El Material de la Cuna de la Vida y su Origen
La búsqueda del origen de la vida es una de las preguntas más fundamentales que la ciencia intenta responder. A lo largo de las décadas, diversas hipótesis y experimentos han tratado de desentrañar los misterios de cómo las primeras estructuras biológicas surgieron en nuestro planeta.
El Papel de las Rocas y los Fósiles
En las crestas de Las Villuercas destacan los canchos y las paredes cuasi verticales de la Cuarcita Armoricana. Formadas con sedimentos arenosos del periodo Ordovícico, hace unos 480 millones de años, son, sin duda, las rocas visibles por haber sido las más resistentes a tan largo periodo de erosión. Millones de años después, hace unos 330 millones de años, la gran colisión continental que formó Pangea plegó todos esos sedimentos rocosos y los quebró dejándolos preparados para conformar el paisaje que ahora vemos.
Esas rocas conservan intactas las huellas de los trilobites y otros artrópodos que iban surcando las arenas dejando pistas que hoy denominamos Cruziana. Arenas que fueron cementándose pasando a convertirse en areniscas silíceas, las cuales, al estar presionadas por nuevos materiales que iban depositándose sobre ellas fueron haciéndose más densas y compactas transformándose en la roca dura que hoy conocemos como areniscas de la formación Cuarcita Armoricana. Durante esta transformación, las huellas de los trilobites no se han modificado y hoy podemos verlas impresas en las rocas cuarcíticas en distintos lugares de las sierras villuerquinas, casi por todas partes.
Este geoparque es testigo de uno de los principales acontecimientos de la evolución de la vida: el origen y la radiación de los primeros animales. Algunos niveles de los estratos calizos depositados en el valle del rio Ibor (anticlinal del Ibor) contienen fósiles del género Cloudina, característicos del período Ediacárico (635-542 millones de años). Cloudina carinata es el primer animal que genera un exoesqueleto mineralizado y es el precursor de la biomineralización generalizada que se produjo en los animales a principios del Paleozoico para que pudieran colonizar nuevos ambientes en los que alimentarse.
Los depósitos fósiles del geoparque hablan de ese suceso y del siguiente, la “gran radiación del Ordovícico” representada aquí por una abundancia excepcional de trilobites, braquiópodos, briozoos, equinodermos, moluscos (bivalvos y cefalópodos) y graptolitos.
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La Química Prebiótica y la Tierra Primitiva
Ya sabemos qué ingredientes necesitamos para que al menos pueda existir una química prebiótica. La Tierra se creó alrededor de hace 4500 millones de años (Halliday and Able, 2006). Tras enfriarse pudo haber un período de tranquilidad en el que quizás pudo haberse generado una forma de vida primigenia, pero entre hace 4000 y 3850 millones de años se produjo el llamado gran bombardeo tardío, una lluvia de meteoritos que probablemente aniquiló cualquier forma de química prebiótica o biótica que pudo haber surgido (aunque quizás perdurase).
Las condiciones atmosféricas eran radicalmente distintas a la que existen hoy. De hecho, no podríamos vivir en ellas (Zahnle, Schaefer and Fegley, 2010). Hace 3850 millones de años había agua líquida en la Tierra, según evidencian los estromatolitos (se consideran uno de los primeros fósiles, luego hablaremos de ellos). Pero la actividad solar entonces era un 25-30% menor que la que hay ahora (Spalding and Fischer, 2019).
Se cree que la atmósfera primitiva estaba compuesta por gases reductores, esto es, gases compuestos por mucho hidrógeno. Algunos de los compuestos eran hidrógeno, metano, amoniaco. No había rastro de oxígeno molecular. Los gases livianos, como hidrógeno y helio, salieron al espacio por su bajo peso y arrastrados por el viento solar, mientras que el amoniaco y el metano disminuirían debido a la fotólisis (proceso de degradación inducido por la radiación solar). Al mismo tiempo, la alta actividad volcánica iría llenando la atmósfera de gases como el CO2, el CO, agua o nitrógeno. Se cree que la concentración de CO2 era 100.000 veces superior a la actual, lo que explicaría el gran efecto invernadero comentado antes.
El Experimento de Miller
El pionero en esta rama de intentar obtener compuestos relacionados con la vida simulando las condiciones de la Tierra primigenia fue Stanley Miller. En la década de 1950, este joven investigador, con sólo 22 años, recreó en un mítico experimento las condiciones de la atmósfera primigenia, introduciendo en un recipiente vapor de agua, metano, hidrógeno y amoniaco. Sometió a la mezcla a descargas eléctricas, simulando los rayos de las tormentas, y obtuvo varios aminoácidos. (Stanley L.
Aunque hoy se sabe que las condiciones de partida no eran exactamente las de la Tierra primigenia, se inauguró un nuevo campo de experimentación que ha traído un enorme abanico de monómeros, como casi todos los aminoácidos y todos los ribonucleótidos, y de otras moléculas, incluidos los ácidos grasos y azúcares, que consideramos imprescindibles para la formación de vida.
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La Hipótesis de la Cuna de Pirita
Debido a los problemas a los que se estaba llegando con la sopa primordial, entre ellos el problema de la polimerización de los monómeros en disolución, surgió la inclinación de pasar de la sopa a la pizza. A finales de los años 1980, un trabajador alemán de la oficina de patentes, Günter Wächtershäuser, crea una nueva hipótesis: la cuna de pirita. Según esta hipótesis los primeros organismos surgieron a partir de una química prebiótica dependiente de superficies de pirita. Este mineral posee carga positiva, por lo que atrae a la mayoría de los metabolitos, como los nucleótidos, que tienen carga negativa. Estos organismos carecerían de genoma y de envoltura.
Un escenario de este tipo serían las fumarolas, chimeneas hidrotermales del fondo marino. Hoy en día el problema de la polimerización ha progresado en cierta medida, siempre apoyándose en la función catalítica de ciertas superficies. El papel de los silicatos como algunas arcillas o la pirita podría haber sido importante. Otro posible escenario es la interfaz hielo-agua, en el que los monómeros se quedarían adheridos al hielo, facilitando la polimerización. Por otro lado, en los aerosoles (partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas) se concentran los monómeros en una capa muy fina, facilitando la polimerización.
La Hipótesis de la Panspermia
La hipótesis de la panspermia hace referencia a que la vida se originó fuera de la Tierra y que llegó a nuestro planeta mediante un meteorito o cometa. Aunque las altas temperaturas que se alcanzan cuando material entra a la atmósfera comprometería cualquier ser vivo, la hipótesis podría ser cierta, ya que la vida podría haber estado en el interior de un trozo de material lo suficientemente grande. El modelo más aceptado dentro de este marco sería que la vida se pudo haber originado en Marte y mediante una colisión se desprendió material que pudo haber acabado en nuestro planeta.
Pero otro tipo de panspermia sí se ha comprobado: la panspermia molecular. Este término hace referencia a que las moléculas básicas para el origen de la vida, como aminoácidos, nucleótidos y ácidos grasos, han llegado a la Tierra en meteoritos o cometas. Al contrario que la hipótesis anterior, ésta sí está comprobada experimentalmente (Mcnichol et al., 2012). Probablemente uno de los casos mejor estudiados es el meteorito Murchison. Caído en Australia en 1969, este meteorito proveniente del cinturón de asteroides contenía numerosas moléculas orgánicas, entre ellas algunas relacionadas con la vida, como diversos aminoácidos.
El Meteorito Murchison
El meteorito Murchison es un ejemplo clave de panspermia molecular. Este meteorito, que cayó en Australia en 1969, contenía una variedad de moléculas orgánicas, incluyendo aminoácidos, que son los bloques de construcción de las proteínas. Este hallazgo apoya la idea de que los componentes básicos de la vida podrían haber llegado a la Tierra desde el espacio.
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El Rol del Fósforo
Uno de los elementos clave para el desarrollo de la vida en la Tierra es el fósforo (cuyo símbolo químico es P). Diversos compuestos químicos que contienen este elemento, como los fosfatos, son esenciales en la estructura de las células, pero hay algo que todavía es más relevante: el enlace químico entre el fósforo y el oxígeno (el P-O), porque es crucial para la formación del esqueleto del ácido desoxirribonucleico (el ADN), la macromolécula que contiene el material genético de los organismos vivos.
Por esta razón, su equipo comenzó un proyecto de observación con el radiotelescopio de 30 metros de diámetro situado en Pico Veleta (Granada,España), con el objetivo de encontrar PO en regiones de formación estelar. Como resultado de este trabajo, recientemente publicado en "The Astrophysical Journal", el equipo de Rivilla ha detectado por primera vez PO en dos regiones de formación estelar de la galaxia: W51 e1/e2 y W3 (OH). La arcilla podría haber sido la cuna de la vida en la Tierra, o al menos de las complejos materiales bioquímicos que hacen posible la vida, según una investigación de la Universidad de Cornell (Nueva York).
La Arcilla como Cuna de la Vida
La arcilla, una mezcla aparentemente estéril de minerales, podría haber sido la cuna de la vida en la Tierra. O por lo menos, de las complejos materiales bioquímicos que hacen posible la vida, según una investigación de ingenieros en biología de la Universidad de Cornell (Ithaca, Nueva York, EE.UU.), que saldrá publicada mañana en la edición online de Scientific Reports, de Nature Publishing. En una simulación de agua de mar antigua, la arcilla forma un hidrogel -polímeros que forman una aglomeración de espacios microscópicos capaces de absorber líquidos como una esponja-.
Durante miles de millones de años, los productos químicos confinados en esos espacios podrían haber llevado a cabo las reacciones complejas que forman las proteínas, el ADN y, finalmente, toda la maquinaria que hace que una célula viva funcione. Los hidrogeles de arcilla podrían haber confinado y protegido aquellos procesos químicos hasta que la membrana que rodea las células vivas se desarrolló, señala la nota de prensa de la universidad, recogida por EurekAlert!.
A fin de probar la idea, el grupo dirigido por Dan Luo, profesor de ingeniería ambiental y biológica, ha demostrado cómo se produce la síntesis de proteínas en un hidrogel de arcilla. Los investigadores utilizaron previamente hidrogeles sintéticos como un medio «libre de células» para la producción de proteínas. Llene usted el material esponjoso con ADN, aminoácidos, las enzimas adecuadas y unos pocos trocitos de maquinaria celular y podrá hacer las proteínas que codifica el ADN, como ocurriría en un tanque de células. Para que el proceso pueda producir grandes cantidades de proteínas, como en la fabricación de medicamentos, se necesita una gran cantidad de hidrogel, por lo que los investigadores se propusieron encontrar una forma más barata de hacerlo.
El investigador Dayong Yang se dio cuenta de que la arcilla forma un hidrogel. «Es muy barata», añade Luo. Mejor aún, resultó inesperadamente que el uso de la arcilla mejoraba la producción de proteínas. Pero entonces se les ocurrió a los investigadores que lo que habían descubierto podría responder a la vieja pregunta de cómo evolucionaron las biomoléculas.
Los experimentos realizados por Carl Sagan en Cornell y por otros investigadores demostraron que los aminoácidos y otras biomoléculas podrían haberse formado en los océanos primordiales, aprovechando la energía de un rayo, por ejemplo. Sin embargo, en la inmensidad del océano, ¿cómo se unieron estas moléculas lo suficiente como para ensamblarse en estructuras más complejas, y qué las protegió de las inclemencias del ambiente?
Los científicos han sugerido en el pasado que pequeños globos de grasa o polímeros podrían haber servido como precursores de las membranas celulares. La arcilla es una posibilidad prometedora porque las biomoléculas tienden a adherirse a su superficie, y los teóricos han demostrado que el citoplasma -el interior de una célula- se comporta como un hidrogel. Y, explica Luo, un hidrogel de arcilla protege mejor a sus contenidos de las enzimas perjudiciales (llamadas «nucleasas»), que pueden desmantelar el ADN y otras biomoléculas.
Como prueba adicional, la historia geológica muestra que la arcilla apareció por primera vez justo en el momento en el que las biomoléculas comenzaron a formar protocélulas -estructuras similares a células, pero incompletas- y, finalmente, las células terminadas. Los eventos geológicos coincidían con los eventos biológicos . Cómo evolucionaron estas máquinas biológicas aún queda por explicar, reconoce Luo.
La arcilla, una mezcla aparentemente estéril de minerales, podría haber sido la cuna de la vida en la Tierra. En una simulación de agua de mar antigua, la arcilla forma un hidrogel -polímeros que forman una aglomeración de espacios microscópicos capaces de absorber líquidos como una esponja-. Durante miles de millones de años, los productos químicos confinados en esos espacios podrían haber llevado a cabo las reacciones complejas que forman las proteínas, el ADN y, finalmente, toda la maquinaria que hace que una célula viva funcione.
La Hipótesis de Alexander Graham Cairns-Smith
Ya os he comentado en varios post, como por ejemplo en este: “Los Suelos y el Origen de la Vida”, que hace tiempo (varias décadas) Alexander Graham Cairns-Smith propuso una conjetura sobre el papel, “quizás esencial”, de las arcillas en el origen de la vida. La mayor parte de los científicos, tan solo miraron de reojo su propuesta. Pues bien, hace unos pocos meses la prensa sacó a relucir a bombo y platillo, que las arcillas pueden desempeñar un rol esencial en el origen de la vida, por cuanto aceleran la síntesis de proteínas, etc.
Alexander Graham Cairns-Smith es un químico orgánico y biólogo molecular de la Universidad de Glasgow. El libro popularizó la hipótesis de que comenzó a desarrollarse en la década de 1960-que la auto-replicación de los cristales de arcilla en la solución podría proporcionar un paso intermedio entre la materia sencilla biológicamente inerte y la vida orgánica.
En forma simplificada, esta es la hipótesis de arcilla: Las arcillas se forman naturalmente a partir de silicatos en solución. Cristales de arcilla, ya que otros cristales, preservar su acuerdo formal externa a medida que crecen, fácil, y seguir creciendo. Arcilla masas cristalinas de una forma externa particular pueden pasar a afectar a su medio ambiente en formas que afectan las posibilidades de la replicación. Por ejemplo, es más probable que légamo una vaguada un cristal de barro «pegajoso», la creación de un entorno propicio a una mayor sedimentación. Cabe la posibilidad de que tales efectos podrían extenderse a la creación de áreas planas puedan estar expuestos al aire, seco, y convertirse en polvo por el viento, que podrían caer al azar en otras corrientes.
A continuación se presenta un proceso de selección natural de cristales de arcilla que atrapan ciertas formas de moléculas a sus superficies. Proto-moléculas orgánicas pueden ser bastante complejos catalizadas por las propiedades de la superficie de silicatos. A pesar de su citación frecuente como un modelo útil del tipo de proceso que podrían haber estado involucrados en la prehistoria de la DNA, la «hipótesis de barro» de la abiogénesis no es tan popular, al igual que varias otras hipótesis abiogénesis.
El Grafeno y el Siliceno
El grafeno, que es una capa de carbono con un átomo de espesor, en la cual los átomos de carbono conforman una celosía hexagonal, similar a la de un panal de miel, posee una alta conductividad eléctrica, entre otras propiedades tales como su gran durabilidad y su notable flexibilidad.
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