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GEOQUÍMICA

Refugios apacibles en un mundo de volcanes

Experimentos con bacterias sugieren que la vida puede haber surgido en tierra firme

Sandro Castelli

Diversas representaciones artísticas muestran a la Tierra repleta de volcanes bajo un verdadero bombardeo de meteoros durante el Hádico, el período geológico que se extendió entre los 4.600 y los 4.000 millones de años atrás. Ése sería el escenario del surgimiento de la vida, aún en formas sencillas. La idea corriente es que océanos de magma o fuentes hidrotermales, grietas en la corteza terrestre que estornudan agua hirviente en el fondo de los mares o sobre la superficie del planeta, podrían ser ambientes propicios para impulsar reacciones químicas para nada triviales y capaces de formar moléculas complejas autorreplicantes: la base de la vida. Pero no existe un consenso al respecto, en parte porque restan pocos indicios que permitan reconstruir, tanto desde el punto de vista geológico como desde el biológico, ese período de la historia del planeta. En general se buscan indicios sobre el Hádico en las rocas, pero el ingeniero geólogo Carlos Roberto de Souza Filho y su equipo del Instituto de Geociencias de la Universidad de Campinas (IGe-Unicamp) resolvieron qué pueden decir bacterias y otros seres unicelulares actuales acerca de ese período, y arribaron a una conclusión distinta. “El surgimiento de la vida también en tierras emergidas es una fuerte posibilidad”, sostiene De Souza Filho con base en resultados publicados en junio en la revista Scientific Reports.

Este trabajo es producto de un encuentro entre la geoquímica y la biología. Durante una pasantía posdoctoral en el laboratorio de De Souza Filho, el geoquímico Alexey Novoselov realizó simulaciones numéricas valiéndose de información referente a algunas características químicas de las bacterias y las arqueas actuales. Formadas por una sola célula, las bacterias y las arqueas existentes en la actualidad descienden de un ancestro común –posiblemente el último antepasado común universal o Luca, por sus siglas en inglés– que habría existido hace alrededor de 4.000 millones de años, poco después del surgimiento de la vida en la Tierra. Aun habiendo divergido hace tanto tiempo, esos dos grupos de seres vivos preservan concentraciones muy similares de ciertos componentes químicos inorgánicos, tales como el óxido de silicio (SiO2) y el hidróxido de titanio (Ti(OH)4), y los iones de calcio (Ca2+), de magnesio (Mg2+) y de sulfato (SO42-), entre otros. Una corriente restringida de científicos empezó a sugerir durante los últimos años que esa similitud constituiría un indicador de la composición química del antepasado común, que a su vez sería un reflejo de las condiciones químicas del ambiente en que existió.

Lo poco que se conoce del Hádico proviene del análisis químico de pequeños cristales de circón hallados en Jack Hills, en Australia, que se formaron hace alrededor de 4.400 millones de años. Han sido minuciosamente estudiados e indican que había oxidación en el manto terrestre sugiriendo la existencia de agua líquida en aquella época. En colaboración con científicos de Chile, Argentina, Estados Unidos y Alemania, Novoselov, De Souza Filho y otros colaboradores de la Unicamp intentaron obtener información adicional sobre esa Tierra primitiva mediante el examen de la composición química compartida por bacterias y arqueas. Estas últimas son seres unicelulares a los cuales se los clasificó alguna vez en el mismo grupo que comprende a las bacterias; pero a finales de la década de 1970 pasaron a integrar un grupo aparte. “Procuramos detectar las características minerales del ambiente en el Hádico que se preservaron en el metabolismo de las bacterias y las arqueas, los organismos más primitivos que existen actualmente”, explica el profesor de la Unicamp.

Las seleccionadas fueron cinco especies de bacterias (Acetobacter aceti, Alicycloba-cillus acidoterrestris, Escherichia coli, Nesterenkonia lacusekhoensis y Vibrio cholerae) y dos de arqueas que viven en ambientes hipersalinos (Haloferax volcanii y Natrialba magadii). Los científicos optaron por trabajar con bacterias y arqueas porque no existen representantes vivos de seres del Hádico y los fósiles más antiguos preservados corresponden a algas de un período más reciente, el Arcaico, que se extendió entre los 4.000 y los 2.500 millones de años atrás.

Eric Erbe y Christopher Pooley/ USDA, ARS, EMU Colonia de Escherichia coli, bacterias que pueden haber compartido un antepasado común con las arqueasEric Erbe y Christopher Pooley/ USDA, ARS, EMU

Mediante análisis geoquímicos de alta precisión realizados con un espectrómetro de masas, los científicos cuantificaron los elementos químicos inorgánicos que comparten esas especies de bacterias y arqueas. El grupo también cultivó los microorganismos en medios de cultivo con composiciones distintas, lo cual permitió medir qué cantidad de los elementos químicos del ambiente absorben y cuánto de ello pasa de una generación a otra. Según los investigadores, esta información permitiría inferir las condiciones en que se formó el presunto ancestro común de todos los organismos, tal como había sido postulado algunos años atrás por el biólogo Jack Trevors, profesor emérito de la Universidad de Guelph, en Canadá.

Los resultados obtenidos por el equipo de De Souza Filho indican que el metabolismo de las bacterias y de las arqueas efectivamente conserva una firma química del ambiente en que se desarrollaron. Como esos seres vivos comparten vías metabólicas que probablemente surgieron hace miles de millones de años y utilizan los mismos componentes inorgánicos, al observar dichos componentes los investigadores estarían visualizando el pasado remoto del planeta. “Es posible que hayamos obtenido los indicios más antiguos de la existencia de una conexión entre los seres vivos y el mundo mineral”, comenta Novoselov, actualmente investigador en el Instituto de Geología Económica y Aplicada de Chile.

Jerry Eichler/ Ben-Gurion University Ejemplares de arquea de la especie Haloferax volcanii hallados en ambientes hipersalinosJerry Eichler/ Ben-Gurion University

“¿El antepasado se formó en presencia de rocas basálticas, de rocas komatíticas o de algún otro tipo de lava volcánica?”, se pregunta De Souza Filho, ejemplificando los cuestionamientos que le hicieron. Si las bacterias y las arqueas adquirieron determinados elementos, significa que los minerales que los contienen deberían estar presentes en el ambiente original. Los resultados corroboran lo que estaba previsto en los modelos basados en los cristales de circón y sugieren que las formas iniciales de vida surgieron en un clima moderado, con estaciones secas y húmedas, en una atmósfera menos rica en anhídrido carbónico (CO2) que la actual. El escenario de ello habría sido un ambiente de tierra firme: cavidades en rocas (probablemente basaltos) en las cuales los microorganismos pudieron resguardarse.

Este resultado favorece la hipótesis de que la vida podría haber surgido en rocas expuestas a la acción de la lluvia y el viento: en un pequeño lago caliente, tal como lo propusiera el naturalista inglés Charles Darwin en el siglo XIX, o en fuentes hidrotermales en tierra firme, de acuerdo con una hipótesis más reciente que cuenta con el apoyo de algunos investigadores. En todos esos casos, las moléculas características de los seres vivos –proteínas, lípidos y ADN, por ejemplo– requieren de la alternancia entre la humedad y la aridez para formarse, lo que solamente podría ocurrir en tierra emergida, no en el mar. Otros grupos disienten y postulan que la vida se habría originado en el océano primitivo o, tal como ha empezado a planteárselo en las últimas décadas, en zonas aún más inhóspitas como las fuentes hidrotermales de regiones profundas del océano.

De Souza Filho reconoce que el escenario imaginado a partir de esos resultados es hipotético y no excluye que formas primordiales de vida también hayan surgido a altas temperaturas. “Los extremófilos, seres que viven en condiciones sumamente adversas, aportan una lección interesante de la cual afloran varias ideas, como la que indica que los sitios ultracálidos o ultrasalinos están llenos de vida y constituyen un gran nicho de exploración científica”, comenta. Y también ve algunas posibles consecuencias extraplanetarias de sus conclusiones. “El ambiente de Marte fue parecido al de la Tierra más antigua”, comenta. “Una mejor comprensión acerca de cómo surgió y cómo evolucionó la vida en la Tierra pone en perspectiva la posibilidad de que haya vida en condiciones exteriores a nuestro planeta y, por analogía, seleccionar planetas y regiones más favorables para encontrarla”, afirma.

Un océano de laboratorio
Esta reflexión puede ser relevante tanto por la posibilidad de que haya vida extraterrestre como por la noción que indica que la misma podría haber llegado a la Tierra proveniente de otros puntos del Universo, una hipótesis conocida como panspermia (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 193). “Por lo pronto resulta imposible decir si la vida surgió en nuestro planeta o en otro lugar”, dice el químico Dimas Zaia, docente de la Universidad Estadual de Londrina (UEL). Basándose en el supuesto de que habría surgido acá, el investigador procura recrear en su laboratorio las condiciones para que la vida surja. Esto no necesariamente significa reproducir el pasado. “Nunca sabremos exactamente cómo surgió la vida, pues no contamos con información precisa sobre la Tierra de aquel período”, afirma. “Pero podemos demostrar que existe la posibilidad de sintetizar vida partiendo de la materia inanimada”.

Para ello, Zaia desarrolló un agua de mar a la que denomina agua 4.000, debido a que incluye compuestos e iones que, se presume, eran abundantes en aquel momento, tales como los iones de sulfato, de magnesio y de calcio. “Todo lo que he hecho en los últimos tres años tiene que ver con esa agua”. Los experimentos implican disolver sustancias en dicha agua en diferentes condiciones y observar qué sucede desde el punto de vista químico.

Recientemente, su grupo demostró que el agua marina actual provoca el colapso de cavidades nanométricas existentes en las partículas de arcilla, lo cual disminuye las posibilidades de que se produzcan reacciones químicas entre moléculas adheridas a ellas. En tanto, el agua 4.000 no degrada al mineral, una observación que corrobora la hipótesis de que la misma sería propicia para el origen de la vida. “Las moléculas orgánicas se encuentran muy diluidas en el mar, por eso deben concentrarse en partículas para que puedan encontrarse y formar polímeros”, explica. En el agua 4.000, varios otros minerales además de la arcilla se mantienen estables tanto a temperatura ambiente como a 80 grados Celsius, y albergan iones de magnesio y potasio en su superficie, las condiciones propicias para la formación de polímeros, según se consigna en un artículo publicado online a finales de 2016 en la revista Origins of Life and Evolution of the Biosphere. Los fragmentos de minerales funcionan como catalizadores que también protegen a las moléculas contra la radiación ultravioleta (no existía la capa de ozono durante la etapa inicial del planeta) y la degradación por hidrólisis.

Juntos, los experimentos con bacterias y con reacciones químicas en el agua pueden ayudar a reconstruir ambientes del pasado remoto y sugerir de qué manera estos podrían haber derivado en la formación de la vida.

Proyecto
Quantifying the constraints on the environment of early Earth: the cradle for emerging life on a young planet (nº 11/12682-3); Modalidad Beca posdoctoral; Investigador responsable Carlos Roberto de Souza Filho (Unicamp); Becario Alexey Novoselov; Inversión R$ 249.462,97

Artículos científicos
NOVOSELOV, A. A. et al. Geochemical constraints on the Hadean environment from mineral fingerprints of prokaryotes. Scientific Reports. v. 7, 4008. 21 jun. 2017.
CARNEIRO, C. E. A. et al. Interaction at ambient temperature and 80 °C, between minerals and artificial seawaters resembling the present ocean composition and that of 4.0 billion years ago. Origins of Life and Evolution of the Biosphere. Online. 14 oct. 2016.