El sueño de Eva y el origen de la vida
Nota de los autores: Lo que contamos en este post está basado en algunas de las muchas hipótesis que explican el origen de la vida. El texto sigue un hilo recorriendo algunas de las teorías más importantes, basándose en datos mencionados en forma de pequeños detalles. Estos detalles, asociados a números, están explicados de forma más extendida (y a veces técnica) al final del texto. Esperamos que disfrutéis de este relato.
La suave brisa marina rozaba la piel de aquella joven tumbada sobre la arena. Un júbilo indescriptible corría por las venas de Eva mientras miraba las estrellas en aquella noche despejada de verano. Qué lejanas e indomables parecían. Esa luz había asombrado a tantas generaciones a lo largo de la historia y ahora comprendíamos qué era y cuánto podía tardar en llegar a nuestra retina. Nos había costado un millón de años entenderlo, desde que la evolución llevó a la aparición del primer Homo. Pero aún había muchas grandes incógnitas sin resolver ¿Tendrían que pasar otro millón u otros 3.500 millones de años de evolución para llegar a resolverlas?¿Alguna vez hallaríamos la respuesta o simplemente tendríamos que aceptar que hay preguntas que nunca podremos responder?
Entre profundamente dormida y más despierta que nunca, la imaginación de Eva empezó a viajar en el tiempo hasta los grandes océanos del Precámbrico, hace 3.850 millones de años (1). Como una espectadora ajena e incorpórea, observaba el escenario que se abría ante sus ojos bajo la tenue luz anaranjada de la luna. Las grandes tormentas eléctricas surcaban la noche adornada, ya entonces, por la longeva luz de las estrellas. Bajando la mirada observó una lluvia de meteoritos que rasgaba el horizonte hasta esconderse tras una densa columna de humo. Esta procedía de una hilera de volcanes en erupción que vomitaban por sus fauces el interior de aquella joven y dinámica Tierra (2). Miró entonces hacia sus pies y observó que estaba sobre una pequeña isleta de roca oscura, con brillos mates alternados con metálicos. Aunque era algo distinta a la que ella había estudiado en la carrera, tenía pocas dudas, aquella roca estaba formada por minerales de uraninita con mezclas de pirita. Ese mismo tipo de minerales demostraría, millones de años después, que la atmósfera carecía prácticamente de oxígeno.
La Tierra temblaba bajo sus pies, haciendo que Eva perdiese el equilibrio y empujándola al interior del salado océano. Sumergida en la profundidad de la sopa primitiva observó la inmensidad de aquel salvaje océano sin rastro de vida. Unas rocas volcánicas cónicas, más o menos de su altura, se erguían desde el suelo y por ellas salía un oscuro y burbujeante humo de metano, hidrógeno y sulfatos y óxidos de hierro. Aquellas chimeneas hidrotermales generaban calor que favorecía la unión de algunas moléculas disueltas en el agua. Entre ellas, el dióxido y el monóxido de carbono, provenientes de rocas erosionadas y del interior de la Tierra, eran capaces de formar cadenas estables de carbono. Eva imaginaba aquellas moléculas como pequeñas canicas, sabiendo que sería imposible verlas si no se tratase de un sueño. Algunas de las reacciones formaban estructuras inestables, que se rompían instantáneamente, o estables, como las propias cadenas de carbono, que se mantenían en el tiempo y se asociaban entre ellas generando estructuras de mayor complejidad (3).
En aquel baile molecular, Eva fijó su mirada en una molécula que con vibrante movimiento continuaba aumentando poco a poco su tamaño y complejidad. Moléculas formadas por carbono, hidrógeno y nitrógeno se asociaban para generar las primeras moléculas biológicas que darían lugar a precursores del material genético: el ácido ribonucleico o ARN. Este fue el elemento inicial para transmitir la información entre generaciones de seres vivos, aunque se considera que al principio se limitaba a acelerar ciertas reacciones químicas (4). Eva podía observar aquellas diminutas moléculas uniéndose en hilera para dar lugar a un filamento alargado, como si se tratase de un hilo de pequeñas canicas retorcido sobre sí mismo.
Mientras tanto, otras moléculas se combinaban de forma distinta para generar lípidos y proteínas. Las proteínas y lípidos se formaban también próximas a las chimeneas submarinas que aportaban energía y materia al sistema. Ambos tipos de moléculas se asociaban para dar lugar a vesículas esféricas que Eva observaba como pequeñas gotas de aceite flotando en el agua.
Los finos hilos de ARN se adherían a las vesículas gracias a interacciones entre las moléculas de ambas estructuras. A su vez, las vesículas lipídicas se contraían y dilataban suavemente por la debilidad de sus interacciones. En esta coreografía molecular, algunos hilos empezaban a ser engullidos por las esferas introduciendo ARN y agua en su interior (5). Así tenían lugar las primeras protocélulas. Poco a poco, Eva observaba cómo esas estructuras se hacían más y más complejas al fusionarse y mezclar los componentes de su interior. Cuando la vesícula adquiría un tamaño que provocaba su inestabilidad, se dividía generando dos nuevas vesículas, con lo que se recuperaba su estabilidad.
Su sueño empezó a avanzar en el tiempo, como una película donde todo sucede en una lluvia de fotogramas, y los millones de años pasaban a ser apenas segundos. Aunque las protocélulas se “nutrían” del material liberado de las chimeneas hidrotermales y utilizaban la energía liberada por compuestos inorgánicos de hierro y azufre de las piritas del suelo oceánico, con el tiempo aparecieron nuevos sistemas de obtención de energía y formación de moléculas orgánicas. Ciclos de rotura y descomposición de moléculas comenzaron a suceder en el interior de aquellas protocélulas. Ciclos donde se obtenía energía propia, más autorregulada, pues la rotura de un compuesto complejo libera energía que estas protocélulas podían utilizar para crear otros compuestos a voluntad.
Eva contemplaba con emoción aquel paso evolutivo. Aunque la energía y materia liberadas por los componentes del suelo oceánico seguían siendo esenciales, las protocélulas eran capaces de transformar y utilizar, por fin, la energía en su interior. Iban adquiriendo distintas variaciones, distintos tipos de moléculas complejas, lo que les hacía diferentes y por lo tanto, algunas de ellas eran más favorables para mantenerse y transferir sus características a la descendencia. Comenzaba a existir una presión selectiva que desencadenaba en la integración de nuevas características. Desde aquellas primeras moléculas biológicas hasta la formación de la primera célula habían pasado 300 millones de años e innumerables fracasos en aquella Tierra primigenia. Y así, finalmente Eva observaba el origen de la vida, cómo las protocélulas daban lugar a la primera célula; organismos capaces de transformar la energía mediante componentes propios y capaces de transmitir sus características a la descendencia (6).
Aquellas primeras células, 3.500 millones de años antes de que Eva estuviese tumbada sobre la arena, eran capaces de tomar compuestos carbonatados del agua, generando un depósito laminar de materiales que se conservaría hasta nuestros días (7). En las profundidades de aquel océano las células no dejaban de dividirse y aumentar sus poblaciones. Su éxito era evidente y comenzaban a ocupar distintas alturas en aquel vasto océano, lo que permitía aprovechar las distintas condiciones de sus aguas.
La actividad de los volcanes decrecía y la atmósfera de polvo se disipaba permitiendo la entrada de mayor cantidad de luz a la superficie terrestre. Mientras la Tierra cambiaba, la evolución en aquellas células primitivas exploraba todas las posibilidades. La mayoría desembocaban irremediablemente en la desaparición, pero el azar y la presión de aquellas severas condiciones, tras millones de años y de intentos, iba permitiendo el desarrollo de nuevas formas de nutrirse, de conseguir energía y materia orgánica. La energía solar empezó a ser aprovechada por las células de la superficie del océano, las cuales comenzaban a presentar proteínas capaces de absorberla y transformarla en energía útil para la célula. Aquellas primeras cianobacterias eran todo un éxito evolutivo, el Sol parecía una fuente inconsumible de energía y Eva observaba cómo rápidamente las poblaciones crecían en la superficie del océano. La superficie del océano adquiría un color verde por las proteínas que daban color a las cianobacterias.
Fruto de su metabolismo, las cianobacterias producían una molécula hasta entonces casi inexistente, pero que cambiaría por completo el desarrollo de la vida: el oxígeno. La Tierra había tardado 2.100 millones de años desde que se formó hasta que comenzó a presentar grandes cantidades de oxígeno en su atmósfera. El oxígeno supondría una nueva presión selectiva que desencadenaría el desarrollo de todas las formas de vida capaces de utilizarlo para controlar la energía celular. Tendrían que pasar otros 2.500 millones de años de evolución, de ensayo y error, hasta que Eva, tumbada en la arena, abriese los ojos despertando de aquel profundo sueño.
- (1) Las condiciones óptimas para la vida: Algunos expertos especulan que la vida podría haber aparecido en el periodo comprendido entre el final de la lluvia de meteoros (hace 3.850 millones de años terminaba el periodo conocido como Bombardeo Intenso Tardío, el último gran bombardeo de meteoritos) y la datación del primer fósil encontrado, los estromatolitos de Groenlandia (de hace 3.700 millones de años) Nutman et al. 2016, Nature. También se considera la posibilidad que las primeras biomoléculas o moléculas que forman los organismos vivos pudieron llegar en meteoritos durante las etapas de bombardeo, puesto que las condiciones óptimas para la vida podrían haberse dado poco después de la formación de la Tierra (hace 4.400-4.000 millones de años). Si el Bombardeo Intenso Tardío fue tan intenso como para exterminar cualquier inicio de vida es un tema actual de discusión. Ambas hipótesis no son excluyentes, por lo que podrían haber sucedido en paralelo.
- (2) La Tierra primigenia: Los datos geológicos datados en el periodo en el que se originó la vida (desde hace 3.850-3.500 millones de años) son muy escasos, lo que dificulta enormemente recrear cómo sería la Tierra durante el desarrollo de la vida. Tras el Bombardeo Intenso Tardío, la Tierra presentaba menos colisiones de asteroides, pero todavía debía presentar una alta actividad volcánica asociada a las altas e inestables temperaturas del núcleo terrestre. La alta actividad geológica en el Hádico y el Arcaico generaba continuos eventos volcánicos, tanto en la corteza terrestre como en la oceánica, y sismos producidos por la inestabilidad del interior de la Tierra. La composición atmosférica rica en nitrógeno probablemente produciría que el color de nuestro cielo fuese anaranjado, puesto que los compuestos nitrogenados tienden a dispersar la luz en el espectro del rojo. La composición geológica de la Tierra primigenia debió ser rica en rocas volcánicas (referidas en el texto como rocas oscuras), fruto de la solidificación del magma hace 4.400 millones de años. A su vez la Tierra era rica en algunos minerales como la uraninita y la pirita, las cuales han sido fundamentales para demostrar la ausencia de oxígeno en este periodo geológico. La uraninita es un mineral que se produce en las chimeneas hidrotermales, además de otras zonas de actividad volcánica. En presencia de oxígeno, la uraninita y la pirita se oxidan formando minerales secundarios. El descubrimiento de uraninita y pirita no oxidada datadas de aquella época aporta datos consistentes de que la atmósfera era reductora, es decir, con niveles muy bajos (o inexistentes) de oxígeno. En cuanto al océano, se considera que era rico en sales de sodio y cloro, presentando una salinidad entre 1,5 y 2 veces mayor que la actual. En referencia a su pH y temperatura, los datos son menos precisos y se estima un pH entre 4 y 10 y una temperatura entre 30-70°C.
- (3) La química prebiótica (Modelo de Wächterhäuser): Este modelo describe el origen de la vida como autotrófico, es decir, los primeros organismos serían capaces de generar materia orgánica utilizando la materia inorgánica del medio. Se basa en el desarrollo de reacciones cíclicas del carbono incorporando moléculas inorgánicas de las chimeneas hidrotermales y utilizando la energía del ambiente para generar moléculas complejas. Las chimeneas hidrotermales liberan óxidos de hierro y azufre que aportarían la energía a través de intercambios de electrones (reacción redox) a los ciclos de carbono para generar moléculas orgánicas. Esta teoría se sustenta en datos probados como los procesos conocidos como Fischer-Tropsch, donde a alta temperatura (150-300°C) se pueden producir moléculas lipídicas a partir de monóxido de carbono e hidrógeno en presencia de un catalizador metálico. Todas estas condiciones se cumplen, y se cumplirían ya entonces, en las chimeneas hidrotermales.
- (4) El mundo ARN: Se considera que el ARN fue la primera molécula que contenía información genética. Los primeros pre-organismos tendrían esta molécula para transmitir su información a la descendencia. Esta hipótesis se basa en que 1) el ARN es una molécula ubicua, es decir, se encuentra en todos los organismos y 2) en el papel actual del ARN. Aunque en una enorme cantidad de organismos el ARN es el material genético per se, en los que no, su función es conectar la información genética (en forma de ADN) con la producción de las proteínas. Para entender esto, supongamos que el ADN es el libro de instrucciones de un ordenador de alta seguridad, pero se encuentra codificado para proteger esa información. Las proteínas son cada una de las acciones que podemos llevar a cabo en ese ordenador, si conseguimos descifrarlo. Necesitas un traductor para entender esas instrucciones. Ese traductor es el ARN. Que el ARN fuese la primera molécula para la herencia genética (el primer libro de instrucciones para construir toda la célula) se sostiene a su vez en que esta molécula tiene funciones de catalizador en numerosas reacciones. Por lo que en un inicio, el ARN podría haberse seleccionado por su papel como catalizador y posteriormente, con el desarrollo de un sistema proteico específico, por su papel de transmisión hereditaria.
- (5) El origen de las protocélulas (El modelo Obcelular de Cavalier-Smith): Es uno de los modelos para describir el origen de la vida. Péptidos y proteínas integradas en la membrana lipídica permitirían la unión del ARN en su exterior. Acto seguido, para engullir el material genético en el interior de la vesícula lipídica, el modelo describe la necesidad de que se produjese un estiramiento en la membrana y posterior plegamiento sobre sí misma, introduciendo en su interior el material genético en una doble membrana de lípidos y generando las primeras protocélulas. Las primeras proteínas serían, por lo tanto, transmembrana y estructurales y se generaría una protocélula con un sistema membranoso similar al de las actuales bacterias Gram negativas.
- (6) El primer organismo vivo (LUCA): Los datos genéticos sugieren la existencia de un único origen en la vida, debido a las grandes similitudes entre todos los organismos de la Tierra. A este antecesor común se le conoce como LUCA (Last Universal Common Ancestor). Sin duda, otros intentos antes, durante o después debieron existir, pero solo uno tuvo un éxito evolutivo de tal magnitud como para originar todos los seres vivos que conocemos en la actualidad. Este organismo antecesor debía tener ya una membrana lipídica con proteínas y glúcidos estructuralmente específicos. Seguramente fuese quimiolitótrofo, es decir, que utilizaba la energía asociada a elementos de hierro o azufre para generar biomoléculas (por lo que además era autótrofo, aunque también podría haberse nutrido de los elementos formados durante la química prebiótica que persistiría en aquellos momentos, lo que le posicionaría como organismo heterótrofo). Muy posiblemente su sistema de transferencia de la información era ya el ADN, mientras que el ARN quedaba relegado a un intermediario y a tener funciones catalizadoras dentro de esta primera célula. Sin embargo, hemos de decir que jamás se ha encontrado un fósil de este primer organismo y por lo tanto, la mayoría de las descripciones en referencia a él son puramente hipótesis.
- (7) El primer rastro de vida. Los estromatolitos: Durante el desarrollo de la vida, esta debió explorar numerosas posibilidades, donde cada éxito abría un nuevo abanico de posibilidades que explotar. El primer registro de organismo fósil, datado actualmente de hace 3.700 millones de años, son los estromatolitos de Groenlandia. Los estromatolitos son depósitos laminares originados por la captura y fijación de CO2 y sustancias disueltas en el agua como el carbonato cálcico. Estos depósitos tienen su origen en comunidades de organismos capaces de realizar esta fijación como consecuencia de su actividad metabólica. En una atmósfera sin oxígeno, y por tanto sin capa de ozono, la cantidad de radiación a la que los primeros seres vivos se vieron expuestos debía ser muy elevada. Por eso, este tipo de estructuras o comunidades puede explicarse como el resultado de un proceso de selección natural donde las propias estratificaciones protegerían a las comunidades de organismos de la radiación.
Glosario
Precámbrico: es el periodo geológico comprendido desde la formación de la Tierra hace 4.600 millones de años hasta hace 541 millones de años, siendo el periodo geológico más largo de la Tierra (88%). Se divide en tres eones, el Hádico (4.600 - 4.000 millones de años), el Arcaico, en el cual se considera que se desarrolla el inicio de la vida en la Tierra (4.000 - 2.500 millones de años) y el Proterozoico, en el que tiene lugar la explosión de la vida en los océanos y mares y el desarrollo de los primeros animales y plantas en una atmósfera rica en oxígeno, con una capa de ozono protectora (2.500 - 541 millones de años).
Chimeneas hidrotermales: También conocidas como fuentes hidrotermales, son grietas en el suelo oceánico por las que sale agua a altas temperaturas. Son estructuras geológicas asociadas a actividad volcánica, donde el magma se encuentra próximo a la superficie. La temperatura de sus aguas llega hasta los 400°C, manteniendo el estado líquido gracias al incremento de la presión asociado a zonas de alta profundidad y a la salinidad de sus aguas. Se forman por la deposición mineral de sulfatos de cobre, hierro y zinc que salen del interior de estas fuentes.
Protocélulas: El término hace referencia a las estructuras que precedieron a las primeras células. Son por lo tanto los precursores de los primeros seres vivos, pero no se consideran como tal al carecer de algunas de las características fundamentales de los seres vivos. Sobre su composición hay muchas hipótesis, pero en consenso suelen ser estructuras formadas por biomoléculas, encapsuladas en membranas lipídicas.
Cianobacterias: Son organismos vivos unicelulares que persisten en la actualidad. Fueron un gran éxito evolutivo y lo siguen siendo a día de hoy, siendo uno de los principales grupos de organismos productores de oxígeno aún en la actualidad. Presentan proteínas capaces de fijar el CO2 y utilizarlo para formar biomoléculas, por lo que son organismos autógrafos (capaces de producir su propia materia orgánica). Esto lo consiguen a través de la energía solar gracias a pigmentos como la clorofila (que les da un color verdoso), los cuales son capaces de absorber esta energía y transformarla en energía útil para la producción de biomoléculas.
Para saber más
- Libro divulgativo sobre las teorías del origen de la vida de forma detallada: Orígenes: El universo, la vida, los humanos. Carlos Briones, Alberto Fernández Soto y José María Bermúdez de Castro. Editorial: Crítica. 2015.
- Libro técnico sobre cianobacterias: Algae. James E. Graham, Lee W. Wilcox y Linda E. Graham. Editorial: Pearson. 2009.
- Artículo científico sobre los estromatolitos: Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures. Allen P. Nutman, Vickie C. Bennett, Clark R. L. Friend, Martin J. Van Kranendonk & Allan R. Chivas. Nature. 2016.
- Sobre paleogeología: Nahum Méndez: Un geólogo en apuros
Colaboración Gracias a Nahum Méndez por su asesoramiento como experto en geología para este post. Además tiene un libro muy interesante, si os interesa saber más de la geología de la Tierra: “Un geólogo en apuros: Un viaje a través del tiempo y hacia lo más profundo de la Tierra”. Y aquí os dejamos también su blog de divulgación: “Un geólogo en apuros”.