El origen de la vida: Teoría de la coagulación-floculación-proto-biofilm (CFPBIO)

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Una de las cuestiones clave a la hora de explicar el origen de la vida en la Tierra es la formación de biomoléculas complejas tales como ARN y polipéptidos con actividad catalítica a partir de sus constituyentes más simples como nucleótidos y aminoácidos. Así mismo, el paso desde un conjunto de biomoléculas complejas a una protocélula constituye un problema fundamental aún sin respuesta. Para ello se han propuesto distintas teorías como la Hipótesis de Eigen, la Teoría del mundo de hierro-sulfuro o la Teoría de la playa radiactiva. En el presente artículo se propone una teoría complementaria para la aparición de la vida, basada en procesos de coagulación y floculación de agua de mar en arena volcánica y generación de proto-biofilms.

La síntesis prebiótica de los constituyentes bioquímicos esenciales de la vida, no ofrece en principio grandes dificultades teóricas, teniendo en cuenta las condiciones ambientales que se supone existían en la Tierra primitiva. Como demostró el clásico experimento Urey-Miller y otros posteriores como los del científico catalán Joan Oró, es posible sintetizar aminoácidos, azúcares y otros compuestos orgánicos a partir de reactivos inorgánicos como el metano, amoníaco, agua, sulfuro de hidrógeno (H2S), dióxido de carbono y la presencia de una fuente de energía.

Joan Oró, bioquímico y astrobiólogo catalán, consiguió sintetizar bases nitrogenadas (componentes fundamentales de los ácidos nucléicos)  mediante la adición de  ácido cianhídrico a un "caldo primigenio" formado por moléculas orgánicas simples. 

En los trabajos de Miller, esta energía era aportada por descargas eléctricas y radiación UV. Por su parte, en el modelo del hierro-sulfuro la energía necesaria es proporcionada por el potencial redox de los sulfuros metálicos, mientras que en la teoría de la playa radiactiva la fuente de energía propuesta es la radiactividad de las partículas de mineral de uranio. Además de esto, la detección mediante análisis espectrales de moléculas orgánicas en meteoritos y cometas así como en el medio interestelar, abunda en la idea de la disponibilidad de biomoléculas simples en la Tierra primitiva y otros planetas como Marte y Venus.

Sin embargo, la síntesis de biopolímeros como ARN y péptidos con actividad catalítica a partir de los citados monómeros ofrece mayores dificultades. En un ambiente acuoso, la termodinámica favorece la hidrólisis de los polímeros, en lugar de su formación. La hipótesis del hierro sulfuro resuelve este problema proponiendo la existencia microcavernas revestidas de sulfuros metálicos en el interior de chimeneas negras submarinas (Martin, W. and Russell M.J. 2002). Estas pequeñas cavidades permitirían concentrar las moléculas recién sintetizadas, aumentando la probabilidad de formar polímeros. Además, el gradiente de temperatura presente en las chimeneas negras haría posible la existencia de multitud de microambientes con condiciones optimas de temperatura para las distintas reacciones de polimerización. De esta forma se generarían numerosas quimioclínas o gradientes de concentración para cada compuesto sintetizado y un mecanismo de transporte mediante el flujo hidrotermal, el cual además aseguraría un aporte constante de compuestos químicos básicos para la biosíntesis. Todo el conjunto se comportaría como una ruta proto-metabólica primitiva autoorganizada.

Las chimeneas negras submarinas, lugar en el que se habrían generado las primeras formas de vida sobre la Tierra, segín la hipótesis del hierro-sulfuro.

No cabe duda de que el modelo del Hierro-sulfuro resuelve el problema de la polimerización de un modo elegante. Sin embargo, es posible que no haya sido el único mecanismo de síntesis de biopolímeros que se produjo en la Tierra primitiva. Sin llegar a los extremos del modelo de la ecopoiesis, que propone la existencia de un proto-metabolismo a escala planetaria, la aparición de la vida bien pudo ser consecuencia de un incremento progresivo de la complejidad bioquímica a nivel global a la que contribuyeron numerosos procesos diferentes. A continuación se propone un mecanismo complementario a los anteriormente citados para la síntesis prebiótica de biopolímeros y formación de las primeras proto-células.

Teoría de la coagulación-floculación-proto-biofilm (CFPBIO)

La aparición de la vida se sitúa en el Eón Arcaico, tras el enfriamiento del planeta que siguió al bombardeo intenso tardío, entre 4.000 y 3.700 millones de años atrás. En ese momento la superficie de la Tierra ya estaba cubierta por océanos, como demuestra la presencia de formaciones de hierro bandeadas, sedimentación química y capas de sílex y basaltos en las rocas más antiguas. Sin embargo, hasta finales de dicho periodo no hubo grandes continentes, sino pequeños continentes isla, debido a una alta tasa de actividad geológica que impedía la coalescencia en unidades más grandes. Así mismo, la actividad volcánica era considerablemente mayor que la actual, como atestigua el hecho de que la mayoría de las rocas de aquel periodo que aún sobreviven sean metamórficas o ígneas.

Por otra parte, en el Eón Arcaico la Luna se encontraba a una distancia de la Tierra mucho menor que hoy en día, lo que generaba procesos mareales más intensos (ver recesión lunar). Zachary Adam, de la Universidad de Washington, parte de este hecho para elaborar su Teoría de la playa radiactiva. Richard lathe, biólogo molecular de la Universidad de Edimburgo, ha calculado que las mareas del Arcaico tendrían una periodicidad de 2 a 6 horas, pudiendo adentrarse hasta 100 km tierra adentro (Esto implicaría que para una superficie emergida distribuida en 20 continentes-isla en cada ciclo mareal se cubriese una superficie de tierra similar a la de la actual Norteamérica).

Costa de Vik, en Islandia, un  posible análogo de las costas volcánicas del Eón Arcaico.

En este escenario, las mareas cubrían las playas y costas primordiales, formadas en su mayoría por rocas y arenas volcánicas, llevando en disolución las biomoléculas básicas sintetizadas mediante cualquiera de los mecanismos descritos en las distintas teorías. Durante los procesos de subida y bajada de la marea, parte del agua marina se iría filtrando en la arena. En el transcurso de dicho filtrado, una proporción de las biomoléculas presentes en el agua de mar quedarían adheridas a los granos de arena volcánica, debido a un proceso físicoquímico denominado coagulación - floculación.

Avance de la marea en una playa volcánica.

La coagulación - floculación es uno de los sistemas más comunes empleados para la potabilización y tratamiento de aguas superficiales y residuales. Facilita la retirada del agua de sólidos en suspensión, partículas coloidales y sustancias disueltas mediante la adición de coagulantes inorgánicos tales como sulfato de aluminio o sales de hierro. En condiciones normales, las partículas de un tamaño menor a 0.1 micras se mantienen en movimiento constante flotando en el agua debido a existencia de cargas electrostáticas negativas que hace que se repelan entre sí. Los coagulantes inorgánicos, también llamados agentes clarificantes, neutralizan dichas cargas negativas haciendo posible que las partículas  se unan mediante fuerzas de Van der Waals, formando coloides y aglomerados que precipitan (flóculos).

Esquema del principio de coagulación- floculación.

Infografía representando la formación de un flóculo por unión mediante  fuerzas de Van der  Waals de moléculas en disolución y partículas en suspensión.

Las fuerzas de Van der Waals son relativamente débiles comparadas con los enlaces químicos normales, pero juegan un papel fundamental en numerosas interacciones entre moléculas orgánicas. Participan en los complejos de trasferencia de cargas, en las interacciones transanulares que dan origen a nuevos anillos en los compuestos aromáticos como la piridina (precursor de nucleótidos) y en la formación de complejos de inclusión entre moléculas como las ciclodextrinas (oligosacáridos cíclicos que presentan un exterior hidrofílico y una cavidad interior hidrofóbica donde pueden acoger moléculas orgánicas no polares). Así mismo, intervienen en la formación de enlaces por puentes de hidrógeno y en la formación de complejos multimoleculares.

Modelos moleculares de las ciclodextrinas.

Además, las fuerzas de Van der Waals contribuyen a la estabilización de la estructura de ácidos grasos, proteínas y enzimas, siendo fundamentales para la actividad catalítica de estas últimas. En la naturaleza existe un equivalente al sulfato de aluminio empleado como coagulante en las plantas de tratamiento de aguas. Se trata del mineral calinita, que aparece como mineral secundario en las zonas de oxidación de los yacimientos de minerales del aluminio, en cuevas y en sublimados volcánicos. Con toda probabilidad, la calinita estaba presente en las costas del arcaico, de naturaleza volcánica.

Sublimados volcánicos en un entorno acuoso.

Detalle de minerales sublimados por exhalación volcánica.

Mineral de Calinita.

Según esta hipótesis, en cada ciclo mareal el agua de mar aportaría nuevas moléculas orgánicas básicas que al filtrarse en la arena precipitarían por coagulación debido a compuestos como la calinita, formando coloides y agregados moleculares en torno a los granos de arena por acción de las fuerzas de Van der Waals. Las reacciones de polimerización también se verían favorecidas por la mayor concentración de los monómeros, confinados en los coloides y en los pequeños huecos existentes entre los granos de arena y los poros de las piedras volcánicas.

Arena volcánica de Hawaii. La imagen cubre un área de 20x15 mm.

Con la bajada de la marea, el agua se retiraría y las capas más superficiales de arena se secarían rápidamente por evaporación, debido a la gran capacidad de absorción de radiación solar de la arena volcánica, de color negro. En cualquier caso la radiación ultravioleta solo afectaría a la capa de arena directamente expuesta al sol por lo que los polímeros presentes en los coloides de la capa de arena subsuperficial no se destruirían.  Sin embargo, la deshidratación si afectaría a capas más profundas, concentrando aún más las biomoléculas esenciales, incrementando la salinidad y aumentando las probabilidades de polimerización (Ver artículo). Además se establecería un gradiente térmico entre la superficie calentada por el sol, a más de 70º C, y las capas subsuperficiales más frías, generando múltiples microambientes con condiciones óptimas de temperatura para las distintas reacciones. Así mismo se generarían gradientes térmicos pronunciados en el entorno de los sublimados volcánicos donde se produce la calinita.

Espuma de mar sobre arena volcánica.

Otra propiedad especialmente interesante de las fuerzas intermoleculares de Van der Waals que hacen posible la coagulación es que presentan anisotropía, lo que significa que dependen de la orientación relativa de las moléculas en las que actúan. Esto podría explicar el origen de la homoquiralidad de los compuestos elementales de los seres vivos. La quiralidad es la propiedad de una molécula de no ser superponible con su imagen especular. En ausencia de un catalizador, las moléculas quirales se sintetizan en una mezcla formada por un 50% de ambos enantiómeros, o imágenes especulares. Sin embargo, todas las moléculas fundamentales que forman parte de los seres vivos poseen la misma quiralidad: los aminoácidos son siempre levógiros, los azúcares ribosa y desoxirribosa de los ácidos nucleicos son dextrógiros y los fosfoglicéridos quirales que forman parte de las membranas celulares son también dextrógiros. Esto sería debido a que sólo las biomoléculas que presentasen una quiralidad apropiada para la coagulación con el sulfato de aluminio de la calinita podrían formar flóculos y por tanto pasar a formar parte de los primeros seres vivos.

Aminoácidos quirales.

Con cada nueva marea se volvería a repetir el ciclo de filtración-coagulación-floculación, aumentando el tamaño de los coloides al unirse nuevas biomoléculas a los flóculos por afinidad química, lo que supondría un mecanismo de filtrado selectivo que contribuiría a la creación de núcleos de polimerización diferenciados. En algunas zonas se acumularían flóculos formados principalmente por grasas, en otros predominarían los polisacáridos o pequeños péptidos, en otros los ácidos nucleicos etc. Con el paso del tiempo los sucesivos ciclos darian lugar a una película de materia orgánica más o menos extensa.

En particular, los flóculos constituidos principalmente por polisacáridos podrían generar una película gelatinosa hidratada similar al biofilm que se forma en los sistemas de depuración de agua mediante filtros lentos de arena. Un biofilm es un agregado de microorganismos embebidos en una matriz extracelular sintetizada por ellos mismos que se adhiere a un sustrato formando una delgada lámina. Puede contener aproximadamente un 15% de células y un 85% de matriz extracelular, compuesta por exopolisacáridos, ADN extracelular y proteínas. Los exopolisacáridos se componen de cadenas de monosacáridos unidos a otros sustituyentes como acetato, piruvato, succinato o fosfato. En algunos biofilms los exopolisacáridos forman canales por donde circulan agua, enzimas, nutrientes y residuos, así como señales químicas que regulan la expresión génica de los distintos componentes de la comunidad.

Esquema de la formación de un biofilm.

Biofilm fotosintético formado sobre la arena de un estuario durante la bajamar.

Estructura de un biofilm vista con un microscopio electrónico. Se aprecian los canales por los que circula el agua.

Detalle de la matriz extracelular de exopolisacáridos de un biofilm.

En los filtros lentos de arena de las plantas depuradoras de agua, el biofilm se genera sobre la capa superficial de arena, a la que se adhieren inicialmente las bacterias mediante fuerzas de Van der Vaals. En las playas del arcaico se formarían proto-biofilms por síntesis prebiótica, como resultado del proceso de filtración-coagulación-floculación del agua de mar en arena volcánica mediado por fuerzas de Van der Vaals. Dicho proto-biofilm estaría formado por polisacáridos con sustituyentes orgánicos simples de naturaleza variable tales como acetato, piruvato o fosfato, de forma similar a los exopolisacáridos de origen bacteriano. También incorporarían compuestos inorgánicos presentes en los granos de arena de distinta composición y en los núcleos de polimerización. Al igual que en los biofilms bióticos, los polisacáridos del proto-biofilm formarían canales por los que circularía el agua, biomoléculas básicas como fosfolípidos, nucleótidos y aminoácidos, y biopolímeros como ARN y pequeños péptidos. Las biomoléculas transportadas por el flujo de agua a través de los canales interactuarían con aquellos compuestos con los que tuviesen afinidad química, por lo que se generarían zonas del proto-biofilm con una mayor abundancia de un tipo de polímero en particular y  gradientes de concentración de distintos compuestos entre las zonas. Los sucesivos ciclos de deshidratación-rehidratación provocarían  la destrucción de la estructura del proto-biofilm y su posterior reorganización, lo que eventualmente pondría en contacto polímeros de diferente naturaleza. La presión del ambiente seleccionaría aquellos proto-biofilms más eficientes y resistentes a la deshidratación y la salinidad.

Con el transcurso del tiempo se generarían proto-biofilms cada vez más complejos que contendrían ácidos nucléicos y péptidos con actividad catalítica que darían lugar a zonas diferenciadas con rutas proto-metabólicas autoorganizadas. La progresiva integración de los distintos polímeros y rutas bioquímicas en un único proto-biofilm avanzaría lentamente hacia la celularización. Sin embargo, durante mucho tiempo las distintas áreas especializadas o proto-células seguirían siendo totalmente dependientes de otras áreas del proto-biofilm. La adquisición de la membrana celular sería un proceso tardío, lo que concuerda con el hecho de que arqueobacterias y eubacterias presenten lípidos de membrana diferentes. 

Por tanto, la primera forma de vida no sería una célula, sino un conjunto de diferentes polímeros y procesos metabólicos interrelacionados en una matriz compleja de polisacáridos hidratados (protobiofilm). 

Incluso tras la celularización, los primeros seres vivos seguirían vinculados a un biofilm, formando comunidades interdependientes similares a los estromatolitos. Los estromatolitos son uno de los indicios más antiguos de vida en la Tierra, existiendo fósiles de más de 3.500 millones de años de antigüedad. Se trata de estructuras estratificadas formadas por la fijación de partículas carbonatadas por parte de cianobacterias en aguas cálidas y someras. Están formados por láminas superpuestas en las que sólo la capa superficial contiene organismos vivos. Aún hoy en día se encuentran estromatolitos, principalmente en el entorno de lagos y lagunas marinas con alta salinidad. Sin embargo, sólo una pequeña parte de los estromatolitos más antiguos contienen fósiles de microorganismos. Mientras algunas estructuras apuntan claramente a un origen biológico, otras encajan mejor con un origen abiótico por precipitación. De hecho aún se sigue investigando activamente un método geológico fiable que permita distinguir entre ambos procesos. La teoría del proto-biofilm daría respuesta a este problema: los estromatolitos más antiguos no presentan fósiles de microorganismos porque se habrían generado a partir de proto-biofilms prebióticos formados por coagulación-floculación.

Estromatolitos en el oeste de Australia.