- Primera parte: Cómo hacer una jaula -
- Segunda parte: Una división en las filas de científicos -
- Tercera parte: en busca del primer replicador -
- Quinta parte: entonces, ¿cómo se crea una célula? -
- Sexta parte: La Gran Unificación -
En el capítulo dos, aprendimos cómo los académicos se dividieron en tres escuelas de pensamiento, reflexionando sobre los orígenes de la vida. Un grupo estaba convencido de que la vida comenzaba con una molécula de ARN, pero no pudo demostrar cómo el ARN o moléculas similares podían formarse espontáneamente en la Tierra primitiva y luego hacer copias de sí mismas. Sus esfuerzos fueron alentadores al principio, pero al final solo quedó la decepción. Sin embargo, otros investigadores del origen de la vida que han seguido caminos diferentes han obtenido algunos resultados.
La teoría del mundo del ARN se basa en una idea simple: lo más importante que puede hacer un organismo vivo es reproducirse. Muchos biólogos estarían de acuerdo con esto. Desde las bacterias hasta las ballenas azules, todos los seres vivos se esfuerzan por tener descendencia.
Sin embargo, muchos investigadores del origen de la vida no consideran que la reproducción sea fundamental. Antes de que un organismo pueda reproducirse, dicen, debe volverse autosuficiente. Debe mantenerse vivo. Después de todo, no puedes tener hijos si mueres primero.
Nos mantenemos vivos consumiendo alimentos; las plantas verdes hacen esto extrayendo energía de la luz solar. A primera vista, la persona que come un jugoso bistec es muy diferente de un frondoso roble, pero cuando lo miras, ambos necesitan energía.
norte
Este proceso se llama metabolismo. Primero necesitas obtener energía; digamos de productos químicos ricos en energía como el azúcar. Entonces debes usar esta energía para construir algo útil, como células.
Este proceso de uso de la energía es tan importante que muchos investigadores lo consideran el primero en el que comenzó la vida.
El agua volcánica es caliente y rica en minerales.
Video promocional:
¿Cómo serían estos organismos metabólicos solamente? Una de las suposiciones más interesantes la hizo Gunther Wachtershauser a finales de los 80. No era un científico a tiempo completo, sino un abogado de patentes con pocos conocimientos de química.
Wachtershauser sugirió que los primeros organismos eran "radicalmente diferentes de todo lo que conocíamos". No fueron hechos de células. No tenían enzimas, ADN o ARN. No, en cambio, Wachtershauser imaginó un chorro de agua caliente saliendo de un volcán. Esta agua es rica en gases volcánicos como el amoniaco y contiene trazas de minerales del corazón del volcán.
Donde el agua fluía a través de las rocas, comenzaron a tener lugar reacciones químicas. En particular, los metales del agua ayudaron a que los compuestos orgánicos simples se fusionaran en otros más grandes. El punto de inflexión fue la creación del primer ciclo metabólico. Es un proceso en el que un químico se convierte en varios otros químicos hasta que finalmente se recrea el original. En el proceso, todo el sistema acumula energía que se puede utilizar para reiniciar el ciclo y para otras cosas.
Todo lo demás que constituye un organismo moderno (ADN, células, cerebros) apareció más tarde, además de estos ciclos químicos. Estos ciclos metabólicos se parecen poco a la vida. Wachtershauser llamó a su invención "precursores de organismos" y escribió que "difícilmente se los puede llamar vivos".
Pero los ciclos metabólicos como los descritos por Wachtershauser son el núcleo de toda la vida. Sus células son esencialmente fábricas químicas microscópicas que destilan constantemente una sustancia en otra. Los ciclos metabólicos no pueden llamarse vida, pero son fundamentales para la vida.
Durante las décadas de 1980 y 1990, Wachtershauser trabajó en los detalles de su teoría. Describió qué minerales serían los más adecuados y qué ciclos químicos podrían tener lugar. Sus ideas empezaron a atraer seguidores.
Pero todo esto era puramente teórico. Wachtershauser necesitaba un descubrimiento real para apoyar sus ideas. Afortunadamente, ya se había hecho diez años antes.
Fuentes en el Pacífico
En 1977, un equipo dirigido por Jack Corliss de la Universidad Estatal de Oregon se sumergió 2,5 kilómetros en el Pacífico Este. Estudiaron las aguas termales de Galápagos en lugares donde se elevaban altas cordilleras del lecho marino. Estas crestas eran volcánicamente activas.
Corliss descubrió que estas crestas estaban literalmente salpicadas de fuentes termales. El agua caliente rica en productos químicos se eleva desde debajo del lecho marino y fluye a través de los agujeros en las rocas.
Increíblemente, estos respiraderos hidrotermales estaban densamente poblados de animales extraños. Había enormes almejas, mejillones y anélidos. El agua también estaba muy saturada de bacterias. Todos estos organismos vivían de la energía de los respiraderos hidrotermales.
El descubrimiento de estas fuentes le dio a Corliss un nombre. Y me hizo pensar. En 1981, sugirió que tales respiraderos existían en la Tierra hace cuatro mil millones de años y que se convirtieron en el lugar de origen de la vida. Ha dedicado la mayor parte de su carrera a estudiar este tema.
Los respiraderos hidrotermales tienen una vida extraña
Corliss sugirió que los respiraderos hidrotermales podrían crear cócteles de químicos. Cada fuente, dijo, era una especie de spray de caldo primordial.
A medida que el agua caliente fluía a través de las rocas, el calor y la presión hicieron que los compuestos orgánicos simples se fusionaran en otros más complejos, como aminoácidos, nucleótidos y azúcares. Más cerca de la frontera con el océano, donde el agua no estaba tan caliente, comenzaron a unirse en cadenas para formar carbohidratos, proteínas y nucleótidos como el ADN. Luego, cuando el agua se acercó al océano y se enfrió aún más, estas moléculas se reunieron en células simples.
Fue interesante, la teoría llamó la atención de la gente. Pero Stanley Miller, cuyo experimento discutimos en la primera parte, no lo creyó. En 1988, escribió que los respiraderos profundos estaban demasiado calientes.
Aunque el calor intenso puede producir sustancias químicas como los aminoácidos, los experimentos de Miller demostraron que también puede destruirlos. Los compuestos básicos como los azúcares "podrían sobrevivir durante un par de segundos, no más". Además, es poco probable que estas moléculas simples se unan en cadenas, ya que el agua circundante las rompería instantáneamente.
En esta etapa, el geólogo Mike Russell se unió a la batalla. Creía que la teoría de los respiraderos hidrotermales podría ser bastante correcta. Además, le parecía que estas fuentes serían el hogar ideal para los precursores del organismo Wachtershauser. Esta inspiración lo llevó a crear una de las teorías más aceptadas sobre los orígenes de la vida.
Geólogo Michael Russell
La carrera de Russell tuvo muchas cosas interesantes: hizo aspirinas, buscando minerales valiosos, y en un incidente notable en la década de 1960, coordinó la respuesta a una posible erupción volcánica, a pesar de la falta de preparación. Pero estaba más interesado en cómo cambió la superficie de la Tierra a lo largo de los eones. Esta perspectiva geológica dio lugar a sus ideas sobre el origen de la vida.
En la década de 1980, encontró evidencia fósil de un tipo de veta hidrotermal menos turbulenta, donde las temperaturas no superaron los 150 grados Celsius. Estas temperaturas suaves, dijo, podrían permitir que las moléculas de la vida vivieran más de lo que pensaba Miller.
Además, los restos fósiles de estos respiraderos "fríos" contenían algo extraño: el mineral pirita, compuesto de hierro y azufre, se había formado en tubos de 1 mm de diámetro. Mientras trabajaba en el laboratorio, Russell descubrió que la pirita también podía formar gotas esféricas. Y sugirió que las primeras moléculas orgánicas complejas podrían haberse formado dentro de estas estructuras simples de pirita.
Pirita de hierro
Fue por esta época cuando Wachtershauser comenzó a publicar sus ideas, que se basaban en el flujo de agua caliente enriquecida químicamente que fluía a través de los minerales. Incluso sugirió que la pirita estaba involucrada.
Russell agregó dos más dos. Sugirió que los respiraderos hidrotermales en las profundidades del mar, lo suficientemente fríos como para permitir que se formaran estructuras de pirita, albergaban precursores de organismos Wachtershauser. Si Russell tenía razón, la vida comenzó en el fondo del mar y apareció por primera vez el metabolismo.
Russell reunió todo en un artículo publicado en 1993, 40 años después del experimento clásico de Miller. No generó el mismo revuelo en los medios, pero podría decirse que fue más importante. Russell ha combinado dos ideas aparentemente separadas, los ciclos metabólicos de Wachtershauser y los respiraderos hidrotermales de Corliss, en algo realmente convincente.
norte
Russell incluso ofreció una explicación de cómo los primeros organismos obtuvieron su energía. Es decir, entendió cómo podría funcionar su metabolismo. Su idea se basó en el trabajo de uno de los genios olvidados de la ciencia moderna.
Peter Mitchell, premio Nobel
En la década de 1960, el bioquímico Peter Mitchell enfermó y se vio obligado a retirarse de la Universidad de Edimburgo. En cambio, instaló un laboratorio privado en una propiedad remota en Cornwall. Aislado de la comunidad científica, financió su trabajo con un rebaño de vacas lecheras. Muchos bioquímicos, incluida Leslie Orgel, cuyo trabajo sobre el ARN discutimos en la segunda parte, consideraron las ideas de Mitchell completamente ridículas.
Unas décadas más tarde, Mitchell esperaba una victoria absoluta: el Premio Nobel de Química de 1978. No se hizo famoso, pero sus ideas están hoy en todos los libros de texto de biología. Mitchell pasó su carrera averiguando qué hacen los organismos con la energía que obtienen de los alimentos. Básicamente, se preguntó cómo nos las arreglamos para mantenernos vivos cada segundo.
Sabía que todas las células almacenan su energía en una molécula: trifosfato de adenosina (ATP). Una cadena de tres fosfatos está unida a la adenosina. Agregar un tercer fosfato requiere mucha energía, que luego se bloquea en ATP.
Cuando una célula necesita energía, por ejemplo, cuando un músculo se contrae, descompone un tercer fosfato en ATP. Esto convierte el ATP en adenosidifosfato (ADP) y libera energía almacenada. Mitchell quería saber cómo una célula produce ATP en general. ¿Cómo almacena suficiente energía en ADP para unir el tercer fosfato?
Mitchell sabía que la enzima que produce ATP estaba en la membrana. Por lo tanto, asumí que la célula bombea partículas cargadas (protones) a través de la membrana, por lo que hay muchos protones en un lado, pero no en el otro.
Luego, los protones intentan volver a filtrarse a través de la membrana para equilibrar la cantidad de protones en cada lado, pero el único lugar por el que pueden pasar es la enzima. El flujo de protones que fluyen proporcionó a la enzima la energía necesaria para crear ATP.
Mitchell presentó su idea por primera vez en 1961. Pasó los siguientes 15 años defendiéndola por todos lados, hasta que la evidencia fue irrefutable. Ahora sabemos que todos los seres vivos de la Tierra utilizan el proceso de Mitchell. En este momento, está fluyendo en sus células. Como el ADN, subyace a la vida que conocemos.
Russell tomó prestada de Mitchell la idea del gradiente de protones: hay muchos protones en un lado de la membrana y pocos en el otro. Todas las células necesitan un gradiente de protones para almacenar energía.
Las células modernas crean gradientes bombeando protones a través de las membranas, pero esto requiere un mecanismo molecular complejo que simplemente no podría aparecer por sí solo. Así que Russell dio otro paso lógico: la vida tenía que formarse en algún lugar con un gradiente de protones natural.
Por ejemplo, en algún lugar cerca de respiraderos hidrotermales. Pero debe ser un tipo especial de fuente. Cuando la Tierra era joven, los mares eran ácidos y hay muchos protones en el agua ácida. Para crear un gradiente de protones, la fuente de agua debe ser baja en protones: debe ser alcalina.
Las fuentes de Corliss no encajaban. No solo estaban demasiado calientes, sino que también estaban agrias. Pero en 2000, Deborah Kelly de la Universidad de Washington descubrió las primeras fuentes alcalinas.
Ciudad perdida
Kelly tuvo que trabajar duro para convertirse en científica. Su padre murió mientras ella estaba terminando la escuela secundaria y se vio obligada a trabajar para permanecer en la universidad. Pero se las arregló y eligió los volcanes submarinos y los manantiales hidrotermales calientes como el tema de su interés. Esta pareja la llevó al centro del Océano Atlántico. En este punto, la corteza terrestre se agrietó y una cresta de montañas se elevó desde el lecho marino.
En esta cresta, Kelly descubrió un campo de respiraderos hidrotermales, al que llamó "La Ciudad Perdida". No se parecían a los encontrados por Corliss. El agua fluía de ellos a una temperatura de 40 a 75 grados Celsius y era ligeramente alcalina. Los minerales de carbonato de esta agua se agruparon en empinadas "columnas de humo" blancas que se elevaron del lecho marino como tubos de órgano. Se ven espeluznantes y fantasmales, pero no lo son: son el hogar de muchos microorganismos.
Estos respiraderos alcalinos encajan perfectamente con las ideas de Russell. Creía firmemente que la vida aparecía en esas “ciudades perdidas”. Pero había un problema. Como geólogo, no sabía mucho sobre células biológicas para presentar su teoría de manera convincente.
Una columna de humo de la "sala de fumadores negra"
Así que Russell se asoció con el biólogo William Martin. En 2003, presentaron una versión mejorada de las ideas anteriores de Russell. Y esta es probablemente la mejor teoría del surgimiento de la vida en este momento.
Gracias a Kelly, ahora sabían que las rocas de los manantiales alcalinos eran porosas: estaban salpicadas de pequeños agujeros llenos de agua. Estos pequeños bolsillos, sugirieron, actuaban como "células". Cada bolsillo contenía productos químicos básicos, incluida la pirita. Combinados con el gradiente de protones natural de las fuentes, eran el lugar perfecto para iniciar el metabolismo.
Después de que la vida aprendiera a aprovechar la energía de las aguas de manantial, dicen Russell y Martin, comenzó a crear moléculas como el ARN. Al final, creó una membrana para sí misma y se convirtió en una célula real, escapando de la roca porosa al mar abierto.
Tal trama se considera actualmente como una de las principales hipótesis sobre el origen de la vida.
Las células huyen de los respiraderos hidrotermales
En julio de 2016, obtuvo apoyo cuando Martin publicó un estudio que reconstruía algunos de los detalles del "último ancestro común universal" (LUCA). Es un organismo que vivió hace miles de millones de años y del que se originó toda la vida existente.
Es poco probable que alguna vez encontremos evidencia fosilizada directa de la existencia de este organismo, pero, sin embargo, podemos hacer conjeturas bastante fundamentadas sobre cómo se veía y qué hacía al estudiar los microorganismos de nuestros días. Esto es lo que hizo Martin.
Examinó el ADN de los microorganismos modernos de 1930 e identificó 355 genes que casi todo el mundo tenía. Esta es una evidencia convincente de la transferencia de estos 355 genes, a través de generaciones y generaciones, desde un ancestro común, alrededor de la época en que vivió el último ancestro común universal.
Estos 355 genes activan a algunos para que utilicen el gradiente de protones, pero no para generarlo, como predijeron Russell y Martin. Es más, LUCA parece haberse adaptado a la presencia de sustancias químicas como el metano, lo que sugiere que habitaba en un entorno similar a un respiradero volcánicamente activo.
Los defensores de la hipótesis del "mundo del ARN" señalan dos problemas con esta teoría. Uno se puede arreglar; el otro puede ser fatal.
Manantiales hidrotermales
El primer problema es que no hay evidencia experimental de los procesos descritos por Russell y Martin. Tienen un historial paso a paso, pero ninguno de estos pasos se ha observado en el laboratorio.
“Las personas que creen que todo comenzó con la reproducción encuentran constantemente nuevos datos experimentales”, dice Armen Mulkidzhanyan. "Las personas que defienden el metabolismo no lo hacen".
Pero eso podría cambiar, gracias al colega de Martin, Nick Lane, del University College London. Construyó un "Reactor del origen de la vida" que simula las condiciones dentro de una fuente alcalina. Espera ver ciclos metabólicos y tal vez incluso moléculas como el ARN. Pero es demasiado pronto.
El segundo problema es la ubicación de las fuentes en las profundidades marinas. Como señaló Miller en 1988, las moléculas de cadena larga como el ARN y las proteínas no se pueden formar en el agua sin enzimas auxiliares.
Para muchos científicos, este es un argumento fatal. “Si eres bueno en química, no te sobornará la idea de manantiales de aguas profundas, porque sabes que la química de todas estas moléculas es incompatible con el agua”, dice Mulkidzhanian.
Sin embargo, Russell y sus aliados siguen siendo optimistas.
Fue solo en la última década que surgió un tercer enfoque, apoyado por una serie de experimentos inusuales. Promete algo que ni el mundo del ARN ni los respiraderos hidrotermales han podido lograr: una forma de crear una célula completa desde cero. Más sobre esto en la siguiente parte.
ILYA KHEL
- Primera parte: Cómo hacer una jaula -
- Segunda parte: Una división en las filas de científicos -
- Tercera parte: en busca del primer replicador -
- Quinta parte: entonces, ¿cómo se crea una célula? -
- Sexta parte: La Gran Unificación -
