El debate entre biólogos y químicos sobre si la vida comenzó en la tierra o bajo el mar. Rachel Brazil analiza los argumentos

La pregunta «¿Cómo empezó la vida?» está estrechamente relacionada con la pregunta «¿Dónde empezó la vida?». La mayoría de los expertos coinciden en el «cuándo»: hace entre 3.800 y 4.000 millones de años. Pero aún no hay consenso sobre el entorno que pudo propiciar este acontecimiento. Desde su descubrimiento, se ha sugerido que los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas fueron el lugar de nacimiento de la vida, en particular los respiraderos alcalinos, como los encontrados en el yacimiento de «la Ciudad Perdida», en el Atlántico medio. Pero no todo el mundo está convencido de que la vida empezó en el mar; muchos dicen que la química no funciona y buscan un lugar de nacimiento en tierra. Con varias hipótesis en juego, la carrera está en marcha para reproducir las condiciones que permitieron el surgimiento de la vida.

En 1977, se descubrió el primer respiradero hidrotermal de aguas profundas en la dorsal medio-oceánica del Este del Pacífico. Denominados «fumadores negros», los respiraderos emiten agua calentada geotérmicamente hasta 400°C, con altos niveles de sulfuros que se precipitan al contacto con el océano frío para formar el humo negro. En el año 2000 se descubrió un nuevo tipo de respiradero hidrotermal alcalino de aguas profundas que se encuentra un poco fuera del eje de las dorsales oceánicas. El primer yacimiento, conocido como la Ciudad Perdida, se descubrió en el fondo marino de la montaña del Macizo de la Atlántida en el Atlántico medio.

Los respiraderos se forman mediante un proceso conocido como serpentinización. La roca del fondo marino, en particular el olivino (silicato de hierro y magnesio) reacciona con el agua y produce grandes volúmenes de hidrógeno. En la Ciudad Perdida, cuando los fluidos alcalinos cálidos (45-90°C y pH 9-11) se mezclan con el agua de mar, crean chimeneas blancas de carbonato de calcio de 30 a 60 m de altura.

En 1993, antes de que se descubrieran realmente las fumarolas alcalinas, el geoquímico Michael Russell, del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la Nasa, en California (EE.UU.), sugirió un mecanismo por el que la vida podría haber comenzado en dichas fumarolas.1 Sus ideas, actualizadas en 2003,2 sugieren que la vida surgió al aprovechar los gradientes de energía que existen cuando el agua alcalina de los respiraderos se mezcla con el agua de mar más ácida (se cree que los primeros océanos contenían más dióxido de carbono que ahora).

Esto refleja la forma en que las células aprovechan la energía. Las células mantienen un gradiente de protones bombeando protones a través de una membrana para crear un diferencial de carga del interior al exterior. Conocida como la fuerza motriz de los protones, esto se puede equiparar a una diferencia de unas 3 unidades de pH. Se trata de un mecanismo de almacenamiento de energía potencial que puede aprovecharse cuando los protones atraviesan la membrana para fosforilar el difosfato de adenosina (ADP) y fabricar ATP.

La teoría de Russell sugiere que los poros de las chimeneas de las chimeneas hidrotermales proporcionan plantillas para las células, con la misma diferencia de 3 unidades de pH a través de las finas paredes minerales de los microporos interconectados de las chimeneas que separan el agua del mar. Esta energía, junto con los minerales catalíticos de sulfuro de hierro y níquel, permitió la reducción del dióxido de carbono y la producción de moléculas orgánicas, luego moléculas autorreplicantes y, finalmente, verdaderas células con sus propias membranas.

Jardines químicos

La química Laura Barge, también científica investigadora del JPL, está poniendo a prueba esta teoría utilizando jardines químicos, un experimento que quizá hayas realizado en la escuela. Al observar los jardines químicos, «uno piensa que es la vida, pero definitivamente no lo es», dice Barge, que se especializa en sistemas químicos autoorganizados. El clásico jardín químico se forma añadiendo sales metálicas a una solución reactiva de silicato de sodio. Los aniones de metal y silicato precipitan para formar una membrana coloidal semipermeable gelatinosa que encierra la sal metálica. Esto establece un gradiente de concentración que proporciona el impulso para el crecimiento de columnas huecas parecidas a plantas.

«Empezamos a simular lo que se podría obtener con un fluido de ventilación y el océano y podemos hacer crecer pequeñas chimeneas – son esencialmente como jardines químicos», explica Barge. Para imitar el océano primitivo, ha inyectado soluciones alcalinas en soluciones ácidas ricas en hierro, creando chimeneas de hidróxido de hierro y sulfuro de hierro. A partir de estos experimentos, su equipo ha demostrado que pueden generar electricidad: algo menos de un voltio a partir de cuatro jardines, pero suficiente para alimentar un LED3 , lo que demuestra que es posible reproducir el tipo de gradientes de protones que proporcionan energía en los respiraderos de las profundidades marinas.

Nick Lane, bioquímico del University College de Londres (Reino Unido), también ha intentado recrear sistemas geoelectroquímicos prebióticos con su reactor de los orígenes de la vida. Es partidario de la teoría de Russell, aunque no está conforme con la etiqueta de «primero el metabolismo» que se le suele dar, en oposición a la teoría de «primero la información», que supone que la síntesis de moléculas de ARN replicantes fue el primer paso hacia la vida. Se las presenta como opuestas, pero creo que eso es una tontería», dice Lane. Tal y como yo lo veo, estamos tratando de averiguar cómo se llega a un mundo en el que hay selección y se puede dar lugar a algo como los nucleótidos».

Lane se ha visto persuadido por lo estrechamente que se alinean la geoquímica y la bioquímica. Por ejemplo, minerales como la greigita (Fe3S4) se encuentran en el interior de los respiraderos y muestran algunas relaciones con los grupos de hierro y azufre que se encuentran en las enzimas microbianas. Podrían haber actuado como enzimas primitivas para la reducción del dióxido de carbono con hidrógeno y la formación de moléculas orgánicas. ‘También hay diferencias, las barreras son más gruesas y demás, pero la analogía es muy precisa y entonces la pregunta se convierte en «¿Es factible que estos gradientes naturales de protones rompan la barrera de la reacción entre el hidrógeno y el dióxido de carbono?»‘

El sencillo reactor de los orígenes de la vida4, de sobremesa y de flujo abierto, de Lane simula las condiciones de las fumarolas hidrotermales. A un lado de una barrera catalítica semiconductora de hierro, níquel y azufre, se bombea un fluido alcalino que simula los fluidos del respiradero y, al otro lado, una solución ácida que simula el agua del mar. Además de los caudales, las temperaturas pueden variar en ambos lados. A través de la membrana, «el primer paso es intentar que el dióxido de carbono reaccione con el hidrógeno para producir sustancias orgánicas, y parece que tenemos éxito en la producción de formaldehído de esa manera», dice Lane.

Hasta ahora los rendimientos han sido muy bajos, pero Lane considera que tienen «una prueba de principio». Están trabajando para replicar sus resultados y demostrar que el formaldehído que se observa no procede de otra fuente, como la degradación de los tubos. En las mismas condiciones, Lane afirma que también han sido capaces de sintetizar bajos rendimientos de azúcares, incluyendo un 0,06% de ribosa, a partir de formaldehído, aunque no con la concentración de formaldehído producida sólo por el reactor.

Cavando más profundo

Investigando en respiraderos hidrotermales, el geoquímico Frieder Klein, de la Institución Oceanográfica de Woods Hole, en Estados Unidos, ha descubierto una variación en la historia del origen de las profundidades marinas. Ha hallado indicios de vida en rocas situadas bajo el lecho marino que podrían haber proporcionado el entorno adecuado para el inicio de la vida.

Klein y sus colegas analizaron muestras de núcleos perforados en el margen continental ibérico frente a la costa de España y Portugal en 1993. Las muestras procedían de rocas situadas a 760 m por debajo del fondo marino actual, que habrían estado a 65 m por debajo del primer fondo oceánico no sedimentado. En las muestras vio unas vetas de aspecto inusual, compuestas por minerales que también se encuentran en el sistema hidrotermal de Ciudad Perdida. Eso me intrigó porque este conjunto de minerales sólo se forma cuando se mezclan fluidos hidrotermales con agua de mar», dice Klein. Esto sugiere que una química similar podría estar ocurriendo bajo el suelo marino.

Dentro de estas vetas, fechadas hace 120 millones de años, el equipo de Klein encontró la inclusión de microbios fosilizados. Sugiere que las propiedades desecantes del mineral brucita (Mg(OH)2) podrían explicar la conservación de las moléculas orgánicas de los microbios. Entre ellas se encuentran aminoácidos, proteínas y lípidos, que fueron identificados mediante espectroscopia Raman confocal. Klein dice que al principio se mostró escéptico, pero el análisis de las muestras extraídas confirmó la existencia de biomarcadores lipídicos únicos para las bacterias y arqueas reductoras de sulfato, que también se encuentran en el sistema de respiraderos hidrotermales de Lost City5. Las imágenes de MEB mostraron inclusiones de carbono que, según él, «parecían microcolonias de microorganismos»

Aunque, obviamente, estas muestras son mucho más jóvenes, «la presencia de estos microbios nos dice que la vida es posible en los entornos del fondo marino en los sistemas hidrotermales, que probablemente estaban presentes y activos en la mayor parte de la Tierra primitiva», observa Klein. ‘El fondo submarino representa otro entorno más protegido’.’

Encerrados

Pero no todo el mundo está de acuerdo en que la vida comenzó en los sistemas hidrotermales de las profundidades marinas. Armen Mulkidjanian, de la Universidad de Osnabruck, en Alemania, dice que hay varios problemas importantes con la idea, uno de ellos es la concentración relativa de iones de sodio y potasio que se encuentra en el agua de mar en comparación con las células.

Mulkidjanian invoca lo que él llama el principio de conservación de la química: una vez establecidos en cualquier entorno, los organismos conservarán y desarrollarán mecanismos para proteger su arquitectura bioquímica fundamental. Por lo tanto, dice que no tiene sentido que las células que contienen 10 veces más potasio que sodio tengan su origen en el agua de mar, que tiene 40 veces más sodio que potasio. Su hipótesis es que las protocélulas deben haber evolucionado en un entorno con más potasio que sodio, y que sólo desarrollaron bombas de iones para eliminar el sodio no deseado cuando su entorno cambió.

Mulkidjanian cree que la vida podría haber surgido de sistemas geotérmicos, como los campos geotérmicos siberianos de Kamchatka, en el Extremo Oriente ruso. ‘Empezamos a buscar dónde podíamos encontrar condiciones con más potasio que sodio y lo único que encontramos fueron sistemas geotérmicos, sobre todo donde hay vapor que sale de la tierra’, explica. Sólo las piscinas creadas a partir de respiraderos de vapor tienen más potasio que sodio; las formadas a partir de respiraderos geotérmicos de líquido siguen teniendo más sodio que potasio. En la actualidad existen un puñado de sistemas de este tipo, en Italia, EE.UU. y Japón, pero Mulkidjanian sugiere que en la Tierra primitiva, más caliente, cabría esperar muchos más.

David Deamer, de la Universidad de California en Santa Cruz (EE.UU.), lleva más de 50 años estudiando las macromoléculas y las membranas lipídicas. Llega a este campo desde un punto de vista ligeramente diferente, que algunos han denominado «primero la membrana». Pero, dice, «estoy bastante seguro de que la mejor manera de entender el origen de la vida es darse cuenta de que se trata de un sistema de moléculas que funcionan todas juntas, igual que en la vida actual». La ubicación «se reduce a un juicio de plausibilidad por mi parte», reflexiona.

Uno de los mayores argumentos en contra de un origen en las profundidades del mar es el hecho de que se encuentren tantas macromoléculas en la biología. El ADN, el ARN, las proteínas y los lípidos son todos polímeros y se forman mediante reacciones de condensación. Se necesita un entorno fluctuante, a veces húmedo y a veces seco: un periodo húmedo para que los componentes se mezclen e interactúen y luego un periodo seco para que se elimine el agua y estos componentes puedan formar un polímero», explica Mulkidjanian. No hay forma de que este tipo de cosas ocurran en una chimenea hidrotermal porque no se pueden tener ciclos húmedos y secos», añade Deamer. En los campos hidrotermales continentales se producen ciclos húmedos y secos todos los días. Esto permite la concentración de reactivos así como la polimerización.

La suposición de que la selección natural es incapaz a lo largo de 4.000 millones de años de llegar a una mejora creo que es una locura

Deamer ha estado intentando crear sus propias protocélulas en el laboratorio – mezclando lípidos y componentes de ARN monofosfato de adenosina y monofosfato de uridina. Cuando se secan, los lípidos se autoensamblan en estructuras similares a las de las membranas, y si los nucleótidos quedan atrapados entre las capas de lípidos, sufrirán una esterificación para producir polímeros similares al ARN. A lo largo de múltiples ciclos de secado y mojado, el rendimiento aumenta hasta el 50%.6

Deamer ha confirmado la presencia de estos polímeros en el interior de las «protocélulas» mediante técnicas de secuenciación directa del ARN. ‘Realmente tenemos moléculas monocatenarias que están en el rango de tamaño del ARN biológico’, pero Deamer advierte que no se trata de ARN tal y como está en un organismo biológico. Creó una mezcla de ARN, algunos con grupos de fosfato unidos como lo están en la naturaleza, pero otros unidos «de forma no natural», que concluye que «deben haber sido objeto de selección y evolución en estas pequeñas protocélulas».

Pero el campo de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas no está dispuesto a tirar la toalla todavía. Barge afirma que el entorno de los respiraderos podría permitir la concentración de reactivos y las reacciones de condensación. «Hay geles por todo el fondo marino, hay minerales que absorben cosas y en la propia membrana hay geles, por lo que se pueden dar condiciones de reacción deshidratante aunque todo el sistema sea acuoso».

Lane también rechaza la idea de que los niveles de iones de potasio o sodio puedan fijar futuros procesos metabólicos. ‘La suposición de que la selección natural es incapaz, a lo largo de 4.000 millones de años, de dar con una mejora, creo que es una locura’, explica Lane. En mi opinión, la selección impulsa el equilibrio iónico intracelular». Cree que la vida habría sido muy capaz de evolucionar en un entorno rico en sodio y, con el tiempo, desarrollar las bombas de eliminación de iones que crean las actuales células ricas en potasio.

Viendo la luz

Otro punto de controversia es la presencia o ausencia de luz ultravioleta (UV). Esta podría ser una fuerte influencia en un escenario de origen terrestre sin capa de ozono protectora en la Tierra primitiva, pero completamente ausente en la teoría del mar profundo. La relativa estabilidad a la luz UV de los nucleótidos de ARN sugiere que la selección se produjo con luz UV, en la superficie de la Tierra y no en el mar.

Esto también apoyaría la innovadora síntesis de ARN propuesta en 20097 por John Sutherland, del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica del Reino Unido, en Cambridge, y su síntesis sugerida en 2015 de precursores de ácidos nucleicos comenzando sólo con cianuro de hidrógeno (HCN), sulfuro de hidrógeno (H2S) y luz UV.8 La iluminación con luz UV durante 10 días enriqueció los rendimientos de los nucleótidos biológicos, lo que añade peso a su selección favorecida por la luz UV. Mulkidjanian también ha sugerido que los precipitados de sulfuro de zinc podrían haber actuado como catalizadores para la reducción del dióxido de carbono utilizando la luz UV, una forma temprana de fotosíntesis que él llama el escenario del «mundo del zinc»

Pero según Lane, «hay un gran problema con la vida que evoluciona con la luz UV, es decir, ninguna vida actual utiliza la UV como fuente de energía – tiende a destruir las moléculas en lugar de promover la bioquímica». También argumenta que la química sintética propuesta en dicho esquema terrestre no se parece a la vida tal y como la conocemos. ‘Se empieza con cánidos o con la fotosíntesis de sulfuro de zinc y se acaba con una especie de química Frankenstein’, dice Lane. La química podría funcionar, pero unirla a la vida tal y como la conocemos, yo diría que es casi imposible»

División disciplinaria

Mirando más de cerca, la división entre los que apoyan un origen terrestre y los que apoyan un origen oceánico está dividida entre disciplinas. Los químicos sintéticos se inclinan en general por un origen continental y los geólogos y biólogos por las fuentes hidrotermales de las profundidades marinas. Los químicos argumentan que es imposible hacer la química en los respiraderos hidrotermales, mientras que los biólogos argumentan que la química terrestre propuesta no se parece a nada de lo que se ve en la bioquímica y no reduce la brecha entre la geoquímica y la bioquímica.

¿Hay entonces una manera de unir las disciplinas? ‘Por el momento no hay mucho terreno común entre estas ideas’, dice Lane. Deamer está de acuerdo.

Los problemas más pequeños se podrán resolver – eso es lo que me hace salir de la cama por la mañana

Lo que se necesita es esa pieza asesina de evidencia o experimento que podría unir los puntos y explicar cómo y dónde comenzó la vida desde un mundo prebiótico. Sería un gran avance si pudiéramos encontrar una ribozima entre todos estos trillones de polímeros aleatorios que estamos fabricando», sugiere Deamer. Las ribozimas son catalizadores de ARN que forman parte de la maquinaria de síntesis de proteínas de la célula, pero son candidatas a ser las primeras moléculas autorreplicantes.

Las pruebas adicionales para apoyar los orígenes de la vida en los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas se centran en mostrar un conjunto plausible de pasos metabólicos que conducen a moléculas complejas. Según Barge, en el JPL están estudiando el comportamiento de los aminoácidos en sus jardines químicos. ‘Estamos trabajando en hacer un aminoácido, y luego ver si se atascan en las chimeneas y si se pueden concentrar y tal vez hacer algunos péptidos.’

‘Hay problemas y dificultades,’ reconoce Lane. ‘¿Podemos realmente hacer que el dióxido de carbono reaccione con el hidrógeno para hacer moléculas más complejas como aminoácidos y nucleótidos? Estoy bastante seguro de que podemos hacerlo, pero soy consciente de que aún no lo hemos demostrado’. Otras cuestiones difíciles son si las membranas lipídicas pueden estabilizarse en el agua de mar, con sus altas concentraciones de iones de calcio y magnesio. Pero dice Lane que el gran problema de la fuerza motriz termodinámica está resuelto por los respiraderos hidrotermales. Lo que me hace confiar en que los problemas más pequeños también se podrán resolver en ese contexto, aunque ahora parezcan difíciles; eso es lo que me hace levantarme de la cama por la mañana».

Por supuesto, existe otra posibilidad: que la vida no haya comenzado en la Tierra. La panspermia -la teoría de que la vida fue sembrada desde el espacio- parece excéntrica, pero no todo el mundo la descarta. Según Deamer, «se puede argumentar que la vida comenzó en Marte, porque fue el primero en enfriarse a una temperatura que podía albergar vida».

Sea esto así o no, la vida en otros lugares es ciertamente factible. La luna de Júpiter, Europa, y la de Saturno, Encélado, son candidatas porque ambas tienen océanos bajo cáscaras heladas. En los próximos cinco años, la NASA tiene previsto enviar una sonda espacial a estas dos lunas para buscar signos de vida. Comprender nuestra propia historia de origen podría ayudarnos a saber dónde buscar.

1 M J Russell, R M Daniel y A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin y M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel y D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland y J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem, 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

Este artículo se reproduce con permiso de Chemistry World. El artículo se publicó por primera vez el 16 de abril de 2017.