Amigos los invito a leer una amplia información de esta Teoría del Origen de la Vida desde el Fondo del Mar....
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 respiradedor, 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. 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".
Los cimientos de la vida (entrevista a Michael J. Russell)
En la película de animación Horton, un simpático y bonachón elefante descubre por casualidad que dentro de una pequeñísima mota de polvo adherida a los pétalos de una flor existe una civilización. Tras lograr contactar con la máxima autoridad de la misma, su alcalde, hace todo lo que está en su trompa para poner la mota en un lugar seguro, lejos del alcance de los variados avatares del azar que podrían destruirla.
Los Quienes, así llamados los habitantes de tan diminuto lugar, son una peculiar réplica de los humanos a escala molecular. Contradicen con su imaginaria existencia lo que la ciencia conoce sobre los fenómenos que acaecen a dicha escala, pero no mucho más de lo que contradice la realidad de las formas de comunicación animal el hecho de que puedan hablar y comunicarse en un mismo lenguaje con un elefante que, cómo no, también habla.
En una de las escenas de esta divertida película, repleta de esos fantásticos contrasentidos del gusto de los niños y de los no tan niños, el alcalde de la comunidad cuasi-infinitesimal pasea por su pueblo y se cruza con un jefe de obra, que en esos momentos se encuentra dirigiendo la construcción de un edificio. Mientras, el elefante Horton, que sostiene la flor portadora de la mota de polvo sobre la que viven, da un salto juguetón impensable en un elefante, para caer sobre su panza. Él no sabía –nos cuenta el narrador- que una pequeña panzada ahí arriba abajo era un terremoto.
-“Hola Jou, ¡no te canses mucho!” –le estaba diciendo el alcalde al jefe de obra.
Y mientras este le respondía -“¡Bah, estas casas de lujo no se construyen solas!” un temblor brutal de su pequeño mundo elevaba por los aires todos los materiales de construcción, que caían instantes después en perfecto orden con la forma de una casa de lujo ya construida.
El jefe de obra, Jou, exclama: “¡Eh, fíjate! ¡Pues sí que se construyen solas!” A lo que el alcalde repone: “¡¡¡Ooooooh, claro!!! ¡¿Cómo no?!!”.
Y quien lea esto se preguntará por qué cuento este auténtico cuento, y qué podría tener que ver esta fantasía desbocada con la vida. Lo ilustrativo es lo que no tiene que ver. El hecho cierto, que vienen comprobando los científicos desde hace décadas, es que las cosas no se ensamblan solas. No sólo es que no exista la denominada generación espontánea –esto es, que los bichitos no vengan de otros bichitos sino que se formen a partir de una mugre abiótica- es que tampoco en una escala molecular, que es la que está en el cimiento de toda cosa que se precie de llamarse vida, los átomos y moléculas sencillas se juntan alegremente sin que medie una fuerza externa para formar moléculas orgánicas complejas, y, estas últimas, tampoco se unen, como si de sexos opuestos se tratara, para bailar la danza de los procesos celulares, si no tienen un fuego alrededor del cual hacerlo. Las casas de lujo no se construyen solas. Tampoco es cuestión de mucho tiempo y un feliz acontecimiento, ni de que un viento huracanado convierta un depósito de chatarra en un Boeing 747, por utilizar la famosa metáfora contra la selección natural. Es necesario algún proceso físico-químico recurrente en marcha y un contexto en el que se encuentren los átomos y moléculas apropiados en cantidades suficientes y debidamente protegidos de un ambiente termodinámicamente hostil, como la mota del elefante Horton lo estaba sobre la trompa de este.
Una charca en medio de un mundo volcánico, sometida a toda clase de shocks térmicos, o un caldo molecular en un mar inmenso, donde la disolución es máxima, no parecen los lugares más apropiados para que empiecen a combinarse los elementos microscópicos para formar agregados que se repliquen y evolucionen.
La célula viva, con sus membranas externas y sus procesos internos tiene trazas, en sus moléculas de elementos minerales. Sin duda estos estuvieron presentes en el origen de esa la más pequeña unidad de vida (descartemos a los virus, que son sus parásitos y necesariamente vinieron después). Parece plausible que el contenedor de los complejos procesos energéticos y metabólicos de la célula fuera, antes de una membrana fosfolipídica, algún pequeño recoveco rocoso, en algún lugar termodinámicamente activo. Y dicho nicho sin duda proporcionó catalizadores y átomos para la construcción en marcha de lo que en un futuro sería un organismo independiente de dicho sustrato mineral.
¿Pero dónde encontrar dicho recoveco, dicho nido para que eclosionara el huevo de la vida, ese que necesariamente precedió a la gallina? Hubo alguien que predijo el lugar, con una aproximación enorme en cuanto a sus características físico-químicas, pero con muy poca en cuanto a su posición en el espacio. Michael Russell, que hoy trabaja para la NASA, propuso en los años 80 del pasado siglo que la vida tenía que haberse originado en una chimenea hidrotermal del fondo marino. La existencia de chimeneas tales era conocida, así como la floreciente vida que alrededor de ellas se agolpaba, en ecosistemas verdaderamente peculiares. Pero el tipo de chimenea propuesto por Russell no se había visto en ninguna parte, aunque se dedujera su pasada existencia a partir de algunos depósitos de fósiles. Debía de tratarse de una
chimenea alcalina, tal como la define
Nick Lane al hablarnos de ello en su libro sobre los hitos evolutivos. En dichas chimeneas la temperatura no es tan alta como en el otro tipo de chimeneas conocida, las negras y, por supuesto, el ambiente químico en ellas no es ácido, sino básico. Dentro de ellas se forma una intrincada red de celdillas interconectadas por las que fluyen el hidrógeno y el dióxido de carbono sobre una base mineral. El pastel de la vida pudo cocinarse ahí para luego, pues eso, adquirir
vida propia.
La trompa que mantuvo vivos pues a los Quienes bioquímicos que llegarían ser una exuberante biosfera repleta de variadas especies, de auténticos Quienes, dotados de motivaciones y sensaciones, fue rocosa, y se encontraba en las profundidades del océano.
Volviendo a los elefantes, podríamos contar resumidamente el famoso cuento oriental del elefante y los seis sabios ciegos, que puede considerarse una crítica velada al reduccionismo en ciencia, visto desde cierta perspectiva perversa. En dicho cuento 6 sabios ciegos examinan un elefante, cada uno una parte, y luego dictaminan separadamente en qué consiste exactamente semejante animal. Obviamente quien toca el cuerno tiene una idea distinta de quien manosea la trompa o de quien salta sobre su grueso lomo. Si los sabios ciegos fueran capaces de comunicarse entre sí, abandonando sus compartimentos estanco como la célula abandonó, hace miles de millones de años el suyo, dentro de una chimenea, acaso, el cuadro que obtendrían de sus múltiples observaciones sin duda sería más rico y ajustado a la realidad de un elefante. En ciencia, hoy, las distintas parcelas se van uniendo para ofrecer una imagen cada vez más veraz de las cosas, de cómo surgieron, de cómo evolucionaron, de cómo son y cómo funcionan. Michael Russell, geólogo él, ha colaborado con otros muchos eminentes científicos de otras disciplinas para desentrañar los misterios de la construcción de la vida a partir de los ladrillos atómicos y termodinámicos. El resultado es un cuadro de una riqueza de matices y una belleza que asombra a quien lo ve. De una celda dentro de una chimenea en los abisales fondos marinos a un paquidermo terrestre hay, ciertamente, un abismo. Pero el paso de uno a otro no se debe a ningún sortilegio.
El Profesor Russell ha tenido la inmensa amabilidad de respondernos unas preguntas,puestas en inglés por
José Miguel, cuyas respuestas tradujo
Marzo.
En inglés:
1. What is life?
This question is rather a trap—it’s like asking, “what is jazz?” In my opinion, the better question is to ask; “what does life do?” For the most part life hydrogenates (with H2) carbon dioxide (CO2) as may be appreciated by looking at the bottom of the food chain and at the base of the evolutionary tree. The reaction between hydrogen (an electron donor) and carbon dioxide (an electron acceptor)—so much quicker than mere aqueous geochemical reactions—resolves thermodynamic tensions between atmospheric CO2 and the H2 released from water either geochemically or photochemically. In doing so it makes the world a little more probable, i.e., brings it a little closer to overall equilibrium, a predilection of the Universe as a whole. As Bernal put it: “Life, geologically speaking, consists of the interference with secondary lithosphere–atmosphere reactions so as to produce a small but ever-renewed stock of organic molecules” (Bernal 1960 The problem of stages in biopoesis, p. 34). An approximate formula for life is C70H130O65N10P along with the vital trace elements, Fe, Mn, Ni, Co, Zn, Mo, W and S. Waste products such as methane (CH4), acetate (CH3COO-) and oxygen (O2) are generated via the metabolic processing of hydrogen and carbon dioxide. One result of life is to oxidize the solid surface of our planet, a state which is revealed by a plethora of minerals that otherwise would not occur in life’s absence.
2. Could you explain your hypothesis on the origin of life?
The Earth agglomerates and heats through frictional flow and radiogenesis.
Convection cells in the planetary interior begin the cooling process.
Volcanoes exhale carbon dioxide, nitric oxide and pyrophosphate.
An acidulous Hadean ocean condenses from the carbon dioxide sky.
Stratospheric smogs absorb a proportion of the Sun's rays.
The now cool carbonic ocean leaks into the stressed crust and convects.
Acid springs of high temperature coupled to emergent magmatic plumes, emit ferrous iron and other transition metals to the ocean.
Cooler alkaline waters emanate from the deep ocean floor, bearing hydrogen, formic acid, methane, ammonia and hydrosulfide—molecules reduced from water and carbon and nitric oxides by reaction with ferrous silicate, residual nickeliferous iron and ferrous sulfide in the oceanic crust in the all-important process of serpentinization.
Where these alkaline waters (also bearing molybdenum and tungsten) seep into the ocean, hydrothermal mounds, comprising layers of nickel-iron sulfide and ferrous hydroxide flocculants and films, arise in the ocean darkness.
Iron sulfide and hydroxide bubbles inflate fitfully at the seepage.
Thus the hydrothermal fluids are frustrated in their further attempt to mix thoroughly with their oceanic source by the spontaneous precipitation of these "biomorphic" barriers comprising nanocrystalline iron compounds.
Though the hydrothermal solution is constrained, electrons escape from adsorbed hydrogen through the conducting layers of iron monosulfide, drawn to reduce the carbon dioxide and nitric oxide within these inorganic barriers.
Protons from the carbonic ocean make their way to the alkaline interiors of the compartments comprising the outer surface of the mound where they generate pyrophosphate (a precursor to ATP) from acetyl phosphate and orthophosphate.
Pyrophosphate, an energy storage entity, acts to condense and polymerize the first organic molecules.
It is in the hydrothermal mound—acting as a compartmentalized hatchery—that further reduction of carbon dioxide to acetate is achieved through metal sulfide catalysis.
Filtered, adsorbed and concentrated, and with the addition of hydrothermal ammonia, protometabolic products react together to form amino acids, peptides and the components of nucleosides.
The resulting short peptides takeover the role of membrane constituent, sequester phosphates as well as ready-made iron sulfide clusters, so forming protoferredoxins, ubiquitous proteins with the longest evolutionary pedigree.
Ribonucleotides are then assembled in the membrane, phosphorylated and condensed to form the first coenzymes which may themselves replicate by Watson-Crick base pairing, a prelude to genetic coding.
The side chains of particular amino acids register to fitting nucleotide triplet clefts.
Keyed in, the amino acids are polymerized, through acid-base catalysis, to proteins by pyrophosphate which is recharged by invading protons.
These early proteins take-over the job of sequestering the inorganic clusters from the uncoded peptides as enzymes and coenzymes, and thereby promote further chemosynthesis and so support the hatchery, the electrochemical reactor, from which they sprang.
Reactions and interactions fall into step as the first biochemical pathways are negotiated.
From these ebullient beginnings, the emergent prokaryotes decouple from the immediate hydrothermal system.
This hydrothermal circuitry offers a continuous supply of electricity and proticity at a voltage appropriate for the onset of Life in the dark.
The first exploratory foray of life is into the crust beneath to initiate the “deep biosphere”, to this day the repository of many of the micro-organisms comprising the roots of the evolutionary tree.
Other electron donors and acceptors are exploited, some made newly available through the geochemical and biochemical evolution of the planet.
And other transition metal centres appropriate to particular potentials are also co-opted.
Contention ensues though genes are exchanged.
Lower and higher temperature niches are colonized.
The chirality war looms.
Photosynthesis beckons.
Symbionts will be conscripted from complex, well-populated prokaryotic consortia and eukaryotes conceived.
Eventually all the wet surfaces of the planet are colonized by organisms.
And see http://www.youtube.com/watch?v=j_flx26bU0Q
3. There has been considerable debate about when did life on earth begin stemming from a very dubious microfossil record (Schoppf, Brasier et al.) When do you think life emerged?
Far-from-equilibrium (well-ordered) systems, of which life is just one example, tend to onset as soon as the appropriate energies are available. The onset of hydrothermal convection feeding hot springs is a good example. If we know the permeability of the rock, the thickness of the permeable layer, the temperature contrast between the top and the base of the hydrothermal cell and certain physical constants, we can predict if a convection cell will start up and take over from mere thermal conduction. A similar early, facile and rapid start to metabolism is also likely given conditions of disequilibrium. Indeed the emergence of life would have been coupled to convection. So from the bottom-up perspective I consider life to have emerged as soon as the first (carbonic) ocean had condensed and cooled, sometime between 4.4 and 4.3 billion years ago. The first fossil indications are seen in the oldest metamorphosed sediments on the planet. These are 3.8 billion year old and the evidence comprises organic molecules with the kind of isotopic signature to be expected of a microbial source (Schidlowski 1988 Nature 333, 313; Rosing 1999 Science 283, 674).
4. What footprints do you think the primordial life form have left in the composition, structure and functioning of our cells?
The iron sulfide cubes hosted in proteins such as the ferredoxins in the mitochondria occupying our external membrane—our skin—are the living fossils that are structurally comparable to the iron sulfide minerals that played a similar role at the dawn of life.
Life functions through the operations of the proton-motive force across the cell membrane, a force that recalls life’s hatchery where an alkaline hydrothermal mound was bathed in an acidulous (“proton-rich”) carbonic ocean.
5. What geological, climatic, physical and chemical conditions were there on the early Earth? What are in your view the optimal conditions for the emergence of life?
Geochemical modeling shows the early earth to have been a tempestuous water-world with little or no land and whose atmosphere was mainly carbon dioxide and nitrogen, with minor nitric oxide and various forms of oxidized sulfur. The transition metals, vital for catalysis were supplied by submarine acidic springs around 400°C to the acidulous ocean. Inorganic minerals were precipitated over submarine alkaline springs exhaling at around 100°C into the mildly acidic ocean. These inorganic mineral precipitates grew into a compartmentalized mound which partially separated the acidulous ocean from the alkaline interior. The two fluids were inhibited from mixing such that there was an electrochemical potential between them amounting to around 1 volt. It is the spending of this electrochemical potential energy that gave rise to life. Indeed, life could only emerge where geochemical conditions were far from thermodynamic evolution.
6. Do you think life on other planets is likely or unlikely? If the former, do you think the development of complex multicellular, even conscious life, is probable?
Life will have emerged, as a consequence of convection, on any wet and rocky planet massive enough to have held a carbon dioxide atmosphere. Given time, the onset of oxygenic photosynthesis and the sedimentation (burial) of a portion of the organic detritus, life will have the effect of down-drawing carbon dioxide and releasing oxygen, giving a potent and easily accessed electron acceptor, one that allows for an increase in metabolic sophistication and size of eukaryotic organisms.
Consciousness, from an evolutionary point of view, opens up the fourth dimension for exploitation, particularly in regard to those high-energy organic molecules in geological strata up to hundreds of millions of years old that had escaped oxidation after their host’s demise. Thus, conscious life learns to mine or tap and burn as fuel a store of left-over solar energy, and does so as rapidly as possible, playing along with what has been called the fourth law of thermodynamics—the law of maximum entropy production. Whether conscious beings on our own planet can make the conversion from chemical to photo-synthetic energy usage (a parallel with evolution itself) in time to avoid excessive global heating and the depletion of hydrocarbon stocks is an experiment in progress. Of course, dry planets will be lifeless.
7. Carl Sagan said that we were "stardust". Besides that, what else are we?
But we are more than stardust—we are supernova dust because life at least requires molybdenum, element 42 (Douglas Adams’ supercomputer’s “Ultimate Answer to the Ultimate Question of Life, The Universe, and Everything”) whereas stardust can merely offer elements up to 26 (iron). Indeed, hyperthermophilic microorganisms even require element 74 (tungsten).
We are a highly ordered (low entropy system) given to generating disorder (maximizing entropy production) as the second law of thermodynamics is obeyed.
8. When does evolution start?
Evolution starts in metabolizing systems even before the emergence of the RNA World. It operates through the retention of reactive participating anionic products of condensation reactions. For example, short peptides that can fold in such a way as to sequester inorganic cations to produce protoenzymes that themselves promote further reactions will tend to be retained (selected) within the inorganic compartments, while those loose, uncharged molecules will tend to be expelled in the eluting hydrothermal solution. Evolution is the search engine for energies and materials commensurate with those first used by emergent life.
9. What are you working on now? What is your highest challenge? What is the mystery you would dream to unveil?
The problem we have set ourselves is to understand, through experimentation, the very first steps of metabolism; that is, how the slow reduction (hydrogenation) of atmospheric carbon dioxide went “critical” through an additional supply of electrochemical energy—a consequence of the spontaneous precipitation of an inorganic membrane that allowed the particular flow of protons and electrons to quicken the merely chemical reactions progressing within the hydrothermal mound. Thus we aspire to making a contribution to solving this mystery and thereby adding to the wonder of our exciting and remarkable Universe.
En castellano:
1. ¿Qué es la vida?
Esta pregunta es más bien una trampa; es como preguntar “¿qué es el jazz?”. En mi opinión, lo mejor es preguntar: “¿qué hace la vida?”. Mayormente la vida hidrogena (con H2) dióxido de carbono (CO2), como puede apreciarse mirando al fondo de la cadena trófica y a la base del árbol evolutivo. La reacción entre el hidrógeno (un donante de electrones) y el dióxido de carbono (un aceptor de electrones), mucho más rápida que las meras reacciones geoquímicas acuosas, resuelve las tensiones termodinámicas entre el CO2 atmosférico y el H2 liberado del agua ya geoquímica, ya fotoquímicamente. Así hace al mundo un poco más probable, esto es, lo lleva un poco más cerca del equilibrio global, una predilección del Universo como un todo. Como dijo Bernal: “La vida, geológicamente hablando, consiste en la interferencia con reacciones secundarias litosfera-atmósfera de manera que se produce una cantidad pequeña pero constantemente renovada de moléculas orgánicas” (Bernal 1960 The problem of stages in biopoesis, p. 34). Una fórmula aproximada de la vida es C70H130O65N10P junto con los vitales oligoelementos Fe, Mn, Ni, Co, Zn, Mo, W y S. Mediante el procesamiento metabólico de hidrógeno y dióxido de carbono se generan productos de desecho como metano (CH4), acetato (CH3COO-) y oxígeno (O2). Un resultado de la vida es oxidar la superficie sólida de nuestro planeta, un estado que evidencia una plétora de minerales que no habría en ausencia de vida.
2. ¿Podría explicar su hipótesis sobre el origen de la vida?
La Tierra se aglomera y se calienta mediante flujo con fricción y radiogénesis.
Las celdas de convección del interior del planeta comienzan el proceso de enfriamiento.
Los volcanes exhalan dióxido de carbono, óxido nítrico y pirofosfato.
En el eón hádico se condensa un océano ligeramente ácido a partir del cielo de dióxido de carbono.
Los esmogs estratosféricos absorben una proporción de los rayos solares.
El océano carbónico, ahora frío, se infiltra en la agrietada corteza y sufre convección.
Manantiales ácidos de alta temperatura, acoplados a plumas de magma emergente, emiten al océano hierro ferroso y otros metales de transición.
Del suelo oceánico profundo emanan aguas alcalinas más frías, que contienen hidrógeno, ácido fórmico, metano, amoníaco e hidrosulfuro, moléculas reducidas a partir de agua y óxidos de carbono y nitrógeno por reacciones con el silicato ferroso, el hierro niquelífero residual y el sulfuro ferroso de la corteza oceánica en el importantísimo proceso de serpentinización.
Donde rezuman estas aguas alcalinas (que también contienen molibdeno y tungsteno) surgen en la oscuridad del océano montículos hidrotermales, que constan de capas de sulfuro de níquel-hierro y floculantes y películas de hidróxido ferroso.
En las zonas de filtración crecen intermitentemente burbujas de sulfuro e hidróxido de hierro.
Así, los fluidos hidrotermales se ven frustrados en su intento de mezclarse completamente con su fuente oceánica por la precipitación espontánea de estas barreras “biomórficas” que constan de compuestos de hierro microcristalinos.
Aunque la solución hidrotermal está contenida, a través de las capas conductoras de monosulfuro de hierro escapan electrones del hidrógeno adsorbido, atraídos para reducir el dióxido de carbono y el óxido nítrico que hay en estas barreras inorgánicas.
Protones procedentes del océano carbónico se abren paso hasta los interiores alcalinos de los compartimientos que forman la superficie exterior del montículo, donde generan pirofosfato (un precursor del ATP) a partir de acetil fosfato y ortofosfato.
El pirofosfato, una entidad de almacenamiento de energía, actúa para condensar y polimerizar las primeras moléculas orgánicas.
Es en el montículo hidrotermal, que actúa como una incubadora compartimentada, donde se obtiene la ulterior reducción del dióxido de carbono a acetato mediante catálisis por sulfuros metálicos.
Filtrados, adsorbidos y concentrados, y con la adición de amoníaco hidrotermal, estos productos protometabólicos reaccionan entre sí para formar aminoácidos, péptidos y los componentes de los nucleósidos.
Los cortos péptidos resultantes se apropian del papel de integrantes de membrana, secuestran fosfatos así como acúmulos de sulfuro de hierro recién formados, produciendo así protoferredoxinas, las ubicuas proteínas con el linaje evolutivo más antiguo.
En este momento se ensamblan en la membrana ribonucleótidos, que se fosforilan y condensan para formar los primeros coenzimas, los cuales pueden replicarse por apareamiento de bases Watson-Crick, un preludio del código genético.
Las cadenas laterales de aminoácidos concretos se ajustan a hendiduras de tripletes de nucleótidos en las cuales encajan.
Así codificados, los aminoácidos son polimerizados a proteínas, mediante catálisis ácido-base, por el pirofosfato, que es recargado por los protones que siguen entrando.
Estas proteínas primitivas se apropian del trabajo de secuestrar los acúmulos inorgánicos sustituyendo en él a los péptidos no codificados como enzimas y coenzimas, y por tanto promueven el progreso de la quimiosíntesis y así sostienen a la incubadora, el reactor electroquímico, de la que salieron.
Reacciones e interacciones se ajustan entre sí según se van recorriendo trabajosamente las primeras vías metabólicas.
A partir de estos bullentes orígenes, los emergentes procariotas se desacoplan del sistema hidrotermal inmediato.
Esta circuitería hidrotermal ofrece una provisión continua de electricidad y proticidad a un voltaje adecuado para el surgimiento de la vida en la oscuridad.
La primera correría exploratoria de la vida es a la corteza subyacente, para iniciar la “biosfera profunda”, que es hasta hoy el archivo de muchos de los microorganismos que forman la raíz del árbol evolutivo.
Se explotan también otros donantes y aceptores de electrones, algunos ahora disponibles gracias a la evolución geoquímica y bioquímica del planeta.
Y se adoptan también otros metales de transición como centros apropiados para potenciales particulares.
A esto sigue la contención, aunque se intercambian genes.
Se colonizan nichos de temperaturas más bajas y más altas.
Se vislumbra amenazante la guerra de la quiralidad.
Aparece atrayente la fotosíntesis.
Se reclutarán simbiontes a partir de complejos y bien poblados consorcios de procariotas, y se concebirán los eucariotas.
Todas las superficies húmedas del planeta acabarán colonizadas por organismos.
Y vea http://www.youtube.com/watch?v=j_flx26bU0Q
3. Debido al muy dudoso registro microfósil (Schoppf, Brasier et al.) ha habido considerable debate acerca de cuándo empezó la vida sobre la tierra. ¿Cuándo piensa usted que surgió la vida?
Los sistemas lejos del equilibrio (bien ordenados), de los que la vida es sólo un ejemplo, tienden a surgir tan pronto como están disponibles las energías adecuadas. El comienzo de la convección hidrotermal que alimenta los manantiales calientes es un buen ejemplo. Si conocemos la permeabilidad de la roca, el espesor de la capa permeable, el contraste de temperaturas entre la cima y la base de la celda hidrotermal y ciertas constantes físicas, podemos predecir si arrancará una celda de convección que sustituirá a la simple conducción térmica. Dadas condiciones de desequilibrio, también es probable un parecido inicio temprano, fácil y rápido del metabolismo. En verdad, el origen de la vida habría estado acoplado a la convección. Así, desde la perspectiva de abajo arriba considero que la vida surgió tan pronto como se hubo condensado y enfriado el primer océano (carbónico), en algún momento entre hace 4.400 y 4.300 millones de años. Los primeros indicios fósiles se ven en los sedimentos metamórficos más antiguos del planeta. Tienen 3.800 millones de años de edad y la evidencia incluye moléculas orgánicas con la clase de firma isotópica que se esperaría de un origen microbiano (Schidlowski 1988 Nature 333, 313; Rosing 1999 Science 283, 674).
4. ¿Qué huellas piensa que ha dejado la forma de vida primordial en la composición, estructura y funcionamiento de nuestras células?
Los cubos de sulfuro de hierro alojados en proteínas como las ferredoxinas de las mitocondrias que ocupan nuestra membrana externa (nuestra piel) son fósiles vivientes estructuralmente comparables a los minerales de sulfuro de hierro que desempeñaron
La vida funciona mediante las operaciones de la fuerza protón-motriz a través de la membrana celular, una fuerza que recuerda a la incubadora de la vida, donde un montículo hidrotermal alcalino estaba bañado en un océano carbónico ligeramente ácido (“rico en protones”).
5. ¿Qué condiciones geológicas, climáticas, físicas y químicas había en la Tierra primitiva? ¿Cuáles son en su opinión las condiciones óptimas para que surja la vida?
Los modelos geoquímicos muestran que la Tierra primitiva fue un tormentoso mundo acuático con poca o ninguna tierra firme y cuya atmósfera consistía principalmente en dióxido de carbono y nitrógeno, con algo de óxido nítrico y diversas formas de azufre oxidado. Los metales de transición, vitales para la catálisis, los suministraban al oceáno ligeramente ácido manantiales submarinos más ácidos a unos 400°C. Sobre manantiales submarinos alcalinos que manaban a unos 100°C a este oceáno levemente ácido se precipitaban minerales inorgánicos. Estos precipitados minerales inorgánicos dieron montículos compartimentados, con el océano ácido parcialmente separado del interior alcalino. La mezcla de los dos fluídos estaba inhibida, de manera que había entre ellos una diferencia de potencial electroquímico de aproximadamente 1 voltio. Es el consumo de esta energía potencial electroquímica lo que dio origen a la vida. En verdad, la vida sólo pudo surgir donde las condiciones geoquímicas estaban lejos del equilibrio termodinámico.
6. ¿Cree usted que la vida en otros planetas es probable o improbable? Si es lo primero, ¿cree usted que es probable que surja vida compleja multicelular, incluso vida consciente?
La vida habrá surgido, como consecuencia de la convección, en cualquier planeta húmedo y rocoso lo bastante grande como para haber tenido una atmósfera de dióxido de carbono. Dados tiempo, el inicio de la fotosíntesis oxigénica y la sedimentación (soterramiento) de una parte de los detritus orgánicos, la vida tendrá el efecto de secuestrar dióxido de carbono y liberar oxígeno, proporcionando un potente aceptor de electrones de fácil acceso, uno que permite el aumento de la complejidad metabólica y del tamaño de los organismos eucariotas.
La consciencia, desde un punto de vista evolutivo, abre a la explotación la cuarta dimensión, en particular respecto a las moléculas orgánicas de alta energía depositadas en estratos geológicos de hasta cientos de millones de años de antigüedad que habían escapado a la oxidación tras la muerte de sus hospedadores. Así pues, la vida consciente aprende a extraer y quemar como combustible un almacén de sobras de energía solar, y lo hace tan rápidamente como puede, siguiendo lo que se ha llamado la cuarta ley de la termodinámica, la ley de máxima producción de entropía. Si los seres conscientes de nuestro planeta podrán o no pasar de usar energía química a energía fotosintética (un paralelo con la evolución misma) a tiempo para evitar un excesivo calentamiento global y el agotamiento de los depósitos de hidrocarburos es un experimento en curso. Por supuesto, los planetas secos carecerán de vida.
7. Carl Sagan dijo que somos “polvo de estrellas”. ¿Qué más somos?
Pero somos más que polvo de estrellas; somos polvo de supernova porque la vida requiere al menos molibdeno, el elemento 42 (la “Respuesta Definitiva a la Cuestión Definitiva sobre la Vida, el Universo y Todo” del superordenador de Douglas Adams), mientras que el polvo de estrellas sólo puede ofrecer elementos hasta el 26 (el hierro). En verdad, los microorganismos hipertermófilos requieren aun el elemento 74 (el tungsteno).
Somos un sistema altamente ordenado (de baja entropía) entregado a generar desorden (maximizar la producción de entropía) obedeciendo la segunda ley de la termodinámica.
8. ¿Cuándo empieza la evolución?
La evolución empieza en los sistemas metabólicos aun antes de que surja el mundo de ARN. Opera mediante la retención de reactivos aniónicos producto de reacciones de condensación. Por ejemplo, péptidos cortos que puedan plegarse de manera tal que secuestren cationes inorgánicos para producir protoenzimas que promuevan ulteriores reacciones tenderán a ser retenidos (seleccionados) dentro de los compartimientos inorgánicos, mientras que moléculas más sueltas, no cargadas, tenderán a ser expelidas a la solución hidrotermal eluyente. La evolución es el motor de búsqueda de energías y materiales compatibles con los primeros que usó la vida emergente.
9. ¿En qué trabaja ahora? ¿Cuál es su máximo reto? ¿Cuál el misterio que soñaría con desvelar?
El problema que nos hemos planteado es entender, mediante experimentación, los primerísimos pasos del metabolismo; esto es, cómo la lenta reducción (hidrogenación) del dióxido de carbono atmosférico se volvió “crítica” mediante un suministro adicional de energía electroquímica; una consecuencia de la precipitación espontánea de una membrana inorgánica que permitió el flujo particular de protones y electrones para avivar las reacciones meramente químicas que tenían lugar en el montículo hidrotermal. Así pues, aspiramos a contribuir a la resolución de este misterio y de esta manera añadir a la maravilla de nuestro estimulante y notable Universo.
ESA Space Science Image of the Week on Flickr 
ESA 3D on Flickr 
ESA Sci on Twitter 
