Volar en sopa primitiva

El modelado de manantiales hidrotermales transforma estas fuentes de vida de improbable a casi inevitable

Llegué el segundo día de la creación. Laurie Barge me invitó a pasar un día en su laboratorio de modelos de fuente de vida. Es investigadora en el Laboratorio Jet de la NASA en Pasadena, y trabaja con un colega, el geólogo Michael Russell, miembro del Instituto de Astrobiología de la NASA. La tarea consistía en crear un manantial hidrotermal en miniatura en condiciones que simularan el océano primitivo hace 4 mil millones de años. Dichas fuentes están en el centro de la historia científica de la creación de la vida, una historia demasiado contraintuitiva para ser cierta, pero tan lógica que simplemente debe confirmarse.

El primer día, barcazas con estudiantes crearon los océanos. Comenzaron con agua destilada, y bombearon nitrógeno a través de ella, reemplazando el oxígeno, que no estaba en la Tierra primitiva. Las dos primeras Tierras en los vasos se colocaron sobre pedestales de acero dentro del capó. Luego agregamos cloruro de hierro a los océanos, dando al agua el color de una cerveza sin gas [cerveza plana]. Inserte la punta de una pipeta en el fondo de cada recipiente y agregué sulfuro de sodio allí, emulando un líquido caliente que se eleva a través de las grietas de la corteza terrestre. El sodio reaccionó con cloruro y creó agua salada, y azufre combinado con hierro para formar sulfuro de hierro, que precipitó como una tubería hueca. Tubos similares aparecieron en manantiales hidrotermales (GI) a fines de Catharchea hace 4 mil millones de años, y todavía se están formando tanto en mares sin fondo como en el laboratorio de Barges.


Ciudad submarina: este sedimento en forma de colmena se formó al costado de otra estructura en Lost City, un gran grupo submarino de tuberías minerales, algunas de las cuales alcanzan el tamaño de edificios que emiten líquido alcalino.

La idea del origen de la vida en GI lucha contra la historia científica más antigua y conocida de la creación de la vida, el " caldo primario ". En una carta a Joseph Hooker en 1871, Charles Darwin consideró la idea de que la vida se originó "en un pequeño y cálido estanque, donde había todo tipo de sales de amoníaco y fósforo, donde había luz, calor, electricidad, etc." Como resultado, "un compuesto de proteína formado químicamente listo para cambios aún más complejos". En 1924, el científico ruso Alexander Oparin presentó la teoría de la aparición de la vida en la Tierra a través de la transformación, en el curso de la evolución química gradual, de moléculas que contienen carbono en un "caldo primario". En 1925, presentó esta idea a la corte del público de habla inglesa. En 1929, el científico británico John Burdon Sanderson Haldane publicó su trabajo sobre el origen de la vida con ideas similares. Escribió cómo la vida podría haberse originado en el antiguo océano, que tenía la consistencia de una "sopa caliente y diluida". Entonces este nombre ha echado raíces.

En 1953, Stanley Miller, un estudiante graduado que estudió con el premio Nobel Harold Urey, creó con éxito la sopa en el laboratorio. Arregló los frascos con el supuesto océano primitivo y la atmósfera, aplicó una chispa con la ayuda de un rayo artificial y recogió los compuestos obtenidos. Encontró muchos muy curiosos, incluidos varios aminoácidos. La química de Miller-Yuri se convirtió en un símbolo en la búsqueda de una fuente de vida, mientras que los estudiantes de Miller se multiplicaron y multiplicaron. En el estudio de hoy de la fuente de la vida, "sopa" se refiere a modelos en los que la vida comienza en la superficie del océano o cerca de él gracias a la química de Miller-Yuri, mientras que los rayos u otras fuentes de energía combinan constantemente moléculas en estados de complejidad creciente, hasta hasta que comience la evolución darwiniana. [Plaxco, KW & Gross, M. Astrobiología: una breve introducción Johns Hopkins University Press, Baltimore, MD (2006)]

La sopa es intuitivamente atractiva: puedes sacar los componentes básicos de la vida. Pero también tiene un defecto fatal: no importa lo que produzca, está muerto. Los rayos pueden desencadenar reacciones bioquímicas, pero la energía se disipa rápidamente y el sistema vuelve al equilibrio. El caldo primario necesita evolución para subir termodinámicamente hacia arriba, a fin de aumentar el orden. Es como las colinas de gravedad , cuyas descripciones están completas en Internet, donde el automóvil parece estar rodando cuesta arriba. Los aminoácidos y los nucleótidos generaron calor, piedras y agua de mar. Se organizaron en moléculas aún más ordenadas, como enzimas y proteínas. De estos, la evolución construyó las primeras celdas y, como resultado, caoba y rosas, abejas y manzanos, hienas y personas.

Pero una colina gravitacional es un engaño de perspectiva. El nivel de construcción revelaría el engaño, pero rara vez lo ves en estos videos con colinas "mágicas". Las leyes de la física no han sido canceladas. Lo mismo ocurre con el nacimiento de la vida, como dicen los expertos en IG. Parece que la evolución se está moviendo hacia el orden; en general, siempre se mueve cuesta abajo. Los modelos GI dicen que en las condiciones iniciales, la apariencia de la vida no era similar a un milagro. Era inevitable [Martin, W. y Russell, MJ Sobre los orígenes de las células: una hipótesis para las transiciones evolutivas de la geoquímica abiótica a procariotas quimioautotróficas, y de procariotas a células nucleadas. Transacciones filosóficas de la Royal Society of London B: Biological Sciences 358, 59-83 (2003) / Russell, MJ & Martin, W. Las raíces rocosas de la vía acetil-CoA. Tendencias en Ciencias Bioquímicas 29, 358-363 (2004) / Martin, W. y Russell, MJ Sobre el origen de la bioquímica en un conducto hidrotermal alcalino. Transacciones filosóficas de la Royal Society of London B: Biological Sciences 362, 1887-1925 (2007) / Martin, W., Baross, J., Kelley, D. y Russell, MJ respiraderos hidrotermales y el origen de la vida. Nature Reviews Microbiology 6, 805-814 (2008)]


Un robot submarino estudia la estructura que crece en la Ciudad Perdida

Los oceanógrafos descubrieron por primera vez GI en 1977 en la fisura de Galápagos en el este del Océano Pacífico. [Corliss, JB, y col. Aguas termales submarinas en la grieta de Galápagos. Science 203, 1073-1083 (1979)] Luego, en 1979, se descubrieron tuberías gigantes en la cresta del East Pacific Rise a 21 grados de latitud norte, escupiendo ácido negruzco y muy caliente en profundidades frías y oscuras. Con bastante precisión, y casi poéticamente, estas estructuras se llamaron "fumadores negros". Los investigadores se sorprendieron de que el espacio cerca de los fumadores negros estuviera lleno de vida, desde peces hasta innumerables tipos nuevos de microbios. En 1981, Jack Corliss, uno de los oceanógrafos de la expedición a la fisura de Galápagos, junto con los microbiólogos John Baross y Sarah Hoffman, sugirió que el GI submarino "proporciona todas las condiciones necesarias para crear vida en la Tierra". No se necesitaba luz ni relámpagos. No hubo sopa.

Los seguidores de Miller lanzaron un ataque de represalia. Las indicaciones geográficas eran demasiado buenas para mantener la vida, escribieron Miller y su antiguo alumno, Jeffrey Bud. Los aminoácidos y los ácidos nucleicos, incluso si aparecieran, serían destruidos casi de inmediato. El azúcar se derretiría. La vida no podría comenzar en un ambiente tan hostil. Escribieron: "las fuentes serían una herramienta importante para la destrucción, en lugar de la síntesis de componentes orgánicos en los océanos primitivos". [Miller, SL & Bada, JL Submarine hot springs y el origen de la vida. Nature 334, 609-611 (1988)]

Russell y su colega Allan Hall, ahora arqueólogo de la Universidad de Glasgow, se han unido a la disputa. Dijeron que Miller, por supuesto, tenía razón: los fumadores negros tienen demasiado calor y tienen demasiado ácido para formar vida allí. Pero al lado de ellos, escribieron, puedes encontrar tubos minerales que emiten un líquido alcalino tibio. Estos son lugares ideales para el nacimiento de la vida. [Russell, MJ, Hall, AJ y Turner, D. Crecimiento in vitro de chimeneas de sulfuro de hierro: posibles cámaras de cultivo para experimentos de origen de vida. Terra Nova 1, 238-241 (1989)]


En las piedras del campo hidrotermal de la Ciudad Perdida vive una amplia gama de invertebrados de aguas profundas, que incluyen una gran cantidad de corales. Los cangrejos también consideran esta ciudad su hogar.

Y el 4 de diciembre de 2000, como Russell predijo, se encontraron tales tubos, aunque por accidente. Un equipo de investigación dirigido por Donna Blackman del Instituto de Oceanografía Scripps, que incluía a Deborah Kelly de la Universidad de Washington y Jeffrey Carson de la Universidad de Duke, estudió el macizo del Atlántico, una elevación de 15 km que lleva el nombre de la mítica ciudad, que, según Platón, se hundió en el norte Atlántico después de perder ante Atenas. Hacia el final de la expedición del mes, el robot submarino se desvió de su curso previsto, siguiendo al pez, como haciendo una mueca especial hacia la cámara. De repente, los investigadores vieron en la pantalla un extenso sistema de estructuras de color blanco perla, algunas de las cuales eran del tamaño de un edificio: conos, agujas, ventanas congeladas. No pudieron evitar llamar a este lugar "La Ciudad Perdida". [Earthguide: Mid-Atlantic Ridge, entrada en el diario, diciembre. 12, 2000]

Al estudiarlo, se descubrió que las torres de la Ciudad Perdida emiten líquido alcalino limpio y cálido en un océano ligeramente ácido. Las fronteras separaron el agua tibia del agua fría, concentrada de diluida, pH bajo de alto. La Ciudad Perdida en la Tierra primitiva aparecería en un océano rico en carbono y, por lo tanto, ácido. Sus paredes porosas de sulfuros y óxidos de hierro harían de la primera Ciudad Perdida una batería débil pero enorme. [Russell, MJ, Nitschke, W. y Branscomb, E. El inevitable viaje al ser. Transacciones filosóficas de la Royal Society of London B: Biological Sciences 368 (2013). Obtenido de doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] Las células vivas también están rodeadas por una membrana que separa los componentes internos alcalinos del ambiente ligeramente ácido. El "último antepasado universal" de la vida, como dice Barge, "fue alimentado por los gradientes de electrones y protones , como la vida de hoy". Ya sea un animal, una planta, un hongo o una bacteria, todos los organismos repiten la química de oxidación y reducción que se encuentra en las fuentes alcalinas calientes. Un pequeño pedazo de esa antigua Ciudad Perdida vive dentro de cada celda.

Mientras las barcazas y yo estábamos observando el experimento, las tuberías de sulfuro de hierro comenzaron a formar estructuras complejas. El fluido ascendente construyó su tubo de escape. Un trozo de cristal bloqueó el flujo; el líquido, al levantarse, encontró un nuevo camino; La estructura se ha ramificado. El resultado fue sorprendentemente una reminiscencia de una planta. Los antiguos alquimistas crearon "jardines químicos" similares, y el biólogo casi olvidado del siglo XIX, Stefan Leduc, creía que estas formas orgánicas reflejan los principios del crecimiento biológico. "La cadena de vida", escribió Leduc, "continúa sin interrupción, desde el mineral en un extremo hasta el organismo más complejo en el otro".

Los modelos modernos de IG proporcionan una explicación para la creación de esta cadena. La batería gigante de la antigua Ciudad Perdida es compatible con una herramienta que genera moléculas complejas, principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno. El sulfuro de hierro, como otras moléculas pequeñas que se encuentran en las fuentes, funcionan como coenzimas , nanomotores catalíticos que promueven las reacciones que se encuentran en el corazón mismo de todo metabolismo. Las tuberías, en pocas palabras, tienen un tipo de metabolismo que recibe energía del hidrógeno, el CO ₂ y otras moléculas, y la usa para construir moléculas más complejas, principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno. Las vías metabólicas más antiguas en biología repiten la química de la antigua Ciudad Perdida.

Lo que contradice la mayor parte de nuestra intuición es que las estructuras complejas pueden disipar la energía mejor que las simples. [Mac McClellan, J. ¿Cuál es el avión más eficiente en combustible? Flyingmag.com (2008)] Los catalizadores te ayudan a subir una colina de energía para que puedas caer aún más por otro lado. Si consideramos toda la evolución biológica, entonces cada organismo es una colina de energía. Se forma solo si está en condiciones termodinámicamente favorables: si arrastramos energía hacia una colina, podemos liberar aún más energía. Crear un lagarto requiere más energía que crear una cierta cantidad de E. coli de la misma masa, pero también consume energía más rápido. En un mundo donde hay lagartos y bacterias, es energéticamente más favorable que un mundo donde solo hay bacterias. Un mundo donde también hay vacas de sangre caliente que mastican hierba y emiten calor, metano y fertilizantes, una versión mejorada del motor de entropía; Un mundo con tigres es aún mejor. Es energéticamente beneficioso tener un ecosistema: una tierra con una vegetación exuberante y llena de vida consume más calor del centro caliente del planeta y del Sol, liberándolo en un espacio frío y oscuro que, por ejemplo, Marte. Nuestra biosfera es una burbuja de hielo muy compleja para el sol.

Una herramienta de dispersión gigante vino junto con el Homo sapiens. Toda la historia de la tecnología es el desarrollo de métodos cada vez más eficientes para extraer energía de
La Tierra y el Sol: fuego, cocina, agricultura, minería, fundición, tala, máquinas de vapor. Al igual que un goteo de agua que escapa de una colina, el camino exacto de la evolución y la cultura no está definido, solo una tendencia general. Por lo tanto, ni el arte, ni la guerra, ni NASCAR, ni los teléfonos inteligentes eran inevitables; todo esto puede considerarse como el trabajo del motor de la entropía humana. En este sentido, nuestras tendencias de dispersión no son una desviación, sino una necesidad termodinámica.


Un tubo en miniatura de sulfuro de hierro de 5 cm de altura crece en una simulación de mar en el Laboratorio Jet. Reproduce las estructuras más grandes asociadas con GI, en las cuales la vida podría haberse originado en la antigua Tierra.

Si Barges y yo hubiéramos estado observando el modelo de laboratorio durante mucho tiempo, ¿habría desarrollado una vía metabólica a través de la evolución? Enzimas? Genes? Posiblemente Las barcazas están dando sus primeros pasos en esta dirección, aunque sean pequeñas. En lugar de construir una tubería, coloca sulfuro de hierro y otros minerales en un disco poroso de material inerte. El disco puede funcionar como una membrana entre, por ejemplo, un líquido con carga positiva y con carga negativa. Las barcazas miden el voltaje y la diferencia de pH desde dos lados de la membrana, luego electrones y protones. Estas corrientes apoyan reacciones químicas fundamentales para la vida. El siguiente paso es hacer que las reacciones químicas produzcan moléculas más complejas. "También puedes hacer experimentos", dice ella, "para probar la retroalimentación emergente de los orgánicos a los minerales". Los catalizadores simples pueden preferir reacciones cuyo resultado serían catalizadores más complejos que podrían producir catalizadores aún más complejos, y este ciclo de retroalimentación eventualmente conduciría, con el tiempo, a proteínas y ADN.

En uno de mis dos mundos, la tubería resultó con un tallo delgado y un grueso engrosamiento al final. "Es probable que este se rompa", dice Barge. Y se rompe: el callejón sin salida de la evolución. Pero la tubería en la otra bombilla creció una base muy gruesa y construyó una montaña cónica con una serie de picos que parecerían magníficos para una pulga de agua. Lori la examinó y la elogió.

Nathaniel Comfort - miembro de la Asamblea Astrobiológica. Baruch Bloomberg en la Biblioteca del Congreso / NASA y profesor de historia médica en la Universidad. John Hopkins Su libro reciente es La ciencia de la perfección humana. Twitter @nccomfort.