas menores de 100 °C [31]. Ambos tipos de fuentes tienen sus comunidades de organismos asociadas, y ambos proporcionan minerales, compuestos orgánicos y energía a los organismos. Sin embargo, la abundancia de organismos es menor en el caso de las fuentes alcalinas, que cuentan con reacciones químicas distintas[32].

Algunas fuentes hidrotermales forman chimeneas casi cilíndricas utilizando los minerales que están disueltos en el fluido hidrotermal; éstas pueden alcanzar alturas de decenas de metros (ver la imagen en el encabezado de esta entrega). Las chimeneas emiten fumarolas: nubes cuyos colores pueden variar de blanco a negro, dependiendo de los elementos que contienen. Las fumarolas son el eje de los ecosistemas. La luz del sol es inexistente, por lo que muchos organismos – como arqueas y bacterias extremófilas – convierten el calor, el metano y los compuestos de azufre (en particular sulfuro de hidrógeno) proporcionados por las fuentes en energía a través de un proceso llamado quimiosíntesis. Tradicionalmente, la vida ha sido vista siempre dependiente de la energía proveniente del sol, pero los organismos de aguas profundas no tienen acceso a la luz solar, por lo que dependen de los nutrientes que se encuentran en los depósitos de polvo y productos químicos de los fluidos hidrotermales en el que viven[33]. Compuestos químicos encontrados en las fuentes hidrotermales incluyen el metilmercaptano, que pudiera haber ayudado en el metabolismo de los primeros organismos, pero que hoy en día se forma a partir de materia orgánica preexistente así que en la tierra primordial tal vez no fue tan común como lo es en las fuentes hidrotermales actuales[34].

La presencia de arqueas en estas fuentes hidrotermales submarinas condujo a la hipótesis de que la vida terrestre se desarrolló en tales ambientes, aprovechándose de los minerales, la fuente de energía y la presencia de catalizadores (arcillas) [35]. No sólo las fuentes hidrotermales submarinas, sino también las en tierra, tales como los géiseres actuales que también cuentan con sus comunidades de arqueas y bacterias extremófilas[36], pueden haber servido como cuna de la vida.

De las fuentes hidrotermales submarinas que presumiblemente existieron en la tierra primordial casi no queda rastro; sólo de algunas rocas volcánicas submarinas de Groenlandia, de hace 3810 millones de años, se ha propuesto que pudieran haber sido modificadas por actividad hidrotermal[37]. Sin embargo, en el planeta Marte, que en su infancia tuvo condiciones parecidas a nuestro planeta en aquel entonces, se ha encontrado formaciones rocosas que se formaron en un fondo marino en condiciones hidrotermales, y que podrían servir como analogía para las antiguas fuentes hidrotermales terrestres[38].

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Charcas calientes primordiales

Sin embargo, la hipótesis de las fuentes submarinas tiene varios puntos débiles. En primer lugar, no es seguro que el bombardeo de meteoritos haya hecho imposible el desarrollo de la vida en la superficie terrestre. En segundo lugar, las fuentes hidrotermales submarinas tal vez no fueron ambientes tan propicios para la formación de los primeros organismos: por ejemplo, las altas temperaturas pueden destruir los compuestos orgánicos de los organismos, y por otro lado, las temperaturas bajas del océano dificultan la formación de estos compuestos[39]. Además, existe el problema de que, en la ausencia de alguna barrera que evitara la dilución en el agua marina de los compuestos biológicos necesarios para la formación de los primeros organismos, no se hayan podido concentrar estos compuestos lo suficiente para juntarse en las primeras células[40]. En cuanto a las temperaturas altas, se ha propuesto que fuentes submarinas en aguas más someras pueden haber tenido temperaturas considerablemente más bajas[41]; sin embargo, esto no resuelve los demás inconvenientes mencionados.

Por tanto, las hipótesis sobre el origen de la vida volvieron a considerar la superficie terrestre: en particular, las “pequeñas charcas calientes” de Darwin, en las que consideraba que pudiera haberse desarrollado la vida. En una carta a su amigo Joseph Hooker escribió, en 1871[42]: Pero si (y oh, qué grande si) pudiéramos concebir en una pequeña charca caliente con todo tipo de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc., que un compuesto proteico se haya formado químicamente, listo para experimentar cambios aún más complejos... Podemos imaginarnos los laguitos rodeando los géiseres de Yellowstone en los Estados Unidos y otras partes del mundo (ver imágenes) como ejemplo de tales charcas.

Las charcas, tal como se vislumbra, estaban expuestas a períodos de evaporación y llenado, al ritmo de día y noche[43], de las condiciones meteorológicas, de las estaciones, o de eventos volcánicos. También se ha propuesto charcas de mareas, que están casi vacías cuando la marea es baja, y se llenan con la marea alta[44]. Tenían calor para catalizar reacciones, y una alternancia de períodos secos y húmedos: períodos secos en los que se podían formar moléculas complejas (incluyendo polímeros) a partir de unidades más simples, períodos húmedos que permitían que estos polímeros flotaran libremente y periodos de secado adicionales durante los que los polímeros quedaran atrapados en pequeñas cavidades donde podían interactuar e incluso concentrarse en compartimentos de ácidos grasos: los prototipos de las membranas celulares[45]. La radiación ultravioleta a la que estaba expuesta la superficie terrestre en la infancia de nuestro planeta, también puede haber ayudado el desarrollo de los primeros compuestos biológicos[46].

La hipótesis de las charcas calientes proporciona una solución al problema de cómo se pudo obtener suficiente fósforo para los biopolímeros. Los minerales que contienen fósforo no se disuelven fácilmente en agua; sin embargo, cuando se reduce el volumen de agua en una charca como consecuencia de evaporación, y en la presencia de urea, sulfato de magnesio y algunos compuestos más, la disolución de tales minerales se facilita de manera significativa. En un ambiente marino esto no ocurriría, por estar demasiado diluida la solución de compuestos en el agua marina[47].

Además, la hipótesis de las charcas calientes ofrece una explicación por qué las células, aun en la actualidad, tienen un alto contenido de ciertos minerales, tales como el potasio, el zinc, el manganeso, y fosfatos. En las charcas calientes donde se formaron los primeros organismos, estos minerales probablemente estaban presentes en altas concentraciones, y es muy probable que las primeras células hayan tenido las mismas concentraciones de los minerales que tenían las charcas en las que se formaron. Al pasar su composición a sus descendientes, las altas concentraciones de estos minerales se quedaron “grabadas” en los organismos vivientes, hasta el día de hoy[48].

Arriba ya se mencionó que cambios en la temperatura del agua pueden haber ayudado en la replicación de las primeras moléculas de ARN (o algún precursor). Ahora bien, resulta que los cambios periódicos en la temperatura del agua y en otros parámetros fisicoquímicos pueden ayudar de múltiples maneras en la formación de moléculas relevantes para la vida. Las charcas calientes de Darwin proporcionan ambientes ideales para tales cambios y, por ende, para el desarrollo de la vida[49]. Por ejemplo, se ha determinado experimentalmente que, en semejante ambiente, una mezcla de ácido fórmico, ácido acético y varios compuestos contentivos de nitrógeno (que son todas moléculas que se forman fácilmente en condiciones prebióticas), conjuntamente a níquel y hierro (comunes en la corteza terrestre), pueden reaccionar y formar algunas de las nucleobases del ARN y el ADN: las purinas (las letras A y G)[50]. Es posible que la presencia de compuestos prebióticos provenientes de meteoritos (muchos de los cuales impactaron en la tierra durante al Hádico y el inicio del Arcaico – ver la primera entrega de esta serie) haya acelerado la formación de las primeras moléculas de ARN en las charcas[51].

En lugar de los minerales relacionados a los impactos de los meteoritos, puede haber sido la intensa actividad volcánica, causada por estos impactos, la que facilitó la aparición de la vida. Según una hipótesis que enfatiza el papel de las rocas y los minerales en el desarrollo de los primeros organismos, se acumularon minerales provenientes de cenizas volcánicas y flujos de lava en charcos a los pies de los volcanes. En estas charcas efímeras, los minerales (que incluían feldespatos y zeolitas) estaban expuestos a secado e inundación intermitente, lo que fomentaba la adsorción (retención en su superficie) de compuestos químicos, así como los procesos catalíticos. Algunas superficies ricas en sílice favorecían la adsorción de moléculas orgánicas, incluidos los aminoácidos, que se producían bajo la acción de descargas eléctricas en las nubes volcánicas. Catálisis luego promovió la polimerización para generar moléculas más complejas. La disolución de feldespatos creó un entramado de poros en las rocas volcánicas, que pueden haber actuado como paredes celulares temporales, mientras que el fósforo liberado de los feldespatos disueltos estaba disponible para la formación de las moléculas que proveen la energía a los organismos[52].

Burbujas

Una hipótesis alternativa, tal vez un poco más difícil de imaginar, es la de las burbujas, que propone que los primeros compuestos prebióticos pueden haberse formados en burbujas gaseosas en el mar, formadas a partir de las emanaciones de volcanes submarinos. Al llegar a la superficie del mar, las burbujas explotarían, escapándose su contenido a la atmósfera. Allí, los compuestos prebióticos seguirían modificándose al reaccionar con moléculas en la atmósfera. En algún momento, precipitaciones llevarían los compuestos de vuelta al mar, donde se incorporarían en otras burbujas gaseosas y volverían a reaccionar. Este ciclo se repetiría hasta la formación de los primeros organismos[53].

¿Cuántas veces se desarrolló la vida?

Sabemos que la vida apareció por lo menos una vez – aunque desconozcamos con exactitud dónde, cuándo, y cómo. Pero, ¿es posible que la vida se haya desarrollado múltiples veces en nuestro planeta, en lugares y momentos distintos? ¿Y que pudiera estarse desarrollando, aun hoy en día, alguna novedosa forma de vida a partir de materia inanimada?

Seguro, es posible que se haya desarrollado la vida de manera independiente en lugares distintos de nuestro planeta, así como puede haberse desarrollado no sólo en la tierra sino también en otros lugares en el universo. No tenemos constancia de ello – toda la vida que conocemos se basa en los mismos procesos y las mismas moléculas orgánicas – pero en principio es posible. Sin embargo, de haberse desarrollado algún tipo distinto de vida en la tierra, probablemente desapareció al perder la “lucha por la sobrevivencia” contra la forma de vida que ahora domina nuestro planeta. A pesar de esto es posible que, en algún lugar escondido de la tierra haya organismos distintos, y de hecho hay investigadores que se plantean su posible existencia[54].

Ahora, con la vida conocida bien implantada en nuestro planeta, es poco probable que logre desarrollarse algún tipo de vida completamente distinto. Los procesos prebióticos que dieron origen a los primeros organismos probablemente ya no pueden volver a darse debido a la competencia de los organismos existentes, que utilizan todo tipo de moléculas orgánicas para su alimentación[55].

Conclusión

Nunca sabremos con exactitud cómo se formaron las primeras células. Algún día seremos, presumiblemente, capaces de crear en el laboratorio protocélulas capaces de multiplicarse y realizar las funciones básicas de la vida – esto es el dominio de lo que se denomina la biología sintética, en el estilo Frankenstein[56] –, pero nunca tendremos la seguridad que fue así que apareciera la vida en nuestro planeta.

Sin embargo, se encontraron posibles mecanismos para la aparición de los primeros organismos, cumpliendo con los requisitos mínimos con los que tiene que contar un sistema químico para ser considerado vivo: contar con un envoltorio, tener algún tipo de material genético, tener un mecanismo para generar energía, y ser capaz de dividirse y procrearse. La hipótesis de Mundo ARN y el concepto de las redes catalíticas primordiales avanzaron mucho el entendimiento de cómo fue el amanecer de la vida.

También se está entendiendo mejor en qué entorno puede haber surgido la vida con más facilidad. Mientras que la hipótesis que fue alrededor de las fuentes hidrotermales submarinas, sigue gozando bastante apoyo, se considera ahora que los primeros organismos aparecieron más probablemente en charcas en tierra, expuestas a una alternancia de fases húmedas y secas.

Tales entornos pueden existir también en otros cuerpos celestes. Por ejemplo, algunas de las lunas en nuestro propio sistema planetario cuentan con océanos y posible actividad hidrotermal, donde puede haberse desarrollado algún tipo de vida. En una entrega anterior (El preludio de la vida (5): Exoatmósferas y la búsqueda de vida extraterrestre) ya hablamos, en este sentido, de la luna Europa de Júpiter.

Si lograron desarrollarse organismos en la tierra, a partir de compuestos prebióticos que se encuentran también fuera de nuestro planeta, es posible que lo mismo haya ocurrido también en otros mundos, dadas unas condiciones adecuadas. Pero por los momentos, somos nosotros los únicos seres conocidos capaces de admirar la naturaleza y de preguntarse cómo puede haber surgido la vida.

 

Nota: la foto en el encabezado de esta entrega muestra una fuente hidrotermal submarina. El agua que brota del fondo marino tiene una temperatura de más de 100°C, pero no llega a hervir debido a la alta presión que ejerce la columna de agua. Los minerales traídos por el agua hidrotermal se cristalizan y forman chimeneas, altas hasta algunas decenas de metros. Crédito: SOI/ROV ROPOS. Fuente: https://www.smithsonianmag.com/innovation/scientists-explore-breakthaking-hydrothermal-vents-virtual-reality-180959266.

 

[1]    Adam, Z.R., Zubarev, D., Aono, M. y Cleaves, H.J., 2017. Subsumed complexity: abiogenesis as a by-product of complex energy transduction. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A, 375, 20160348. http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/roypta/375/2109/20160348.full.pdf.

[2]    Ver: https://phys.org/news/2009-12-shallow.html.

[3]    Lancet, D., Zidovetzki, R. y Markovitch, O., 2018. Systems protobiology: origin of life in lipid catalytic networks. Journal Royal Society Interface, 15, 20180159. http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/royinterface/15/144/20180159.full.pdf.  Wächtershäuser, G., 1988. Before enzymes and templates: theory of surface metabolism. Microbiological Reviews, 52 (4), 452-484. http://mmbr.asm.org/content/52/4/452.full.pdf.

[4]    Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Nutrici%C3%B3n_heter%C3%B3trofa.

[5]    Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Nutrici%C3%B3n_aut%C3%B3trofa.

[6]    Miller, S.L., 1953. A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science, 117 (3046), 528-529. http://science.sciencemag.org/content/117/3046/528.

[7]    Wächtershäuser, G., 1990. Evolution of the first metabolic cycles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 87, 200-204. www.pnas.org/content/pnas/87/1/200.full.pdf.  Lazcano, A. y Miller, S.L., 1996. The origin and early evolution of life: prebiotic chemistry, the pre-RNA world, and time. Cell, 85, 793-798. www.cell.com/fulltext/S0092-8674(00)81263-5.

[8]    Varma, S.J., Muchowska, K.B., Chatelain, P. y Moran, J., 2018. Native iron reduces CO2 to intermediates and end-products of the acetyl-CoA pathway. Nature Ecology & Evolution, 2, 1019-1024. www.nature.com/articles/s41559-018-0542-2.

[9]    Ver: https://phys.org/news/2009-12-shallow.html.

[10] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Krebs.

[11] Springsteen, G., Yerabolu, J.R., Nelson, J., Rhea, C.J. y Krishnamurthy, R., 2017. Linked cycles of oxidative decarboxylation of glyoxylate as protometabolic analogs of the citric acid cycle. Nature Communications, 9, 91. www.nature.com/articles/s41467-017-02591-0.

[12] Wächtershäuser, G., 1988. Pyrite formation, the first energy source for life: a hypothesis. Systematic and Applied Microbiology, 10 (3), 207-210. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0723202088800018.  Blöchl, E., Keller, M., Wächtershäuser, G. Y Stetter, K.O., 1992. Reactions depending on iron sulfide and linking geochemistry with biochemistry. Proceedings of the National Academy of Sciences, 89, 8117-8120. www.pnas.org/content/89/17/8117.  Huber, C. y Wächtershäuser, G., 1997. Activated acetic acid by carbon fixation on (Fe,Ni)S under primordial conditions. Science, 276 (5310), 245-247. http://science.sciencemag.org/content/276/5310/245.full.

[13] Guzman, M.I. y Martin, S.T., 2009. Prebiotic metabolism: production by mineral photoelectrochemistry of a-ketocarboxylic acids in the reductive tricarboxylic acid cycle. Astrobiology, 9 (9), 833-842. www.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/ast.2009.0356.

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[23] Miller, 1953. Ver nota 6.

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[25] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Dominio_(biolog%C3%ADa).

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[27] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Archaea.

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[33] Ver: https://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_hidrotermal.

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[41] Guzman y Martin, 2009. Ver nota 13.

[42] But if (& oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia & phosphoric salts,—light, heat, electricity &c present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes… Ver: www.darwinproject.ac.uk/letter/DCP-LETT-7471.xml.

[43] Ver: www.astrobio.net/retrospections/from-soup-to-cells-measuring-the-emergence-of-life.

[44] Lahav, N., White, D. y Chang, S., 1978. Peptide formation in the prebiotic era: thermal condensation of glycine in fluctuating clay environments. Science, 201 (4350), 67-69. http://science.sciencemag.org/content/201/4350/67.

[45] Van Kranendonk y otros, 2017. Ver nota 40. Deamer, D., 2017. The role of lipid membranes in life’s origin. Life, 7(1), 5. www.mdpi.com/2075-1729/7/1/5.

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[55] Nowak y Ohtsuki, 2008. Ver nota 21.

[56] Deamer, D., 2009. Evolution makes sense of biochemistry. 2009 AAAS Annual Meeting, Chicago. Ver: https://evolutionnews.org/2009/03/id_at_the_aaas_annual_meeting.

2 comentarios en “Los albores de la vida (4): Amanecer con una nueva luz

  1. …”¿Y que pudiera estarse desarrollando, aun hoy en día, alguna novedosa forma de vida a partir de materia inanimada?”….Solo puedo pensar en que ocurra “la vida” despuès de la Inteligencia Artificial ….

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