¿Qué es la vida? La vida, según la definición de
la NASA, corresponde a un sistema químico
autosuficiente, capaz de experimentar una evolución de tipo darwinista. El
estudio del Origen de la Vida ha sido un interrogante desde hace largos años
con el objetivo de comprender de qué estaba compuesto LUCA (The Last Universal Common
Ancester) y dónde y cómo pudo surgir. Con este objetivo, se han desarrollado
diferentes teorías a lo largo de los años aunque todas coinciden en tres puntos
esenciales: LUCA necesitaba una estructura, un metabolismo y una información
que se pudiera transmitir.
Además, hay dos enfoques clásicos: el RNA
primordial y el metabolismo primordial. Estas teorías colocan al RNA como
primer escalón a la vida o a un metabolismo que partió de reacciones sencillas
y que se fue complicando con el tiempo, respectivamente. Este trabajo acerca
del metabolismo primordial podemos englobarlo dentro del segundo grupo de
teorías ya que, con diferentes argumentos, colocan a la quimiosmosis como
primer metabolismo alrededor del que surge la primera célula.
The Last Universal Common Metabolism: de lo inorgánico a la vida.
En este trabajo se habla acerca
de la importancia de la quimiosmosis, es decir, el movimiento de iones a través
de una membrana gracias a un gradiente de protones. Gracias a diferentes
evidencias, que serán expuestas a continuación, este intercambio iónico es
colocado como el metabolismo primordial e inherente de la primera célula, cosa
que se refleja en su universalidad en la vida actual. Este planteamiento se
basa en la teoría de Wächstershäuser
y la posterior de Hall, Russell y Martín en las que el escenario del origen de
la vida está ligado a las surgencias hidrotermales submarinas de carácter
alcalino.
Si se emplaza el origen de la vida en estas
fuentes hidrotermales, se subsanan los
problemas de la sopa primordial (Miller 1953) basada en las teorías de Oparin.
Esto es debido a la poca concentración de los componentes en el mar ancestral
por lo que la formación espontánea de moléculas estables es difícil. Por otra
parte, la radiación UV, fuente de energía de Oparin y Miller, además de
provocar la formación de polímeros también produce su destrucción de forma que
no podría aumentar la concentración que daría lugar a moléculas más complejas.
Por otra parte, es necesario que las
surgencias sean de carácter alcalino porque las llamadas fumarolas negras
tienen un pH demasiado bajo y unas temperaturas demasiado altas como para
permitir el desarrollo de la primera vida. Las surgencias hidrotermales
alcalinas son un buen escenario ya que el agua emerge desde la corteza
terrestre cargada de iones gracias al proceso de serpentinización. Este proceso
consiste en la filtración del agua, que, debido a las altas temperaturas de las
capas más bajas de la corteza, capta moléculas inorgánicas y sale por estas
fuentes hidrotermales. Cuando el agua caliente entra en contacto con el agua
del océano, algo menos caliente y con un pH diferente, se produce la
sedimentación de algunos minerales (Bartolo Luque et al. 2009).
Por lo tanto, gracias a las temperaturas
moderadamente altas, pH alcalino, gran cantidad de moléculas inorgánicas (H2,
CH4, HS-, FeS, HCN, CO2, NH3,…) y
pequeñas microcavidades de FeS (pirita), que permitían la concentración de las
moléculas que se forman debido a reacciones inorgánicas favorables; se cree que
pueden ser el emplazamiento del origen de la vida. Estas microcavidades, encontradas en Lost
City, pudieron formarse junto con aragonita y servir de membrana inorgánica a
las primeras protocélulas como explicaremos más tarde.
El principal inconveniente de las surgencias
hidrotermales alcalinas se basa en la baja concentración de moléculas que no
están presentes pero que son muy importantes para la vida como el fósforo, el
magnesio o el zinc. Como solución a este problema se planteó el trasladar el
escenario hidrotermal submarino a uno en superficie que contara con estos iones
importantes. Además, aunque la radiación UV puede suponer un problema, la presencia de compuestos metálicos como el
hierro, ayuda a la protección (Jesús Page 2012).
Fuera submarina o no, para explicar el origen
de la quimiosmosis, es muy importante el pH alcalino porque ayuda a establecer
un gradiente de concentración de protones. Este gradiente de concentración es
posible gracias a que la atmósfera primitiva era muy reductora y con gran concentración
de CO2 que se disolvía en el océano, dándole un carácter ácido. Esto
hizo posible el gradiente de protones, desde el océano al interior de las microcavidades,
gracias al que la quimiosmosis es posible.
Los gradientes van siempre asociados a membrana en la actualidad, por lo
que en LUCA, al no tener, tuvo que acoplarlo a las paredes inorgánicas de las
microcavidades. Además, gracias al gradiente de protones y a la presencia de H2
y CO2 en las surgencias hidrotermales alcalinas, se podían llevar a
cabo procesos de metanogénesis y acetogénesis (o unos muy similares) no
acoplados a ATP. Los compuestos de un solo carbono son y eran esenciales para
el inicio de estos procesos y se producían gracias a la serpentinización
explicada previamente (William et al. 2008).
A pesar de que aún no existía la vida como
tal, una vez generadas las primeras moléculas tuvo que haber una evolución
prebiótica mediada por una selección natural de tipo termodinámico. En esta
evolución, las reacciones más favorables y los compuestos más estables
prevalecieron frente a los más inestables y con reacciones más improbables.
Los procesos de metanogénesis eran capaces de
producir acetiltioésteres capaces de almacenar cierta cantidad de energía que
se incrementaba en combinación con el fosfato. Estas moléculas fueron previas
al ATP y pudieron poner en marcha el metabolismo primordial. Además, como
explica en el texto, los enlaces tioester pueden ser transformados fácilmente
en enlaces fosfato como los del ATP. Por lo tanto, los nucleótidos debieron
surgir como moléculas estables de almacenaje de energía y de forma azarosa
condujeron a la unión para formar ATP (Robert Saphiro 2007). A continuación
exploraremos este punto.
Sabemos que el ATP finalmente se acopló a la
quimiosmosis, debido a que, tanto en bacterias como en arqueas, encontramos
quimiosmosis. Además, las membranas son totalmente diferentes, el sistema de
manejo del material genético es similar pero presenta proteínas distintas y las
ATPasas son de distintos tipos. Por lo tanto, el mecanismo quimiosmótico tuvo
que ser previo a todo esto. Sin embargo, existe una proteína común a todos los
organismos: el receptor SRP del retículo endoplasmático rugoso.
Esto entra en conflicto con la anterior
información ya que es una proteína de membrana. Pero si consideramos que esta
proteína viene de la transcripción y traducción de un RNA mensajero, es
necesario que haya material genético previamente. Esto es respaldado por el
hecho de que no existe ningún mecanismo conocido capaz de transformar las
proteínas en información genética, es decir, una especie de retrotranscripción
proteica (Jesús Page 2012). Más tarde volveremos sobre esta cuestión.
La presencia de ATP gracias a la
quimiosmosis, es decir, gracias a un gradiente de protones; en lugar de ATP (u
otras moléculas energéticas) generados gracias a fosforilaciones ligadas a
sustrato; supuso una ventaja para la célula primordial ya que la permitía
crecer.
Estos argumentos dejan de lado a la
fermentación que, durante mucho tiempo, fue el principal candidato a primer
metabolismo dado que cuando la vida emergió, había poco o nada de oxígeno. Sin
embargo, la fermentación es un proceso muy complicado como para haber sido el
primero, además de que, tanto en bacterias como en arqueas, los elementos
implicados son muy diferentes. Por lo tanto, la fermentación tuvo que ser un
elemento que surgió dos veces en la línea evolutiva.
Continuará....
BIBLIOGRAFÍA
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Gómez-Elvira, Daniel Martín Mayorga (2011); Astrobiología: Sobre el origen
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Astrobiología: un puente entre el Big Bang y la vida. Editorial Akal;
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- David F. Blake y Peter
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- Jesús Page (2012). Origen y Evolución Celular. UAM
- Robert M. Hazen (2007); El origen mineral de la vida; Investigación y Ciencia; Monográfico 52: 18-25
- Robert Saphiro (2007); La aparición repentina de una macromolécula autorreplicante como el ARN era extremadamente improbable. Los iniciadores de la vida habrían sido entramados de reacciones químicas impulsados por una fuente de energía; Investigación y Ciencia; Monográfico 52; 5-11
- William Martin, John Baross,
Deborah Kelley and Michael J. Russell (2008); Hydrotermal vents and the
origin of life; Nature Reviews; 6; 805-814
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