QUIMICA
Y VIDA
A lo largo de los
siglos, los seres humanos hemos narrado historias de todo tipo: historias de
grandes guerreros y conquistadores, historias de amor y pasión, historias de odio
y venganza... en este artículo voy a narrar una historia diferente que muy poca
gente conoce. En mi opinión esta historia es una de las más increíbles y trascendentes
que jamás se han narrado. Esto puede parecer una bravuconada sensacionalista:
sin embargo, creo que el lector se convencerá después de leerla de que los
adjetivos no son tan exagerados. ¡Bienvenidos al relato de la historia más
grande e increíble jamás contada!
Pero ¿de
que trata la historia?
Esta historia comienza
hace unos cuantos años, para ser más concretos hace unos ¡4000 millones de
años! Por entonces la Tierra ya tenía grandes océanos y no era tan
diferente del estado actual como podría pensarse. Por supuesto había diferencias,
las más significativas eran que no había oxígeno y que los niveles de CO2 eran
varios órdenes de magnitud superiores a los actuales. En el fondo de los
océanos, en los bordes de las placas tectónicas se formaron unas profundas
grietas en las que las rocas del manto terrestre quedaron expuestas al agua del
océano. Estas rocas son ricas en olivino, un mineral muy común. El olivino es
rico en hiero ferroso y magnesio. El hierro ferroso reacciona con el agua del
océano y se oxida formando óxido férrico. Esta reacción es exotérmica (libera
energía en forma de calor), lo que produce que el agua se caliente y forme
burbujas de hidrógeno disuelto en fluidos alcalinos que contienen hidróxidos de
magnesio procedentes del olivino.
Estas burbujas
ascienden por las grietas desde las rocas superiores del manto hasta el fondo del
océano. Una vez que han ascendido, las burbujas se enfrían y reaccionan con las
sales disueltas en el agua del fondo del océano. Entonces las burbujas precipitan
en el fondo formando unas estructuras cuyo aspecto es bastante impresionante:
Estas enormes estructuras,
que pueden llegar a medir 60 metros de altura (la marca A corresponde a 1 m),
fueron descubiertas en el año 2000 y se llaman Fumarolas Hidrotermales
Alcalinas. Si su aspecto es impresionante, sus características y
composición interna son absolutamente extraordinarias hasta el punto de que
son, probablemente, el lugar más importante del planeta Tierra: en su interior
van a ocurrir sucesos extraordinarios, sucesos que no pudieron ocurrir en
ningún otro lugar del planeta.
El "milagro"
de las fumarolas hidrotermales alcalinas
Antes de continuar
debemos señalar la diferencia entre la materia orgánica y la materia inorgánica.
Resumiendo mucho, la vida está hecha de CO2 parcialmente reducido es
decir, CO2 que ha aceptado electrones o lo que es lo mismo, CO2
que reacciona con H2. La fórmula más sencilla para una molécula
orgánica sería CH2O. Las fumarolas hidrotermales son enormes
estructuras microporosas con finísimas paredes
formadas de Sulfuro de Hierro (una molécula catalizadora). En su interior hay
todo un laberinto de canales por los que fluyen líquidos con hidrógeno disuelto
y cantidades menores de metano, amoniaco y sulfuro. Hace unos 4000 millones de
años la concentración de CO2 en el océano era miles de veces
superior a la actual y no había oxígeno. Las finas paredes de las fumarolas
separan el agua ácida del océano rica en CO2 y el agua alcalina rica
en H2 y OH- procedente de la precipitación de las burbujas que han
formado la fumarola. Este entorno es único en todo el planeta: una estructura
enorme por la que una fuente continua de CO2 pasa continuamente por microporos
formados por catalizadores y es forzado por una gran presión a reaccionar con
el H2. ¡Esta es la reacción química de la vida!
Si conseguimos
hacer reaccionar el CO2 con el H2 obtendremos todo tipo de
moléculas
orgánicas. Pero
hay un problema: el CO2 no reacciona fácilmente con el H2,
si así fuera podríamos resolver de forma barata todos los problemas energéticos
del mundo. Sin embargo, si el CO2 se encuentra en un entorno ácido el
potencial de reducción (la tendencia de una sustancia a ceder e-) disminuye y
al contrario, si el H2 se encuentra en un entorno alcalino, el potencial
de reducción aumenta. Entonces el H2 tiende a ceder e- al CO2.
Se estima que por cada grado de PH el potencial aumenta en 59 mV. ¡Aquí está el milagro de la vida en la Tierra!
¡CO2,
agua, roca y diferencias de PH, solo con esto podemos fabricar moléculas orgánicas!
Las fumarolas hidrotermales son verdaderos reactores de flujo en los que se
fabrican moléculas orgánicas. Este es el 1º gran paso de nuestra
historia.
Fabricando
el primer ser vivo con roca, agua, CO2, H2 y diferencias de
PH
Las diferencias
de PH a través de los microcanales de la fumarola
equivalen a una diferencia de concentración de protones (H+). El entorno ácido
tiene más protones que el alcalino por lo que se crea una diferencia de
potencial entre los microporos. Como las paredes son (semi)conductoras, se
producirá un flujo de protones (o lo que es lo mismo e- en sentido contrario) a
través de ellos. Como hemos dicho, algunos H+ que atraviesan las paredes
reaccionarán con el CO2 para formar moléculas orgánicas que se van
acumulando en los microporos. Los lípidos formados dentro de los poros tienen
un lado hidrófobo y otro hidrófilo, lo que producirá que se forme
espontáneamente una membrana. Esta membrana, por la que pasa continuamente un
flujo de protones, es el 2º gran paso de nuestra historia.
Tenemos un microporo
con una membrana por la que pasa un flujo continuo de protones con un conjunto
de moléculas orgánicas en su interior. ¡Tenemos algo muy parecido a una protocélula muy primitiva! El problema es que esta "protocélula" está absolutamente anclada a los
microporos de la fumarola: depende absolutamente del flujo natural de protones.
La aparición
de los primeros seres vivos independientes
En nuestra "protocélula" falta un ingrediente fundamental: la creación
de energía útil. Si la membrana es impermeable a los protones, los protones
pueden entrar pero no salir, lo que hace que la diferencia de concentración se
nivele y se alcance el equilibrio termodinámico (la muerte térmica). Además,
los protones entran en la membrana mucho más rápidamente que los iones de Cl-
presentes en el agua, lo que hace que la protocélula se
cargue positivamente e impida la entrada de nuevos protones.
Pero si la membrana
es muy permeable, los protones entran rápidamente pero pueden salir pasivamente
lo que no impide el flujo. Además los iones OH- también pueden entrar, lo que
hace que reaccionen con los H+ para producir agua de forma que se eliminen
rápidamente las cargas positivas para que continúe el flujo de protones. Las
primeras membranas, al contrario que las membranas actuales, eran muy
permeables a los protones.
Nuestras protocélulas están completamente fijadas a los poros de las
fumarolas y lo que es peor: puesto que poseen un gradiente gratis y natural no existe
ninguna ventaja evolutiva en fabricar fuentes de energía autónomas como sería
una bomba de protones. Además no tiene sentido bombear protones a través de una
membrana permeable ya que los protones vuelven a entrar casi inmediatamente.
¿Como se puede resolver este gran problema? Ahora entra en escena el 3º gran
paso de nuestra historia.
Muchas bacterias
actuales usan una proteína llamada antiportador. Esta
proteína intercambia el H+ por un Na+, de forma que
por cada H+ que entra, el antiportador provoca la salida
de un átomo de Na+. ¡Si nuestra protocélula
fuese capaz de producir mediante selección natural un antiportador,
entonces tendríamos inmediatamente una bomba de Na+
accionada por H+ ! El punto clave es que las membranas
muy permeables al H+ son poco permeables al Na+, de
forma que el sodio que sale no lo hace a través de los lípidos de la membrana
pero pueden hacerlo a través de las proteínas de la membrana. Si estas
proteínas pudiesen utilizar este flujo de sodio para generar energía (por
ejemplo haciendo girar un pequeño "rotor" como en un generador
eléctrico), entonces tendríamos una forma de generar energía aunque sigamos
teniendo el problema de la dependencia total de los gradientes naturales de la
fumarola. "Dicho y hecho": con el tiempo, la selección natural
producirá que cierta clase de proteínas de la membrana se transformen en esto:
La ATP sintasa
es un verdadero nanogenerador eléctrico incrustrado en las membranas de nuestras mitocondrias (la parte
superior sería el rotor giratorio). La energía obtenida se usa para fabricar
una molécula de ATP. Todas las células de todos los seres vivos que existen en
el planeta tienen millones de estos generadores incrustados en sus membranas.
La imagen está a escala, las bolitas de la parte inferior son protones (H+).
Ahora los Na+ que salen producen energía libre para la célula. Los cálculos
indican que las protocélulas con un antiportador consiguen hasta un 60% más de energía. Además,
cuanto mejor aislada esté la membrana mayor diferencia de potencial habrá entre
ambos lados de la membrana y mayor energía se extraerá del "nanogenerador".¡Ahora sí hay una
ventaja selectiva en bombear protones! ¡Ahora sí hay una ventaja en reducir la
permeabilidad de la membrana! ¡La evolución está en marcha!
Al mismo tiempo
que la membrana se va haciendo cada vez más impermeable, se favorece el bombeo
activo de protones a través de una bomba. Cuando la membrana sea casi impermeable
a los protones y las bombas estén operativas, nuestra protocélula
ya puede abandonar el microporo de la fumarola ¡Acaba de surgir el primer
ser vivo (una protobacteria) autónomo de la Tierra!
Antes de poder
abandonar definitivamente los microporos de las fumarolas, nuestro primer ser vivo
necesita dar el 4º gran paso fundamental: conseguir replicarse de forma
autónoma. El surgimiento de moléculas de nucleóticos,
ARN y finalmente ADN, permitió codificar en una secuencia de cuatro "letras"
la información necesaria para poder "fabricar" un nuevo ser vivo y poder
así duplicarse. Esta etapa puede considerarse como el surgimiento real de los
primeros seres vivos de la Tierra: las bacterias y los arqueos. Bacterias y arqueos
son organismos bastante simples pero poseen una versatilidad increíble: pueden
extraer energía prácticamente de cualquier sitio y pueden intercambiar genes de
forma rápida y masiva, lo que les permite adaptarse a casi cualquier ambiente.
De hecho, las bacterias y los arqueos han permanecido prácticamente sin cambios
durante casi ¡4000 millones de años! ¿Por qué no evolucionaron hacia formas de
vida más complejas? Como veremos en el siguiente paso de nuestra historia,
había una barrera energética fundamental, lo que nos lleva al 5º gran paso.
El paso
crucial hacia la vida compleja
Las células modernas
(células eucariotas), de las cuales estamos hechos todos los seres vivos, son
bastante más grandes y complejas que una bacteria. Consideremos una bacteria
estándar: duplicar su tamaño por 2 implica aumentar su volumen por 8 lo que
implica multiplicar por 8 sus necesidades energéticas y la cantidad de genes
necesaria. Si consideramos el parámetro de energía por gen, los cálculos indican
que una bacteria no puede simplemente aumentar su tamaño de forma autónoma. Una
bacteria que aumentase su tamaño hasta el de una célula eucariota actual
tendría unas 200.000 veces menos energía por gen que
la bacteria original. Esto es una barrera energética enorme. Por esto las
bacterias han permanecido sin cambios morfológicos hasta la actualidad. Sin embargo,
un día ocurrió algo extraordinario: una bacteria se introdujo dentro de un
arqueo. Los genes de la bacteria empezaron a invadir al huésped: muchos genes
quedaron muertos en el "citoplasma", otros consiguieron llegar hasta
el "centro". Los genes de la bacteria invasora se mezclaron con los
de la célula huésped dando lugar a una estructura genética llena de intrones
(trozos muy grandes de ARN dentro de una molécula de ARN mensajero) y ADN "basura".
En esta zona donde muchos genes morían y se recombinaban se formaron lípidos de
forma caótica e incontrolada; estos lípidos precipitaron como vesículas
lipídicas que se unieron para formar una membrana imperfecta llena de agujeros ¡Acaba
de nacer el núcleo de la célula!
Esta relación de
endosimbiosis rompió la barrera energética: permitió aumentar el tamaño de la
célula, aumentar el número de genes y satisfacer las demandas energéticas de la
célula mediante las mitocondrias (la bacteria invasora) que bombean protones a
través de sus membranas repletas de ATP sintasa. ¡Todos los seres vivos del planeta
estamos hechos de microorganismos procedentes de la fusión de una bacteria y un
arqueo! Este es el 5º paso fundamental en nuestra historia.
Falta un 6º
y último paso: la acción de la selección natural durante miles de millones de
años sobre los primeros replicadores. Estos fueron construyendo "cuerpos"
cada vez más complejos y adaptados al entorno. Los replicadores se extendieron por
tierra, mar y aire y en sus últimas etapas dieron lugar a seres conscientes que
tratan de entender cómo y porqué existen en este mundo.
¿No es esta la
historia más grande que puede ser contada?
¿Es esta
historia verídica? Las pruebas a favor
El hecho de que
la Ciencia pueda plantear una hipótesis completa y relativamente detallada que
explique la secuencia de fenómenos que tuvieron lugar hace miles de millones de
años y que dieron lugar a todos los seres vivos que existen, es uno de los
logros más grandes del intelecto humano.
Nadie sabe aún
si esta historia es completamente verídica; sin embargo, es muy probable que aunque
los detalles sean incompletos o incluso erróneos, las ideas generales planteadas
sean correctas. Cada vez hay más pruebas a favor de esta hipótesis del
surgimiento de la vida en detrimento de la hipótesis de la charca primordial. A
continuación, enumero algunas de las pruebas de mayor peso:
- Todos los seres
vivos que existen utilizan el mismo mecanismo de gradiente de protones a través
de una membrana para generar energía. Existen muchos otros mecanismos posibles
y más eficientes. Este mecanismo es explicado con una exactitud asombrosa a
través de los microporos de las fumarolas hidrotermales.
- No se conoce
ningún otro ambiente en todo el planeta que cumpla con todos los requisitos necesarios
para el surgimiento de la vida: un suministro continuo de CO2 y H2,
energía, catalizadores,
presión, microporos, microcanales y diferencia de PH.
- Los estudios
muestran un enorme agujero evolutivo en el antepasado común entre bacterias y arqueos:
este parece haber surgido de la nada y con casi todas las características
esenciales de las células eucaritoas: núcleo,
ribosomas, etc. La endosimbiosis explica esto de forma natural y sencilla.
- Está demostrado
que las mitocondrias y los cloroplastos de todas las células proceden de una
bacteria que fue "fagocitada" por un arqueo: es una evidencia
científica que tuvo lugar una especie de endosimbiosis.
- Las células eucariotas
modernas poseen ADN y rutas metabólicas que son comunes tanto a bacterias como
a arqueos.
- Se sabe que las
células primordiales están adaptadas a entornos con poco sodio pese a que los
océanos primigenios eran ricos en Na. Esto es indicativo
de la presencia de un antiportador y de una bomba de
sodio que extrae el Na del interior de la célula.
- Muchos de los
intrones se encuentran insertados en las mismas posiciones en los genomas de
todos los eucariotas, lo que indica que el antepasado común a todos ellos ya tenía
a estos genes "parásitos" incluidos en su genoma. Esto apoya la hipótesis
de la invasión genética durante la endosimbiosis.
- Se han simulado
en reactores de flujo en laboratorio las condiciones de las fumarolas hidrotermales
primigenias y se han conseguido importantes concentraciones de moléculas
orgánicas.
Implicaciones
para la vida en otros planetas
Para finalizar
veremos qué implicaciones tiene esta increíble historia en posibles historias similares
que puedan ocurrir en otros planetas. Actualmente existen más de 40.000
millones de planetas similares a la Tierra solo en la vía Láctea. Los pasos
1,2,3 y 4 pueden ocurrir en cualquiera de ellos de forma natural; de hecho,
solo se necesita piedra (olivino), agua, CO2 y H2 que den
lugar a fumarolas hidrotermales alcalinas. El mecanismo de generación de energía
consistente en bombear protones a través de una membrana bien podría ser UNIVERSAL.
Esto tiene una implicación muy importante: la vida sencilla (bacteriana) es
probablemente muy común en el Universo. Sin embargo, el punto 5º es
absolutamente crítico. Las endosimbiosis entre bacterias son raras aunque
sabemos que se dan; sin embargo, que la endosimbiosis consiga progresar y
evolucionar hasta una célula eucariota es probablemente algo muy extraordinario.
La segunda conclusión es que la vida compleja es probablemente muy rara en el
Universo aunque, si ha ocurrido una vez en la Tierra, ¿por qué no podría haber
prosperado en alguno de los más de 40.000 millones de planetas similares?
El poder de la
Ciencia es asombroso. Esta es la historia más grande jamás contada y ya no necesitamos
recurrir a dioses ni fuerzas sobrenaturales para explicar el complejo y
fascinante mundo que nos rodea.
© 2015 JAVIER DE LUCAS