“Un mundo de agua” el origen de la vida

“Mundo de Agua” y el origen de la vida
Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech
Un formidable problema aún no resuelto por la ciencia es el origen de la vida.

No es de extrañar. 

Lo que sucedió para que, desde el mundo inanimado, se generaran los primeros sistemas que pudieran ser llamados vivos es, probablemente, el “culebrón molecular” más largo del universo conocido, y cuenta ciertamente con cientos o miles de “temporadas” y “episodios”. 

Partir de la simplicidad y alcanzar la complejidad de lo vivo supone un largo viaje con múltiples etapas. 

Averiguar cuáles han sido estas, acaecidas hace miles de millones de años, y su razón de ser, es una tarea que no es razonable suponer pueda haberse resuelto en las pocas décadas de amanecer científico y tecnológico de las que la Humanidad ha disfrutado.

Pero amanece, que no es poco. Las primeras etapas del origen de la vida cuentan ya con propuestas muy razonables, incluso confirmadas por algunos experimentos. 

Una de ellas es la generación de biomoléculas a partir de constituyentes inorgánicos simples, como el amoniaco, el nitrógeno o el dióxido de carbono.

Desde los experimentos de Miller y Urey, realizados en los años 50 del siglo XX, es conocido que diversos eventos de la Tierra primitiva, como fuertes tormentas eléctricas, podrían haber inducido la generación de aminoácidos y nucleótidos, los componentes de las proteínas y del ARN y ADN, respectivamente. 

Esta posibilidad llevó a proponer la existencia de un “mundo de ARN” primitivo como el primer estadio de la vida.

La idea es muy atractiva, pero sufre de un grave problema. 

Para generar las primeras moléculas orgánicas y formar con ellas moléculas más complejas, como los nucleótidos, y crear a partir de estos cadenas de ARN, es necesario que las moléculas reaccionen en condiciones de elevada concentración, es decir, que haya una densa población de moléculas que pueden encontrarse unas con otras para reaccionar de manera razonablemente eficaz. 

Sin embargo, en los océanos, lagos y ríos de la Tierra primitiva, la concentración de las moléculas orgánicas que podrían haberse formado era demasiado pequeña. 

Este problema se denomina el problema de la concentración del origen de la vida.

El problema carecía de solución hasta que, en 2007, un grupo de investigadores propuso un mecanismo de concentración molecular en las llamadas fuentes hidrotermales submarinas. 

Fuente hidrotermal oceánica
Fuente hidrotermal oceánica
Estas son como geiseres o fumarolas en el fondo oceánico que emiten agua muy caliente, de origen geotérmico. 

Estas fuentes pudieron ser mucho más comunes en la Tierra primitiva de lo que son en la actualidad. 

El agua que emiten contiene minerales disueltos que se solidifican a medida que entran en contacto con el agua más fría del océano, y pueden así generar estructuras sólidas, como chimeneas, que pueden alcanzar varios metros de altura. 

Estas estructuras minerales son muy porosas, parecidas a la piedra pómez.

Estudio apoya la teoría del “Mundo de Agua” para el origen de la vida .
La vida echó raíces hace más de cuatro mil millones años en nuestra naciente Tierra, un lugar más húmedo y más duro que ahora, bañado por chisporroteantes rayos ultravioleta.

Lo que comenzó como simples células finalmente se transformó en mohos del fango, ranas, elefantes, seres humanos y el resto de los reinos vivos de nuestro planeta.

¿Cómo empezó todo?

Imagen del fondo del océano Atlántico que muestra una colección de torres calcáreas conocidas como la “Ciudad Perdida”.

Se ha sugerido que las chimeneas alcalinas hidrotermales de este tipo son el lugar de nacimiento de los primeros organismos vivos de la Tierra antigua. 

Un nuevo estudio de investigadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro y el Instituto de Astrobiología de la NASA describe cómo la energía eléctrica producida de forma natural en el fondo del mar pudo haber dado origen a la vida en la Tierra hace 4.000 millones de años.

Aunque los científicos ya habían propuesto esta hipótesis -llamada “aparición de vida hidrotermal alcalina submarina”- el nuevo estudio reúne décadas de trabajo de campo, de laboratorio e investigación teórica en un gran imagen unificada.

Según los resultados, sustentados en la teoría del “mundo de agua”, la vida pudo haber comenzado en el interior de fondos marinos cálidos, en un tiempo remoto cuando los océanos se extendían por todo el planeta.

Esta idea de las fuentes hidrotermales como posibles lugares para el origen de la vida fue propuesta por primera vez en 1980 tras estudiarse en el fondo del mar cerca de Cabo San Lucas, México.

Llamadas “fumarolas negras” son respiraderos de burbujas con agua hirviendo y fluidos ácidos calientes. Por el contrario, los respiraderos de ventilación en el nuevo estudio -la hipótesis del científico Michael Russell del JPL en 1989- son más suaves y se filtran con líquidos alcalinos.

Uno de estos complejos de estos respiraderos alcalinos se encontró casualmente en el Océano Atlántico Norte en 2000, y fue apodado la Ciudad Perdida.

“La vida se aprovecha de los estados de desequilibrio en el planeta, como puede haber sido el caso hace miles de millones de años en los respiraderos hidrotermales alcalinos”, dijo Russell. “La vida es el proceso que resuelve estos desequilibrios”.

La teoría del mundo de agua de Russell y su equipo dice que las cálidas fuentes hidrotermales alcalinas mantienen un estado de desequilibrio con respecto al antiguo entorno ácido de los alrededores en el océano, que podría haber proporcionado la llamada energía libre para impulsar el surgimiento de la vida.

De hecho, los respiraderos de ventilación podrían haber creado dos desequilibrios químicos.

El primero fue un gradiente de protones, donde los protones -los iones de hidrógeno- se concentraron más en el exterior de las chimeneas de ventilación.

El gradiente de protones podría haber sido aprovechado para la energía -algo que nuestros propios cuerpos hacen todo el tiempo en las estructuras celulares llamadas mitocondrias.

El segundo desequilibrio podría haber implicado un gradiente eléctrico entre los fluidos hidrotermales y el océano. Hace miles de millones de años, cuando la Tierra era joven, sus océanos eran ricos en dióxido de carbono.

Cuando el dióxido de carbono del océano y de los combustibles de la ventilación -hidrógeno y metano- surgió a través de la pared de los respiraderos, los electrones pudieron haber sido transferidos.

Estas reacciones podrían haber producido los compuestos de carbono -u otros orgánicos más complejos- que contienen ingredientes esenciales de la vida tal como la conocemos.

Al igual que los gradientes de protones, los procesos de transferencia de electrones se producen regularmente en las mitocondrias.

Como pasa con todas las formas de vida avanzadas, las enzimas son la clave para que las reacciones químicas ocurran.

En nuestros antiguos océanos, los minerales pueden haber actuado como enzimas, interactuando con los productos químicos alrededor y conducir reacciones.

En la teoría del mundo de agua, dos tipos diferentes de “motores” de minerales podrían haber delineado las paredes de las estructuras del respiradero.

Uno de los pequeños motores se cree que ha utilizado un mineral conocido como óxido verde, lo que le permite aprovechar las ventajas del gradiente de protones para producir una molécula que contiene fosfato que almacena energía.

Los poros de estas estructuras son como cilindros muy finos que se forman en las pareces minerales a medida que estas crecen. Estos cilindros tienen una abertura y un fondo. Son como minúsculas cuevas en la estructura mineral. 

Pues bien, los investigadores se dieron cuenta de que los procesos de dinámica de fluidos generados en estas minúsculas perforaciones, debido a la diferencia de temperatura entre el agua emitida por la fuente hidrotermal y el agua fría del océano, eran capaces de mover las moléculas disueltas y concentrarlas en el fondo de los cilindros.

El proceso de concentración es sencillo de entender. El agua en el interior de uno de esos minúsculos cilindros se mueve en dos direcciones: desde la entrada al fondo, y regreso, y desde la pared caliente del cilindro a la pared fría. 

Este movimiento consigue que las moléculas se acumulen en una zona del fondo del cilindro. Es un proceso similar al que podemos observar en días de viento, en los que el polvo, las hojas caídas o la basura se acumulan en determinados lugares y no en otros. 

Debido al flujo del viento y a su interacción con los obstáculos con los que pueda encontrarse, este deposita y concentra las partículas que arrastra en ciertos puntos, como en una esquina o en el fondo de un muro.
Algo similar sucede con las moléculas arrastradas por el agua de las fuentes hidrotermales que penetra en esos pequeñísimos cilindros. 

Los investigadores calculan que de este modo las moléculas pueden concentrarse miles o incluso millones de veces. 

En el caso de los nucleótidos, esto es suficiente como para comenzar a generar cadenas de ARN o ADN.

El proceso anterior puede explicar la formación de ARN o ADN a partir de nucleótidos ya formados, pero para formar los nucleótidos desde componentes más simples también se requiere que estos estén concentrados de manera que las reacciones químicas puedan proceder a una velocidad aceptable. 

Uno de estos componentes fundamentales es la formamida, formada por un átomo de carbono, uno de oxígeno, uno de nitrógeno y tres de hidrógeno, es decir, todos los necesarios para formar los cuatro nucleótidos. 

De hecho, se ha comprobado que a partir de formamida todos los nucleótidos conocidos pueden ser sintetizados.

Esta molécula podría haber sido fácilmente formada en la Tierra primitiva a partir de dióxido de carbono y amoniaco.

¿Podría la formamida concentrarse también en los cilindros minerales y formar así nucleótidos?

Investigadores de varias universidades alemanas exploran por métodos teóricos esta cuestión fundamental para el origen de la vida y concluyen no solo que esto es posible, sino que este proceso es particularmente favorecido en el caso de la formamida.
El otro motor se cree que ha dependido de un metal raro llamado molibdeno.

“La teoría de Michael Russell se originó hace 25 años y, desde ese momento, las misiones espaciales de JPL han encontrado una fuerte evidencia de océanos de agua líquida y fondos rocosos en Europa y Encelado”, dijo Laurie Barge, investigadora del JPL.

“Hemos aprendido mucho sobre la historia del agua en Marte, y pronto podemos encontrar planetas similares a la Tierra alrededor de estrellas lejanas.

Al probar esta hipótesis del origen de la vida en el laboratorio de JPL, podemos explicar cómo la vida podría haber surgido en otros lugares de nuestro Sistema Solar o más allá, y también tener una idea de cómo buscarla”.

Estos estudios sugieren que la vida podría haber tenido un origen geotérmico y pueden permitir la planificación de nuevos experimentos para comprobar si las moléculas de la vida se originaron y evolucionaron de esta forma. El viaje continúa.

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