¿Cuándo surgió la vida en la Tierra?

Cuando surgió la vida en la Tierra. Los geólogos calculan que la Tierra se formó hace alrededor de 4500 millones de años. Esta estimación se obtuvo tras medir la edad de las rocas más antiguas de la Tierra, así como las edades de rocas de la Luna y meteoritos, con la datación radiométrica (en la cual se utiliza la descomposición de isótopos radiactivos para calcular el tiempo transcurrido desde la formación de una roca).

Durante muchos millones de años, la Tierra temprana recibió el impacto de asteroides y otros objetos celestes. Además, las temperaturas eran muy altas (el agua tomaba la forma de un gas, no de un líquido). Los primeros indicios de vida pudieron surgir durante una pausa en el bombardeo de asteroides, hace unos 4400 o 4000 millones de años, cuando la Tierra estaba lo suficientemente fría como para que el agua se condensara en los océanos.

Sin embargo, se produjo un segundo bombardeo hace unos 3900 millones de años. Es probable que después de este ciclo final la Tierra lograra tener condiciones para la vida continua.

Los primeros indicios de vida fósil

Los primeros indicios de vida en la Tierra provienen de fósiles descubiertos en Australia Occidental, que datan de hace 3500 millones de años. Estos fósiles son de estructuras conocidas como estromatolitos que, en muchos casos, se formaron con el crecimiento de capa tras capa de microbios unicelulares, tales como cianobacterias (los estromatolitos también se forman con microbios actuales, no solo prehistóricos).

Estromatolito

Los estromatolitosson estructuras minerales bioconstruidas debido a la actividad de poblaciones microbianas. Estas conformaciones órgano-sedimentarias se desarrollan adheridas a un sustrato y sobresalen del mismo, produciendo grandes variedades morfológicas y volumétricas. Existen estromatolitos fósiles en todas las eras geológicas y el primer registro data desde hace 3.500 millones de años en Warrawoona, Australia.

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Características de los estromatolitos

Las principales características de los estromatolitos son:

• El desarrollo y crecimiento de los estromatolitos está relacionado con la presencia de agua, de hecho, están presentes tanto en cuerpos de agua salobres como dulces.
• En la mayoría de los casos están relacionados a condiciones complicadas para la vida, como altas temperaturas, salinidad y pH ácidos.
• Son generalmente de forma laminar, crecen de manera estratificada constituyendo capas porosas paralelas al sustrato.
• Dichas láminas pueden variar en algunos milímetros de espesor y en su morfología que suele ser plana, hemisférica o columnar.
• La diversidad biológica de cada comunidad estromatolítica depende exclusivamente de las condiciones del ambiente: exposición lumínica, temperatura, concentración de sales, profundidad, etc.
• Las principales representantes de dicha comunidad suelen ser las cianobacterias y bacterias heterotróficas.

Las cianobacterias u oxifotobacterias son un filo de organismos procariotas, autótrofos y unicelulares capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica. Pertenecen al grupo de las bacterias gramnegativas y su nombre puede traducirse como “bacterias azules”, pues el prefijo ciano- hace referencia a su color azulado característico.

Su clasificación ha sufrido algunas modificaciones a lo largo del tiempo:

• En un principio, las cianobacterias fueron incluidas en el reino de las plantas y se les llamaba cianofitas, que significa plantas azules.
• Luego, empezaron a considerarse algas y a ser llamadas cianofíceas, que significa algas azules. Se creía que las cianobacterias eran algas debido a su capacidad fotosintética.
• Más tarde, se redefinió el término alga y se reservó exclusivamente para los organismos eucariontes fotosintéticos, quedando las cianobacterias excluidas de este grupo por ser organismos procariontes.
• En la actualidad, se agrupa a las cianobacterias en la clase Cyanophyceae del dominio Bacteria, perteneciente al ya en desuso reino Monera.

Se les sigue conociendo como algas verdeazuladas a pesar de que, como ya establecimos, no son algas sino bacterias. Podemos decir, entonces, que el reino de las cianobacterias es el reino Monera (que engloba a los dominios Archaea y Bacteria y se encuentra en desuso, pues taxonómicamente, no se clasifica en reinos a los organismos procariotas).

Ahora que ya sabemos qué son las cianobacterias, vamos a conocer cuáles son sus características.

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Características de las cianobacterias

Empezamos indicando las principales características de las cianobacterias para conocerlas mejor poco a poco:

• Son los únicos procariontes capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica: un procarionte u organismo procariota es aquel que está compuesto por células procariotas, que no tienen un núcleo celular definido. La fotosíntesis oxigénica es aquella en la que se utilizan los electrones del agua para convertir energía lumínica en energía química y compuestos químicos inorgánicos, como el dióxido de carbono, el nitrógeno o el fósforo, en compuestos químicos orgánicos como el oxígeno.
• Otra característica distintiva de las cianobacterias es su llamativo color verdeazulado: que va desde un verde muy tenue hasta un color azul tan oscuro que asemeja al negro. Esta pigmentación se debe a la ficobilina, una clase de compuestos cromóforos presentes en el citoplasma de las cianobacterias. A pesar de que como su nombre lo indica, los colores más comunes en las cianobacterias son los que derivan del verdeazulado, existen numerosas especies que presentan tonos rojizos o cobrizos.
• Son más grandes que la mayoría de bacterias: aunque las cianobacterias son organismos microscópicos de tan solo unos cuantos micrómetros de longitud.
• Se reproducen asexualmente: mediante la fisión binaria, la fisión múltiple, la gemación o la fragmentación.
• Tienen una respiración aeróbica.
• A pesar de que son organismos unicelulares, suelen agruparse y formar colonias extensas, que incluso van desde los miles hasta los millones de individuos agrupados en asociaciones coloniales.
• Las cianobacterias habitan en todo tipo de ecosistemas: tanto ecosistemas acuáticos como ecosistemas terrestres con niveles aceptables de humedad. Con esta característica de las cianobacterias, se pueden encontrar en estanques, lagos, lagunas, ríos, humedales, manglares, océanos, depósitos de agua subterráneos, cuevas, selvas, montañas, bosques, la superficie de formaciones rocosas, la piel de algunos animales e incluso, suelen aparecer cianobacterias en acuarios, tanques y fuentes.
• Algunas cianobacterias son extremófilas: soportan condiciones ambientales extremas y viven en ambientes tan inhóspitos como desiertos, aguas termales, fuentes hidrotermales, glaciares, lagos hipersalinos, aguas muy alcalinas e incluso, en el espacio exterior.
• Hay especies de cianobacterias que establecen relaciones simbióticas con helechos, protistas u hongos. La simbiosis entre una cianobacteria y un hongo se conoce comúnmente como liquen.

Aunque la mayoría de las cianobacterias tienen las características anteriormente mencionadas, existen ciertas excepciones. Hay especies de cianobacterias que, por ejemplo, son macroscópicas y no microscópicas o heterótrofas y no autótrofas.

Ahora que ya hemos visto cuáles son las características de las cianobacterias, vamos a ver cuál es su estructura interna y sus orgánulos.

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Orgánulos de las cianobacterias

Aunque ya hemos indicado las principales características, profundizamos más en los rasgos de estos pequeños organismos y hablamos sobre losorgánulos de las cianobacterias:

• Carboxisomas: son los encargados de la fijación de CO2.
• Vesículas de gas: permiten la flotabilidad.
• Gránulos de cianoficina: almacenan la proteína cianoficina y el almidón cianofíceo.
• Gránulos de glucógeno: almacenan energía.
• Proto núcleo: representa la región en la cual se encuentra el ADN de la cianobacteria, el cual está caracterizado por ser circular, cerrado y desnudo.
• Membrana tilacoidal: es una invaginación de la membrana plasmática en la cual se encuentran los tilacoides.
• Ribosomas: permiten la síntesis de proteínas y miden 70s.
• Membrana celular: está conformada por una membrana plasmática interna y una membrana externa, ambas compuestas por fosfolípidos y hopanoides.
• Pared celular: se encuentra entre las membranas plasmática interna y externa, está compuesta por peptidoglucanos y proporciona protección mecánica a la célula.
• Laminillas fotosintéticas: contienen pigmentos fotosintéticos como la clorofila a, los carotenoides y las ficobilinas.

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Grupos de cianobacterias

Las agrupaciones que forman estos microorganismos se denominan colonias trímeras (porque crecen y se ramifican en tres direcciones) y están compuestas por células altamente especializadas que cumplen funciones específicas dentro de la colonia. Algunas de las células que conforman las colonias trímeras de cianobacterias son:

• Heterocistos: son las células encargadas de fijar el nitrógeno atmosférico.
• Acinetos: son las células más grandes y sirven para almacenar almidón cianofíceo.
• Baeocistos: son células encargadas de la ramificación de la colonia mediante la fisión múltiple.
• Nedridios: son células que hacen apoptosis para permitir la propagación de las colonias. Estas células mueren y permiten que segmentos de la colonia (hormogonios) se desprendan y desplacen hasta encontrar un nuevo sustrato en el cual puedan fijarse y formar una nueva colonia.

• Además, pueden encontrarse otros organismos como las diatomeas -algas unicelulares microscópicas-, algas verdes, algas rojas, hongos, crustáceos, sedimentos marinos, entre otros.

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Cómo se forman los estromatolitos

Los estromatolitos se forman a partir de la fijación, captación y precipitación de partículas carbonatadas (principalmente de carbonato de calcio) en tapices o biófilos microbianos. El desarrollo de la comunidad estromatolítica responde a un proceso de formación de dichos biófilos, que son ecosistemas complejos constituidos por microorganismos embebidos en una matriz mucilaginosa. Las cianobacterias, bacterias fotosintetizadoras, suelen ser las principales colonizadoras del denominado tapete que, a partir de un proceso conocido como fotosíntesis oxigénica, captan dióxido de carbono de la atmósfera y liberan oxígeno formando carbonatos capaces de precipitar y formar los estromatolitos.

Por lo tanto, el proceso de formación de los mismos se produce por dos mecanismos:

• Mineralización.
• Fijación de sedimentos.

Los metabolismos de las colonias bacterianas y otros microorganismos favorecen a la mineralización o precipitación de distintos minerales y, a su vez, las sustancias que ellos mismos producen pueden atrapar partículas de sedimento en la superficie. De esta manera, la estructura va aumentando de tamaño muy lentamente capa sobre capa y cuando mueren las células correspondientes a una determinada capa, el carbonato cálcico de sus paredes se deposita sobre la anterior y comienza a formarse una nueva capa viva. De esta forma queda constituida una roca de origen orgánico, el estromatolito.

Dónde se encuentran los estromatolitos

Actualmente solo podemos encontrarlos en determinados sitios del planeta:

• Bahamas.
• Bahía tiburón en Australia.
• Cuatro Ciénagas en México.
• Laguna de Bacalar en México.
• Laguna Chichankanab en México.
• Lagoa Salgada en Brasil.
• Mar rojo.
• Reserva Nacional Pampa del Tamarugal en Chile.
• Salar de Llamara en Chile.
• Yellowstone en Estados Unidos.

Un dato curioso está basado en que todos los sitios anteriormente descritos constituyen comunidades estromatolíticas desarrolladas a nivel del mar y en climas cálidos. Hace unos años, se descubrió una excepción: en la Puna Argentina, uno de los sitios más hostiles del planeta, en donde existen características similares a las de la Tierra primitiva, investigadoras e investigadores encontraron diversas comunidades estromatolíticas en:

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• Laguna Socompa en la provincia de Salta.
• Laguna Diamante en Catamarca.
• Ojos de mar en Tólar Grande en Salta.

Pero eso no es todo, gracias al trabajo de una gran cantidad de personas se descubrió que la laguna Socompa constituye un caso muy particular debido a que es el único sitio en el mundo en donde coexisten estromatolitos vivos (en actual formación) y fosilizados.

Los primeros fósiles de microbios, en lugar de solo sus subproductos, conservan los restos de lo que los científicos creen son bacterias metabolizadoras de azufre. Los fósiles también provienen de Australia y datan de hace unos 3400 millones de años.

Las bacterias son relativamente complejas, lo cual indica que la vida probablemente comenzó mucho antes que hace 3500 millones de años. Sin embargo, la falta de indicios de vida fósil anterior dificulta (o hace imposible) determinar con precisión el momento en que se originó la vida.

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¿Cómo pudo surgir la vida?

En la década de 1920, los científicos rusos Aleksandr Oparin e inglés J. B. S. Haldane propusieron de manera independiente la ahora llamada teoría de Oparin y Haldane: la vida en la Tierra podría haber surgido paso a paso de materia no viva a través de un proceso de “evolución química gradual”.

Oparin y Haldane pensaban que la Tierra en sus inicios tenía una atmósfera reductora —es decir, con una muy baja concentración de oxígeno—, en la cual las moléculas tienden a donar electrones. En estas condiciones, ellos sugirieron que:

• Moléculas inorgánicas simples pudieron haber reaccionado (con energía de rayos o el sol) para formar unidades estructurales, como aminoácidos y nucleótidos, que pudieron haberse acumulado en los océanos para formar una «sopa primordial».
• Los ladrillos pudieron haberse combinado en otras reacciones para formar moléculas más grandes y complejas (polímeros), como proteínas y ácidos nucleicos, tal vez en pozos en la orilla del agua.
• Los polímeros pudieron haberse ensamblado en unidades o estructuras que fueran capaces de mantenerse y duplicarse a sí mismas. Oparin pensaba que estas pudieron ser “colonias” de proteínas agrupadas para llevar a cabo el metabolismo, mientras que Haldane indicó que las macromoléculas quedaron encerradas por membranas para formar estructuras similares a las células.

Los detalles de este modelo probablemente no son del todo correctos. Por ejemplo, los geólogos hoy en día piensan que la atmósfera no era reductora y no está claro si los primeros indicios de vida surgieron en los pozos a la orilla del mar. No obstante, la idea básica —una formación espontánea paso a paso de moléculas o ensambles biológicos simples, después más complejos y luego autosustentables— todavía es el elemento central de la mayoría de hipótesis sobre el origen de la vida.

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De compuestos inorgánicos a unidades estructurales

En 1953, Stanley Miller y Harold Urey hicieron un experimento para comprobar las ideas de Oparin y Haldane. Determinaron que las moléculas orgánicas podrían formarse espontáneamente en condiciones reductoras, las cuales se pensaba que eran similares a las de la Tierra en sus inicios.

Miller y Urey construyeron un sistema cerrado que incluía un recipiente con agua caliente y una mezcla de gases que supuestamente abundaban en la atmósfera terrestre en sus inicios. Para simular los relámpagos que posiblemente proporcionaron energía para las reacciones químicas en la atmósfera de la Tierra primitiva, Miller y Urey hicieron pasar chispas eléctricas a través de su sistema experimental.

Representación del equipo que usaron Miller y Urey para simular las condiciones en la Tierra en sus inicios.

Crédito de la imagen: «Experimento de Miller y Urey», de la Fundación CK-12, CC BY-NC 3.0

Después de dejar que el experimento funcionara durante una semana, Miller y Urey vieron que se habían formado varios tipos de aminoácidos, azúcares, lípidos y otras moléculas orgánicas. Aunque faltaban moléculas grandes y complejas (como las de ADN y proteínas), su experimento demostró que por lo menos algunas de las unidades estructurales de estas moléculas podrían formarse espontáneamente a partir de compuestos simples.

¿Los resultados de Miller y Urey fueron significativos?

En la actualidad, los científicos creen que la atmósfera de la Tierra en sus inicios era diferente al experimento de Miller y Urey (es decir, no reductora y con bajos niveles de amoniaco y metano). Por lo tanto, se duda que Miller y Urey hicieran una simulación precisa de las condiciones en la Tierra en aquel entonces.

Sin embargo, varios experimentos realizados en años posteriores han demostrado que pueden formarse unidades estructurales orgánicas (especialmente aminoácidos) a partir de precursores inorgánicos en condiciones muy variadas. 

A partir de estos experimentos, parece razonable pensar que al menos algunas de las unidades estructurales de la vida pudieron tener una formación abiótica en esta época. Sin embargo, sigue siendo una incógnita exactamente cómo (y en qué condiciones).

De unidades estructurales a polímeros

¿Cómo fue que en los inicios de la Tierra los monómeros (unidades estructurales), por ejemplo, aminoácidos o nucleótidos, pudieron ensamblarse en polímeros, o macromoléculas biológicas reales? En las células actuales, las enzimas arman los polímeros. Sin embargo, dado que las enzimas son polímeros, ¡este es el clásico problema del huevo y la gallina!

Es posible que se formaran polímeros a partir de monómeros espontáneamente en las condiciones encontradas en la Tierra en sus inicios. Por ejemplo, en la década de 1950, el bioquímico Sidney Fox y sus colegas determinaron que, si los aminoácidos se calentaban en ausencia de agua, podrían vincularse para formar proteínas. Fox sugirió que, en esa época, el agua de mar que transportaba los aminoácidos pudo salpicar sobre una superficie caliente como un flujo de lava, lo cual hizo hervir el agua y dejar una proteína.

Experimentos adicionales en la década del 90 demostraron que los nucleótidos de ARN pueden vincularse cuando son expuestos a una superficie de arcilla, la cual actúa como un catalizador para formar un polímero de ARN. En términos más generales, la arcilla y otras superficies minerales pueden haber tenido una función clave en la formación de polímeros al actuar como soportes o catalizadores. Los polímeros que flotan en una solución pueden hidrolizarse (descomponerse) rápidamente, lo cual avala un modelo de unión a una superficie.

La imagen de arriba muestra un ejemplo de un tipo de arcilla conocida como montmorillonita. En particular, tiene propiedades catalíticas y de organización que pueden haber sido importantes en los orígenes de la vida, tales como la capacidad de catalizar la formación de polímeros de ARN (y también el ensamble de vesículas de lípidos similares a células).

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¿Cuál era la naturaleza de la vida en sus inicios?

Si imaginamos que en los inicios de la Tierra pudieron formarse polímeros, esto aún nos deja con la duda de cómo llegaron a duplicarse o perpetuarse a sí mismos y cumplir los criterios más básicos para la vida. Este es un tema sobre el cual hay muchas ideas, pero poca certeza acerca de la respuesta correcta.

Las hipótesis de «los genes primero»

Una posibilidad es que las primeras formas de vida fueron ácidos nucleicos que se duplicaron a sí mismos, como el ARN o ADN, y que otros elementos (como las redes metabólicas) fueron un complemento posterior a este sistema básico, lo cual se llama hipótesis de los genes primero.

Muchos científicos que avalan esta hipótesis piensan que el ARN, no el ADN, probablemente fue el primer material genético, lo cual se conoce como la hipótesis del mundo del ARN. Los científicos favorecen el ARN como la primera molécula genética por varias razones. Tal vez la más importante es que el ARN puede, además de llevar información, actuar como un catalizador. En cambio, no sabemos de ninguna molécula catalítica de ADN que surja de forma natural.

Los catalizadores de ARN se llaman ribozimas y pudieron tener funciones clave en el mundo del ARN. Un ARN catalítico podría posiblemente catalizar una reacción química para duplicarse a sí mismo. Dicho ARN autorreplicante podría pasar material genético de generación en generación, cumplir con los criterios más básicos para la vida y, potencialmente, pasar por un proceso de evolución. De hecho, algunos investigadores han podido diseñar sintéticamente ribozimas pequeñas capaces de autorreplicarse.

También es posible que el ARN no fuera la primera molécula portadora de información que sirviera como material genético. Algunos científicos piensan que incluso una molécula más sencilla “similar al ARN” con capacidad catalítica y de portar información pudo surgir antes, y pudiera haber catalizado la síntesis de ARN o actuado como un molde para esta. En ocasiones esto se conoce como hipótesis del «mundo previo al ARN.

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La hipótesis de «primero el metabolismo»

Una alternativa a la hipótesis de primero los genes es la de primero el metabolismo, que sugiere que las redes de reacciones metabólicas autosustentables pueden haber sido la primera forma de vida simple (antes de los ácidos nucleicos).

Estas redes pudieron formarse, por ejemplo, cerca de respiradores hidrotérmicos submarinos que proporcionaron un suministro continuo de precursores químicos y que pudieron ser autosustentables y persistentes (cumplen los criterios básicos para la vida). En este caso, vías inicialmente simples pudieron producir moléculas que actuaron como catalizadores para la formación de moléculas más complejas. Finalmente, las redes metabólicas pudieron construir grandes moléculas, como proteínas y ácidos nucleicos. La formación de «individuos» rodeados de membranas (independientes de la red comunal) habría sido un paso posterior.

¿Cómo pudo ser la apariencia de las células en sus inicios?

Una propiedad básica de una célula es la capacidad de mantener un ambiente interno diferente del entorno. Las células actuales están separadas del ambiente por una bicapa de fosfolípidos. Es poco probable que los fosfolípidos existieran en las condiciones en que se formaron las primeras células, pero se ha demostrado que otros tipos de lípidos (aquellos que tienen más probabilidad de haber estado disponibles) también forman espontáneamente compartimentos.

En principio, este tipo de compartimento pudo rodear una ribozima autorreplicante o los componentes de una vía metabólica, y formar una célula muy básica. Aunque es intrigante, este tipo de idea no cuenta con el respaldo de pruebas experimentales, es decir, ningún experimento ha podido generar espontáneamente una célula autorreplicante a partir de componentes abióticos (no vivos).

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Otra posibilidad: moléculas orgánicas del espacio exterior

Las moléculas orgánicas pudieron formarse espontáneamente a partir de las inorgánicas en la Tierra en sus inicios, à la Miller-Urey. Sin embargo, ¿pudieron también llegar desde el espacio?

La idea de que las moléculas orgánicas pudieron viajar a la Tierra en meteoritos puede sonar a ciencia ficción, pero cuenta con el respaldo de pruebas razonables. Por ejemplo, algunos científicos han determinado que las moléculas orgánicas pueden producirse a partir de precursores químicos simples presentes en el espacio en condiciones que serían posibles (radiación ultravioleta alta y temperatura baja). También sabemos que algunos compuestos orgánicos se encuentran en el espacio y en otros sistemas estelares.

Lo más importante es que en varios meteoritos se han encontrado compuestos orgánicos (derivados del espacio, no de la Tierra). Un meteorito, ALH84001, que vino de Marte contenía moléculas orgánicas con varias estructuras en anillo. Otro meteorito, el Murchison, portaba bases nitrogenadas (como las que se encuentran en el ADN y ARN), así como una amplia variedad de aminoácidos.

Un meteorito que cayó en el año 2000 en Canadá contenía diminutas estructuras orgánicas llamadas «glóbulos orgánicos». Los científicos de la NASA creen que este tipo de meteorito pudo caer con frecuencia en la Tierra durante sus inicios y sembrarla de compuestos

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Resumen

El origen de la vida en nuestro planeta es un tema muy complejo y fascinante.

Sabemos aproximadamente cuándo comenzó, pero el cómo sigue siendo un misterio.

• Miller, Urey y otros demostraron que las moléculas inorgánicas simples podrían combinarse para formar las unidades estructurales orgánicas necesarias para la vida tal como la conocemos.
• Una vez formadas, estas unidades estructurales pudieron juntarse para formar polímeros, como las proteínas o ARN.
• Muchos científicos están a favor de la hipótesis del mundo del ARN, no del ADN, la cual indica que el ARN fue la primera molécula genética de la vida en la Tierra. Otras ideas incluyen la hipótesis del mundo antes del ARN y la hipótesis de primero el metabolismo.
• Los compuestos orgánicos pudieron llegar a la Tierra en meteoritos y otros objetos celestes.

Estas no son las únicas ideas científicas acerca de cómo la vida pudo haberse originado y ninguna es concluyente. Hay que mantenerse atento a medida que surge nueva información y se proponen nuevas ideas científicas sobre el origen de la vida.