El Origen de la vida en tierra firme

El origen de la vida en tierra firme. Siempre se ha creído que la vida surgió en el mar hace unos 3800 millones de años. Recientemente se ha propuesto que las fuentes hidrotermales del océano jugaron un papel importante. Allí habría un ambiente químico a salvo de los rayos ultravioleta.

Esta hipótesis tiene un problema según un científico de Alemania, Armen Mulkidjanian, pues el océano contiene sal. El citoplasma de las células contiene muchos más iones de potasio que de sodio, mientras que el agua del mar es mucho más rica en sodio que en potasio. Se supone (y esto es otra hipótesis) que el citoplasma celular actual sería un reflejo del medio en el que se formó la primera célula.

En Rusia se han encontrado unos charcos que se formaron a partir de la condensación de vapor hidrotermal con el adecuado contenido de iones de sodio y potasio. Según Mulkidjanian la vida pudo originarse en tierra firme en charcos de ese tipo o lagunas similares de agua dulce en lugar de en el mar.

Los críticos de la idea apuntan a que puede suceder que la vida se formara en el océano y que luego las primeras células aprendieran a bombear fuera los iones de sodio, tal y como hacen muchos microorganismos actuales. Otros críticos simplemente dicen que la idea es absurda. En mi opinión yo creo que antes de descartar esta teoría por parecer absurda se debería investigar a fondo, ya que se deben estudiar todas las posibilidades acerca del origen de la vida.

La vida en tierra firme comenzó con una invasión

El primer estudio que utilizó huellas de fósiles -como marcas y madrigueras – muestra cómo se desarrolló un gran paso evolutivo para la Tierra, la colonización de la tierra firme.    La invasión inicial ocurrió a través del mundo, desde las franjas entre la tierra y los océanos, seguidas por la extensión más adelante hacia llanuras de inundación, ríos, desiertos y lagos.    Es la primera vez que se identifica tal patrón usando rastros de fósiles para seguir la evolución del comportamiento.

Se proponen las charcas hidrotermales en tierra firme como los lugares más propicios para el origen de la vida en este planeta.

Hasta ahora los científicos habían convenido que  las plantas y otras criaturas sólo han vivido en tierra firme durante los últimos 500 millones de años, y que las tierras emergidas de nuestro planeta eran tan estériles como los de Marte, con todas las formas de vida existentes en el mar.

Sin embargo,  un nuevo estudio dirigido por el geólogo J. Gregory Retallack, de la Universidad de Oregón, ha presentado evidencias de vida en la tierra cuatro veces antes de lo que se creía, es decir hace 2200 millones de años, casi la mitad del camino en la historia del planeta desde sus inicios.

Esta prueba, que se detalla en la edición de septiembre de la revista Precambrian Research, está basada en el descubrimiento de unos fósiles del tamaño de cabezas de fósforos que se conectan entre sí en forma de manojos de hilos, y que han sido encontrados en la superficie de un yacimiento en Sudáfrica. Los fósiles han sido bautizados como Diskagma buttonii, que significa “fragmentos en forma de disco de Andy Button,” quien los encontró, pero no estaba seguro de lo que eran.

“Desde luego en aquella época no había plantas ni animales, sino algo bastante más simple, aunque ya con estructura de células eucariotas” comenta Retallack, profesor de ciencias geológicas y co-director de las colecciones paleontológicas del Museo de Historia Natural y Cultural de la UO, quien añade que “la mayoría de estos fósiles se asemejan a un organismo actual llamado Geosiphon, un hongo con una cavidad central llena de cianobacterias simbióticas”.

“Ya había evidencias sobre la existencia de cianobacterias, pero no hongos, en la misma edad geológica, y estos nuevos fósiles establecen un punto de referencia nuevo que sitúa antes en el timeline la transformación ecológica de la tierra”, comenta. “Esta aportación tiene mucha importancia, porque los suelos que albergan a estos fósiles se toman también como evidencia de un aumento significativo en la cantidad de oxígeno en la atmósfera, lo que sucedió  hace unos 2400 millones o 2200 millones de años, momento que la comunidad científica conoce como el Gran Evento de la Oxidación”.

Para los estándares modernos, en los que el aire de la Tierra tiene ahora un 21 por ciento de oxígeno, este primer incremento de oxígeno sería modesto, pues se situó en aproximadamente 5 por ciento de oxígeno, pero representó un aumento brutal para los niveles de oxígeno infinitamente bajos que había en el anterior período geológico.

Demostrar que los Diskagma son fósiles, comenta Retallack, constituyó un triunfo técnico porque eran demasiado grandes para ser vistos por completo en el portaobjetos de un microscopio estándar,  y dentro de la roca estaba demasiado oscuro como para verlos directamente a través de las grietas. Así que las muestras se obtuvieron de las imágenes de rayos X de un potente ciclotrón, un acelerador de partículas, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California.

Las imágenes permitieron una restauración tridimensional de la forma de los fósiles: pequeñas estructuras en forma de urna hueca, con un cuenco terminal y el tubo de unión basal. “Por fin tenemos una idea de cómo era la vida en la tierra, similar a la del  Precámbrico”, afirma Retallack. “Tal vez con esta imagen en mente podamos encontrar más y diferentes tipos de fósiles de esta época en los suelos antiguos.”

En sus conclusiones, los investigadores anotaron que su recién bautizado fósil Diskagma es comparable en tamaño y morfología al Thuchomyces lichenoides, un fósil que tiene 2,8 millones de años y que se encuentra también en Sudáfrica, pero con una composición, incluyendo la estructura interior y los oligoelementos, significativamente diferente.

Diskagma también tiene algunas similitudes con tres organismos vivos que se pueden observar al microscopio: los Leocarpus moho de fango fragilis, que se encuentran en Tres Hermanas, en el desierto de Oregón; el liquen Cladonia ecmocyna, que habita cerca del lago Fishtrap, en Montana; y el hongo Geosiphon pyriformis, que vive cerca de Darmstadt, en Alemania.

Los autores han llegado a la conclusión de que este nuevo fósil es un candidato prometedor para obtener el título al eucariota más antiguo conocido, es decir, el primer organismo de células con estructuras complejas, incluyendo una membrana celular,  núcleo y citoplasma.

Siempre se ha creído que la vida surgió en el mar hace unos 3800 millones de años. Aunque este evento está sometido a mucha especulación y de vez en cuando se propone algún escenario, mineral o método que supuestamente facilitó esa aparición. Recientemente se ha propuesto que las fuentes hidrotermales del océano jugaron un papel importante. Allí habría un ambiente químico interesante a salvo de los nocivos rayos ultravioleta.
El caso es que creemos que el mar es tan importante para la aparición de vida que incluso cuando se trata de buscar vida en otros mundos buscamos océanos en esos planetas. Sin embargo, esta hipótesis tiene un problema según Armen Mulkidjanian de la Universidad de Osnabrück en Alemania, pues la hipótesis del océano tiene el problema de la sal. El citoplasma de las células contiene muchos más iones de potasio que de sodio, mientras que el agua del mar es mucho más rica en sodio que en potasio. Se supone (y esto es otra hipótesis) que el citoplasma celular actual sería un reflejo del medio en el que se formó la primera célula.

Después de un extenso estudio de campo este investigador dice haber encontrado en Rusia unos charcos que se forman a partir de la condensación de vapor hidrotermal con el adecuado contenido de iones de sodio y potasio. Según Mulkidjanian la vida pudo originarse en tierra firme en charcos o lagunas similares de agua dulce en lugar de en el mar. Las charcas geotermales son los únicos lugares en donde se tendría potasio, zinc, magnesio y fosfato en suficiente cantidad y proporción como para formar aminoácidos y otros compuestos orgánicos, pero sin que estén en exceso. El agua termal disuelve los minerales de las rocas por los que pasa y libera este tipo de elementos, iones y compuestos en un proceso ya bien estudiado.

Además, la baja concentraciones de sales de un charco de agua dulce en tierra firme facilitaría la formación de las primeras protomembranas a partir de los ácidos grasos que se sintetizaran.

Esto resolvería otro misterio. Los nucleótidos que forman el ADN y ARN son sorprendentemente estables bajo la luz ultravioleta (aunque el ADN en sí no lo sea), lo que sugeriría que se formaron en un ambiente en donde había luz UV, como la tierra firme de la época, cuando no había capa de ozono en la atmósfera.
Los críticos de la idea apunta a que puede suceder que la vida se formara el océano y que luego las primeras células aprendieran a bombear fuera los iones de sodio, tal y como hacen muchos microorganismos actuales. Otros críticos simplemente dicen que la idea es absurda.

Pero Paul Knauth, de Arizona State University, también cree que la vida pudo originarse en un charco en tierra firme en lugar de en el mar. El análisis isotópico que ha realizado revela que la Tierra en esa época tenía una temperatura superficial entre 50 y 80 grados centígrados que habría convertido los océanos en masas de salmuera en donde habría sido muy difícil que apareciera la vida. Por eso propone un origen no marino para la vida.

Martin Brasier de la Universidad de Oxford es también de la misma opinión y cree que la vida pudo originarse fuera del océano. Este otro investigador ha encontrado lo que parecen fósiles de bacterias de 3430 millones de años en rocas que no tienen origen marino profundo, sino que se formaron sobre una playa. Sin embargo, cree que Mulkidjanian está equivocado en los detalles. Brasier es más bien de la opinión de que la vida pudo surgir en las costas o en lagunas saladas en lugar de sitios hidrotermales como el encontrado por Mulkidjanian en Rusia.

Quizás, como se ha propuesto, se necesiten rocas y minerales para que se tengan elementos y compuestos necesarios para el origen de la vida y que esto sólo se pueda encontrar en las rocas continentales. Esto apoya la hipótesis del origen de la vida en tierra firme. Pero si esto es cierto tendría implicaciones para la búsqueda de vida fuera de la Tierra. Sitios como Europa, Encelado o Titán serían lugares aún menos propicios para la vida por su ausencia de rocas. Pero incluso otros puntos azul pálidos en otros sistemas tampoco tendrían que necesariamente contener vida.

La hipótesis del charco como origen de la vida ya la enunció Charles Darwin en su día. En una carta de 1871 a Joseph Hooker escribía: “Pero si podemos concebir un charco templado con algo de amoniaco en donde hubiera sales de fósforo, luz, calor, etc, ese compuesto proteico fue formado químicamente, listo para sufrir todavía más cambios complejos…”

Puede que al final Darwin tuviera razón incluso en este aspecto de poner el origen de la vida en una charca de agua templada. Pero, obviamente, hace falta investigar más este y otros escenarios para el origen de la vida. Lo más importante no es saber cómo realmente apareció (cosa que probablemente nunca lleguemos a saber), sino dar con teorías plausibles que nos digan cómo pudo surgir la vida.

La Termodinámica estudia las leyes que gobiernan la transferencia de energía y, por lo tanto, las bases de la vida en la Tierra.

Dos leyes fundamentales la gobiernan: la de la conservación de la materia y la energía, y la de la entropía.
El Universo está compuesto de materia y Energía. Albert Einstein fue el científico que encontró la relación entre ambas:

E=mc²

Donde c = velocidad de la luz e introdujo a la humanidad en la era atómica.

LA EVOLUCIÓN DEL METABOLISMO DE LAS ESPECIES REACTIVAS DEL OXÍGENO 

Las especies reactivas del oxígeno (ROS; O₂^.-, H₂O₂, ^.OH, ¹O₂) son formas parcialmente reducidas o excitadas del oxígeno atmosférico que pueden reaccionar con diferentes componentes celulares, incluyendo macromoléculas esenciales, como proteínas, lípidos o el ADN. En plantas, los principales compartimentos generadores de ROS son (Corpas 2015; Mignolet-Spruyt et al 2016):

• los cloroplastos, que principalmente produce O₂^.-, H₂O₂, ^.y ¹O₂ como subproductos de la fotosíntesis;
• las mitocondrias, que principalmente produce O₂^.- y H₂O₂, como subproductos de la respiración;
• los peroxisomas, que principalmente producen H₂O₂ como subproducto de la fotorrespiración y de la β-oxidación de ácidos grasos, y O₂^.- como subproducto del metabolismo de las purinas;

y el apoplasto, que produce O₂^.- y H₂O₂ como moléculas señalizadoras por la acción de las NADPH oxidasas (denominadas también RBOH, respiratory burst oxidase homolog), peroxidasas y superóxido dismutada (SOD).

Principales compartimentos generadores de ROS en las células vegetales. Modificado a partir de Hernández et al 2016

Aunque las ROS son consideradas como subproductos tóxicos del metabolismo aerobio que deben ser eliminados para prevenir daños celulares, estudios recientes han demostrado que las ROS son empleadas como moléculas señalizadoras, y que incluso es necesario un nivel basal de ROS para sustentar la vida (Mittler 2016). En este sentido, los niveles de ROS han de mantenerse por debajo de un nivel citotóxico, de modo que le permita funcionar de forma segura como moléculas traductoras de señales que puedan mediar diferentes procesos en las células, incluyendo la regulación de rutas metabólicas, procesos fisiológicos tales como el control del cierre estomático, activación de respuestas de aclimatación a estreses abióticos, o de respuesta frente a patógenos, activación de programas de desarrollo y la coordinación de respuestas sistémicas frente a estimulas ambientales (Revisado en Inupakutika et al 2016).

Debido a que las ROS pueden afectar el estado de oxidación de muchas proteínas (oxidando residuos de Cys o de Met), pueden alterar su función y afectar la actividad de varias cascadas de fosforilación, así como a factores de transcripción y de otras proteínas reguladoras. Este proceso se denomina ‘biología Redox’ actuando como un sistema de comunicación entre ROS y los diferentes procesos biológicos que controlan.

La producción de ROS está muy unida a cambios en los niveles celulares de Ca2+, a la función de diferentes receptores, hormonas vegetales, eventos de fosforilación etc.…Todo ello lleva a pensar que la vida en la tierra probablemente evolucionó en presencia de las ROS (Mittler 2016¸ Inupakutika et al 2016). Por lo tanto, es muy probable que ROS aparecieran en la Tierra junto con las primeras moléculas de oxígeno atmosférico hace unos 2.400 a 3.800 millones de años, siendo un compañero constante de la vida aeróbica desde entonces.