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 vamos a narrar una historia diferente que muy poca gente conoce. En mi opinión esta historia es la más increíble y trascendente que jamás se ha narrado. Esto puede parecer una bravuconada sensacionalista, sin embargo, creo que el lector se convencerá después de leerla de que los adjetivos
que he usado en el título 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 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!
Imagen: "La cuestión vital" Nick Lane 2015
¡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:
Imagen: "La cuestión vital" Nick Lane 2015
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 incrustrados 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 este la membrana mayor diferencia de potencial habrá entre ambos lados de la membrana y mayor energía se extraerá del "nanogenerador".¡Ahora si hay una ventaja selectiva en bombear protones! ¡Ahora si 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 y ADN "basura". En esta zona donde muchos genes morían y se reconbinaban 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 mas 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 como 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 se enumeran 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 Na 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 ha 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 que implicaciones tiene esta increíble historia en posibles historias similares que puedan ocurrir en otros planetas. Actualmente
existen 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 que no podría haber prosperado en alguno de los 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:
Fuentes: La cuestión Vital. Nick Lane 2015.