Fumarolas submarinas, bioenergía y origen de la vida
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| Fumarola submarina (Fuente) |
Cuando consumo cualquier alimento, en mi interior se desarrolla una cadena de procesos fisiológicos que, por complejos que sean, pueden resumirse en la combustión mediante el oxígeno de las moléculas elementales que componen el alimento. Como es una combustión mediante oxígeno, se trata químicamente de una oxidación y, para lo que aquí nos interesa, de la citada reacción se desprende energía que es la que nos permite seguir viviendo. En eso consiste la respiración, en un proceso mediante el cual respiramos oxígeno que utilizamos para producir nuestra energía interna quemando los nutrientes que ingerimos.
La vida es esencialmente eso: una cadena de reacciones de oxidación que liberan energía. Dependiendo de los diferentes organismos, esas reacciones químicas utilizan miles de sustratos y productos orgánicos o inorgánicos que siempre rinden una "moneda" energética fundamental: una molécula de adenosin-trifosfato (ATP). La ruptura de los enlaces del ATP libera energía.
La reacciones bioenergéticas se han ido realizando de diferentes maneras desde que la aparición de los procariotas (los organismos más sencillos cuyas células, a diferencia de las que poseen los más evolucionados eucariotas, carecen de núcleo y de otros orgánulos intracelulares) supuso el comienzo de la vida sobre la Tierra hace 3.500 millones de años, mucho antes de que hubiera oxígeno libre en la atmósfera terrestre, lo que hace imposible que existiera el proceso bioenergético más común hoy en día: la oxidación. Los procesos bioenergéticos que se producen en presencia de oxígeno se denominan aerobios, mientras que los que se producen en su ausencia se llaman anaerobios. Es obvio que las primeras y más sencillas formas de vida eran anaerobias. Así pues, ¿en qué condiciones ambientales se originaron los primeros procesos bioenergéticos?
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| Alexander Oparin (Fuente) |
Por lo general, los libros de texto indican que la vida procede de una sopa orgánica o caldo prebiótico y que las primeras células se desarrollaron fermentando estas sustancias orgánicas para generar ATP. La teoría de la sopa orgánica fue propuesta el bioquímico ruso, Alexander Oparin y su colega inglés John Haldane, por separado y en diferentes años (1924 Oparin y 1928 Haldane) y básicamente sostiene que las descargas eléctricas que se producían en la enrarecida atmósfera de la Tierra primigenia proporcionaron la energía para convertir el metano, el amoníaco y el agua en los primeros compuestos orgánicos en los calientes océanos de la Tierra aún no consolidada. Esos primeros compuestos orgánicos estarían en el origen de los primeros procariotas cuyas actividades vitales anaerobias liberaron oxígeno y, con el paso del tiempo, el aumento de los niveles de oxígeno en la primitiva atmósfera terrestre permitiría la aparición de las primeras formas aerobias.
La hipótesis Oparin-Haldane tuvo el mérito de ser la primera en formular el origen de la vida; después la han seguido otras que apoyan los primeros organismos obtuvieron la energía de la síntesis de piritas volcánicas, de la fotosíntesis basada en el sulfuro de zinco de las radiaciones ultravioletas, por citar una cuantas, pero todas ellas plantean un problema: ningún microorganismo conocido utiliza esas vías para obtener energía. Recientemente, se ha abierto paso con vigor la hipótesis de que la vida pudo surgir de fumarolas submarinas.
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| Gusanos tubícolas en los alrededores de una fumarola submarina (Fuente) |
Una fuente hidrotermal o fumarola hidrotermal, es una grieta en la superficie terrestre (o de cualquier otro cuerpo celeste) de la cual fluye agua caliente. Por lo general se encuentran en lugares que son volcánicamente activos donde el magma está relativamente cerca de la superficie. Son abundantes en la Tierra porque nuestro planeta es todavía joven (por tanto, geológicamente activo) y tiene cantidades grandes de agua en su superficie. Los tipos terrestres comunes son las aguas termales, las fumarolas y los géiseres. En los mares profundos, las zonas que rodean a las fuentes hidrotermales son biológicamente muy productivas porque sostienen cadenas interdependientes y complejas de organismos cuyo alimentación descansa, en su primer escalón, en la producción de la arqueas quimiosintéticas.
Tradicionalmente, la vida ha sido vista siempre dependiente de la energía solar, pero los organismos de aguas profundas no tienen acceso a la luz del Sol, por lo que dependen de los nutrientes que se encuentran en los depósitos de polvo y en los productos químicos de los fluidos hidrotermales en el que viven. Antiguamente, los biólogos marinos suponían que los organismos de las fuentes hidrotermales existían consumiendo la "lluvia" de detritus de los niveles superiores del océano. Esta teoría limitaba la vida submarina a la vida vegetal existente en la superficie, y por tanto, haciéndola también dependiente de la luz solar. Si éste fuese el único mecanismo por el cual se obtienen los nutrientes y la energía necesaria para la existencia de vida en el fondo del mar, la biodiversidad submarina sería muy escasa. Sin embargo, se ha demostrado que en el fondo del mar que rodea a las fumarolas hidrotermales la densidad de microorganismos es diez mil a cien mil veces mayor que en las aguas alejadas de ellas. Vea algunos videos sobre la vida alrededor de las fumarolas en este enlace.
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| El submarino Alvin toma imágenes de fumarolas submarinas (Fuente) |
Las comunidades hidrotermales son capaces de sostener esa enorme cantidad de organismos porque existen procariotasquimiosintéticos que aprovechan los compuestos minerales que existen alrededor para, en ausencia de luz, producir la energía que sostiene su existencia. El agua que sale de los respiraderos hidrotermales es rica en minerales disueltos de los que se nutren una gran población de procariotas autótrofos o arqueas que fueron descubiertos en 1977 por un equipo de tres científicos del Instituto Woods Hole de Investigaciones Oceanográficas, que descendió en el minisubmarino Alvin a una profundidad de 2.400 m en el océano Pacífico.
Las arqueas o arqueobacterias son bacterias muy elementales, que, como las restantes bacterias, carecen de núcleo celular o cualquier otro orgánulo dentro de las células (son procariotas), tienen una historia evolutiva independiente y presentan muchas diferencias en su bioquímica y genética respecto al resto de formas de vida. A pesar de su semejanza estructural y morfológica con las bacterias, las arqueobacterias poseen genes y varias rutas metabólicas que son más cercanas a las de los más evolucionados eucariotas, entre los cuales nos contamos.
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| Vista al microscopio electrónico de la arquea metanogénica Methanocaldococcus jannaschii (Fuente) |
Las arqueas explotan una variedad de nutrientes mucho mayores que los eucariotas, desde compuestos orgánicos comunes como los azúcares (eso es lo que hacen las arqueas metanógenas que viven en el intestino de los humanos y los rumiantes, gracias a las cuales podemos digerir la comida), hasta el uso de sales, dióxido de carbono, amoníaco, iones metálicos o incluso hidrógeno. Como en el fondo oceánico la luz es inexistente y por lo tanto no puede realizarse la fotosíntesis, las arqueas de las fumarolas convierten el calor, el metano y los compuestos de azufre en energía a través de un proceso llamado quimiosíntesis. La formas de vida más complejas, como gusanos tubícolas, moluscos y crustáceos se alimentan de las arqueas.
En el último número de la revista Science, aparecido el pasado 6 de junio, un equipo anglo-alemán de biólogos ha aportado nuevas pruebas de que los procesos bioenergéticos de las arqueobacterias que constituyen la base de la vida en las fuentes hidrotermales reúnen todas las condiciones para haber sido los causantes del origen de la vida en nuestro planeta.
Publicado por Manuel Peinado Lorca en 19:28
Saludos
Rodrigo González Fernández
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