En el principio…¿eran las rocas? Biogénesis

La historia de la vida en la Tierra nos llega contada por las rocas

Al oeste de lo que hoy llamamos Australia, en Jack Hills, los zircones (minerales) muestran su resistencia al tiempo, con 4400 millones de años (Ma), siendo el registro más antiguo de material terrestre.

Allí mismo, en el interior de un zircón más joven (4100 Ma), se encuentra una pista sobre los habitantes de ese mundo primigenio: carbón de origen biológico (1). Esto se explica por la alta relación entre los isótopos 12 C/ 13 C y a que el isótopo más ligero, 12C, es característico del carbono biológico. Anteriormente se habían descubierto evidencias de vida temprana hace 3500 Ma (microfósiles) y 3800 Ma (fósiles químicos) (1).

Pero, ¿cómo aparecen los organismos vivos en la Tierra?

Existe un gran abismo para abordar este tema. Hay algunos enfoques que pueden ayudar.

Por un lado, conocer las condiciones físico-químicas existentes en la Tierra durante el lapso de tiempo en el que se pudo formar vida. Resulta un ejercicio difícil, ya que el registro geológico es escaso, y el biológico nulo.

Y por otro lado, extrapolar desde las formas de vida contemporáneas, podría llevar a no tener en cuenta posibles vías alternativas de síntesis química, extrañas en organismos actuales, pero que podrían haber sido plausibles químicamente (2).

También hay que tener en cuenta las limitaciones en los posibles escenarios del origen de la vida. Algunas restricciones, como la energética, descartan escenarios como el de la famosa sopa primigenia (2). Aparecen, por tanto, escenarios exóticos y poco explorados.

¿Qué limitaría la vida?

La temperatura. Es clave, ya que influye en el estado líquido del agua. Algunos organismos pueden crecer y reproducirse a temperaturas por debajo del punto de congelación, -12ºC, modificándolo mediante sales y otros solutos intracelulares. A altas temperaturas, se encuentran arqueas con membranas lipídicas que permiten vivir a temperaturas de hasta 112ºC (3).

La presión. Hay vida a altísimas presiones, en las fosas más profundas de los océanos, y en la corteza terrestre, hasta los 5 km de profundidad, donde se suma el gradiente geotérmico. Y mirando hacia arriba, en las nubes, se pueden encontrar bacterias en ecosistemas nebulosos (4).

El agua. Parece evidente que la vida requiere de agua, pero, ¿mucha? En ambientes secos, pequeñas comunidades de organismos fotótrofos buscan refugio y agua en las rocas, pudiendo sobrevivir con muy poca humedad (3). La vida ha alcanzado los límites que le proporciona el agua.

La energía. La vida sólo puede existir sustentada por un flujo de energía (2). Podría provenir de procesos geotérmicos o del Sol. La radiación, como los rayos ultravioletas (UV), pueden ser dañinos para los seres vivos, pero muchos microorganismos pueden tolerar dosis muy altas (3).

Incluso teniendo en cuenta la sorprendente capacidad de adaptación de la vida, no todo sirve.

El lego de la vida: bloques de construcción

La vida moderna puede simplificarse en un conjunto finito de componentes químicos funcionales: carbohidratos, proteínas, nucleótidos y lípidos, y otros como los iones metálicos, que son cofactores y tienen función estructural en algunas proteínas (p.ej. la hemoglobina y el hierro), silicio y múltiples oligoelementos (5).

Sin embargo, La vida actual no tiene por qué reflejar la bioquímica usada por los primeros seres vivos. Podría haber habido una química compleja, capaz de llevar acabo distintas rutas competitivas que derivaron en la biología como la conocemos.

Tenemos los actores, ¿y el escenario?

Desde un principio, las formas de vida deberían haber explotado las fuentes de energía naturales presentes en las distintas etapas de la evolución temprana. Estas fuentes deberían ser continuas (en tiempo geológico), y descartar entradas de energía ocasionales que no darían estabilidad al sistema, como tormentas de rayos, bombardeo meteórico, explosiones volcánicas, etc.

Estas restricciones energéticas son útiles para probar distintas hipótesis sobre qué pudo ocurrir con nuestros primeros ancestros.

La hipótesis de la panspermia supondría un escenario extraterrestre en el que los componentes de la vida o la vida misma, viajaría a través del espacio hasta “sembrarse” en la Tierra (3). Podría ser que algunas lunas como Titán o Encélado, incluso el planeta Marte, puedan haber desarrollado vida, o al menos compuestos de especial interés para ella.

Los datos geoquímicos y cosmoquímicos indican que la atmósfera primordial en la Tierra fue dominada por CO2 (6). Este dióxido de carbono pudo ser reducido a compuestos que formarían parte de los bloques de construcción en el origen de la vida. Y probablemente no existiría la capa de ozono (O3), habiendo una mayor exposición a la radiación solar.

El océano primordial tenía condiciones anóxicas (sin oxígeno), lo que permitía la abundancia de algunos metales como el hierro, sin embargo otros también valiosos para la vida no estaban disponibles (7). ¿Entonces?

En los sistemas hidrotermales, como las fumarolas y calderas, se expulsan gases a gran temperatura. En estos sistemas se pueden encontrar compuestos orgánicos e hidrógeno, que pueden provenir de una reacción que ocurre en rocas ultramáficas (en presencia de agua a alta temperatura) llamada serpentinización (8).

Las reacciones de serpentinización también pueden originar compuestos de fósforo (9), esenciales para las células y proteínas (p.ej. ATPasas y GTPasas). De un modo similar, el amoniaco encontrado en aguas termales puede haberse originado por reacciones del dinitrógeno con las rocas (2).

Actualmente, el enriquecimiento de metales de transición (esos que no se hallaban en los océanos primitivos), se encuentran en lugares con actividad hidrotermal (en continentes y océanos), donde los fluidos, a altísimas temperaturas, arrastran los metales desde la corteza terrestre y los transportan hasta el fondo marino (10).

Uno de estos metales es el Zinc (Zn), y puede unirse al azufre, formando sulfuro de zinc (ZnS). Estos cristales son fotocatalizadores, en este caso, facilitando que el CO2 se transforme, mediante el aporte energético de la luz, a otros compuestos orgánicos. Una cosa parecida ocurre con los cationes de hierro (Fe2+), y otros minerales semiconductores (rutilo, wolframita, alabandita, etc.) (2). Estos procesos se conocen como fotosíntesis abiogénica.

Fumarola con cristalillos de azufre. / Wikipedia Commons

Algo curioso es que las proteínas evolutivamente más antiguas, que podrían remontarse al último ancestro común universal, LUCA (Last Universal Common Ancestor), contienen metales de transición como Zinc y Manganeso (11), Wolframio y Molibdeno (12). Lo que quizás implica la disponibilidad de estos metales para las formas de vida primordiales.

Por lo tanto, tendríamos los componentes que podrían dar paso a los bloques de construcción que nos conduciría a nuestros primeros antepasados. Pero, ¿es tan simple? Os adelanto que no.

¿Problemas? siempre

Se parte de que tenemos muy pocos datos sobre el origen de la vida.

Existe una bioquímica común en los seres vivos, y los procesos celulares son enormemente interdependientes, esto dificulta los cambios. Pero no siempre tuvo que ser así. Los primeros organismos pudieron usar una química distinta, siendo la interdependecia fruto de la evolución (13). Pudo haber estructuras previas que dieron lugar a un “andamiaje” a partir del que derivarían las estructuras actuales. Como ocurre, por ejemplo, cuando construimos el arco de una puerta, habrá que soportar la estructura antes.

Otro problema viene de la complejidad de los organismos actuales, estando lejos, en términos evolutivos, de los organismos ancestrales. Esto dificulta la búsqueda primigenia, ya que habría un prejuicio sobre su química y su aspecto “viviente”. Podrían vivir en nuestro salón, y no darnos cuenta.

Por otro lado, las moléculas orgánicas presentes en la bioquímica de organismos actuales, como los nucleótidos, son tremendamente difíciles de obtener y frágiles, aunque esto no quiere decir que no pudiesen darse vías de síntesis plausibles para la formación de nucleótidos en la Tierra primitiva, aunque parezcan poco probables (13).

En el principio…

Resumimos rápidamente. Suponemos que de la Tierra primitiva surgirían las primeras moléculas que formarían los bloques de construcción para la vida (evolución química). Estas moléculas se organizarían (por procesos físico-químicos), apareciendo los primeros seres vivos capaces de evolucionar (evolución biológica).

En este punto me gustaría aclarar que evolución química no es lo mismo que evolución biológica, pero las dos cosas están relacionadas y se asemejan en su proceso de lo simple a lo complejo (13). No debería sorprendernos, pues, que los primeros seres vivos pudiesen ser más parecidos a minerales que a una célula actual (13).

 Esto podría recordarnos a Génesis 1:12 “produjo la tierra vegetación”, y a Génesis 2:7, donde se nos cuenta que Dios moldea al ser humano con arcilla. Pero tendríamos que tener prudencia a la hora de caer en un fácil concordismo, arriesgándonos a que mañana se descubra que era falso.

Orígenes ya dijo en el siglo III acerca de los relatos de la creación: “No creo que nadie dude de que éstas eran expresiones figuradas que se refieren a ciertos misterios a través de una apariencia histórica” (14).

Fuera como fuese, la vida apareció de lo inorgánico, sin duda. Pero si esto fue posible fue debido a las propiedades de la materia en nuestro universo creado por Dios… “y vio Dios que era bueno”.

Daniel Moreno Rodríguez. Estudió Geología en la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y un máster de Química aplicada en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Últimamente colabora con el Centro de Ciencia y Fe.

Bibliografía:

(1) Elizabeth A. Bell, Patrick Boehnke, T. Mark Harrison, and Wendy L. Mao (2015) Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon. PNAS November 24. Vol.112, no.47, pp. 14518-14521.

(2) Richard Egel, Dirk-Henner Lankenau, Armen Y. Mulkidjanian (2011) Origin of Life: The Primal Self-Organization. Ed. Springer.

(3) Christopher P. Mckay (2014) Requerements and limits for life in the context of exoplanets. PNAS September 2. Vol. 111, no.35, pp. 12628-12633.

(4) Simon Conway Morris (2010) Aliens at home? EMBO reports. Vol 1, no. 8, pp. 563.

(5) Caleb Scharf and Leroy Cronin (2015) Quantifying the origins of life on a planetary scale. PNAS July 19. Vol. 113, no. 29, pp. 8127-8132.

(6) Zahnle K. et al (2007) Emergence of a habitable planet. Space Sci Rev 129, pp. 35-78.

(7) Anbar A.D. (2008) Oceans. Elements and evolution. Science 322 pp.1481-1483.

(8) Russell M.J., Arndt N.T. (2005) Geodynamic and metabolic cycles in the Hadean. Biogeosciences 2, pp. 97-111.

(9) Pech H., Henry A., Khachikian C.S., Salmassi T.M., Hanrahan G., Foster K.L. (2009) Detection of geothermal phosphite using high-performance liquid chromatography. Environ Sci Technol 43, pp. 7671-7675.

(10) Tivey M.K. (2007) Generation of seafloor hydrothermal vent fluids and associated mineral deposits. Oceanography 20, pp.50-65.

(11) Mulkidjanian A.Y., Galperin M.Y. (2010) On the abundance of zinc in the evolutionarily old protein domains. Proc Natl Acad Sci USA 107, E.137.

(12) Barbara Schoepp-Cothenet, Robert van Lis, Pascal Philippot, Axel Magalon, Michael J. Russell and Wolfgang Nitschke (2012). The ineluctable requirement for the trans-iron elements molybdenum and/or tungsten in the origin of life. Sci Rep. 2. 263.

(13) A.G. Cairns-Smith. Siete pistas sobre el origen de la vida. Ed. Alianza editoral (2013; traducción del original de 1985).

(14) Origen, First Principles, Butterworth, G. (trad.), Londres: SPCK (1936), libro 4, cap. 3 tomado de Ernest Lucas. La interpretación de Génesis en el siglo XXI. (2007). Documento Faraday 11.