viernes, mayo 29, 2020

Geoquímica de los humeros blancos: El estudio de un nuevo tipo de fumarolas hidrotermales halladas en el fondo oceánico arroja luz sobre el origen de la vida.

Geoquímica de los humeros blancos: El estudio de un nuevo tipo de fumarolas hidrotermales halladas en el fondo oceánico arroja luz sobre el origen de la vida.

Alexander S. Bradley, Investigación y Ciencia, febrero de 2010

En los continentes quedan escasos rincones por explorar y seguramente pocas maravillas naturales por descubrir. En el mundo submarino, en cambio, la historia es otra. Sabemos más sobre la superficie de Marte que sobre la superficie del lecho oceánico, que abarca un 75 por ciento del planeta. Un sinfín de sorpresas nos aguardan allí.

Se nos dio una en anticipo en diciembre de 2000. La expedición que estaba cartografiando el macizo Atlantis, una montaña submarina a mitad de camino entre las islas Bermudas y las Canarias, y a casi un kilómetro bajo la superficie del Atlántico Norte, descubrió una columna de roca blanca y tan alta como un edificio de 20 pisos que emergía del fondo del mar. Mediante el Argoll, un vehículo dirigido por control remoto, y el sumergible tripulado Alvin, los científicos exploraron y extrajeron muestras de tan misteriosa estructura. Aunque las limitaciones impuestas por la falta de tiempo redujeron las investigaciones a una sola inmersión del Alvin, se recogió información suficiente para determinar que aquella columna blanca constituía una más entre las múltiples estructuras de este tipo que estaban emitiendo agua de mar caliente en dicha zona. Habían descubierto un campo de manantiales termales submarinos al que denominaron Campo Hidrotermal de la Ciudad Perdida. Nunca se había visto nada igual, incluidas las ahora célebres fumarolas negras (black smokers).

El primer artículo sobre el descubrimiento, publicado en Nature en julio de 2001, desató oleadas de entusiasmo en la comunidad científica. Un grupo de expertos encabezado por Deborah S. Kelley, de la Universidad de Washington, planteó una serie de preguntas fundamentales: ¿Cómo se formó ese campo hidrotermal? ¿Qué tipo de organismos vivían allí? ¿Cómo sobrevivían? Para descubrirlo, Kelly dirigió en 2003 una expedición ambiciosa, de seis semanas de duración, a la Ciudad Perdida. Tras años de minuciosos análisis de las muestras recogidas durante la misión, los investigadores están empezando a obtener respuestas fascinantes. Los hallazgos obtenidos en la Ciudad Perdida han quitado el polvo a viejas teorías sobre las condiciones químicas que podrían haber sentado las bases para la aparición de vida sobre la Tierra. Los resultados han ampliado las hipótesis sobre los lugares donde podría existir vida, más allá del Planeta Azul, y han puesto en entredicho algunas de las ideas predominantes sobre cómo ir en su búsqueda.

QUÍMICA EXTRAÑA

La existencia de las fumarolas hidrotermales submarinas se conoce desde los años setenta del siglo XX. Las fumarolas negras son las más conocidas; se encuentran en las dorsales oceánicas, las cadenas de volcanes que recubren los lugares en donde las placas tectónicas se están separando entre sí. En esas fumarolas, el agua alcanza temperaturas superiores a los 400 grados Celsius, debido a su proximidad con la roca fundida. Con un pH parecido al zumo del limón, el agua abrasadora disuelve sulfuros, hierro, azufre y zinc conforme se va filtrando entre las rocas que subyacen bajo el lecho oceánico. Posteriormente, a medida que ese fluido ácido y caliente retorna a la superficie del fondo marino, es emitido a través de las fumarolas; al entrar en contacto con el agua de mar fría, los sulfuros metálicos disueltos se enfrían rápidamente y precipitan, dando lugar a una mezcla turbia que presenta el aspecto de una nube de humo negro. La acumulación de los sulfuros metálicos en la parte superior de las fumarolas forma unas chimeneas que van haciéndose cada vez más altas.

A pesar del entorno químico hostil, las regiones que rodean a las fumarolas negras están repletas de animales exóticos. Entre éstos, gusanos del género Rifita, tubícolas gigantes que poseen una pluma de color rojo en la punta, carecen de boca e intestino y medran gracias a una asociación simbiótica con bacterias internas que consumen el venenoso sulfuro de hidrógeno (gas) que emana de las fumarolas.

En comparación con el entorno agreste de las fumarolas negras, las de la Ciudad Perdida son desconcertantemente tranquilas. A unos 15 kilómetros hacia el oeste de la frontera entre las placas tectónicas de la dorsal Mesoatlántica, el campo de fumarolas que se encuentra sobre el macizo Atlantis se halla demasiado lejos como para que el magma ascendente pueda calentar los fluidos hasta alcanzar las abrasadoras temperaturas que se producen en las fumarolas negras. Acontece, por el contrario, que el agua se calienta gracias a las corrientes de convección que se originan a partir de las rocas calientes del fondo; las temperaturas máximas registradas alcanzan sólo los 90 grados Celsius. Los fluidos de la Ciudad Perdida tampoco son ácidos. Alcalinos, con un pH que oscila entre 9 y 11, parecido al del hidróxido de magnesio (leche de magnesia) o al de una disolución de amoniaco doméstico. Puesto que esas aguas no disuelven fácilmente concentraciones elevadas de metales como el hierro o el zinc, la Ciudad Perdida no produce la nube de sulfuros metálicos que caracterizan a las fumarolas negras.

Antes bien, las aguas de los humeros de la Ciudad Perdida son ricas en calcio, que, al mezclarse con el agua marina, produce carbonato cálcico (caliza). Esta caliza forma chimeneas blancas gigantes, la mayor de las cuales se alza casi 60 metros sobre el fondo marino (más alta que la fumarola negra más esplendorosa).

La extraña química que se desarrolla en la Ciudad Perdida se debe a su incomparable marco geológico, enraizado en la estructura del propio planeta. Imaginemos que la Tierra es un melocotón, donde la piel representa la corteza, la carne equivale a la sólida capa de manto subyacente y el hueso corresponde al núcleo de hierro incandescente. En la dorsal Mesoatlántica, la corteza se está separando lentamente a medida que Norteamérica y África se alejan entre sí, a razón de unos 25 milímetros por año. La separación de la corteza ha dejado expuestas regiones del manto terrestre en el fondo oceánico; el afloramiento de este manto expuesto ha formado el macizo Atlantis.

El manto consta sobre todo de peridotita, un tipo de roca que resulta clave para explicar la química de la Ciudad Perdida. Cuando la peridotita entra en contacto con el agua, experimenta una reacción de serpentinización. A medida que el agua de mar se va filtrando en las profundidades del macizo, la peridotita se convierte en serpentinita y, como resultado de esta reacción, las aguas percolantes se tornan más alcalinas. Para cuando los fluidos vuelven y se mezclan con océano, están saturados del calcio liberado durante la serpentinización. Y lo que reviste mayor interés: en ese momento los fluidos se encuentran muy reducidos (en el sentido químico), es decir, que el agua ha sido despojada de todo su oxígeno para ser sustituido por gases de alto contenido energético, como el hidrógeno, el metano y el sulfuro. En concreto, la concentración de hidrógeno es de las más elevadas que se han hallado nunca en un entorno natural. Y aquí es donde la historia empieza a adquirir interés.

EN EL PRINCIPIO

El hidrógeno está dotado de energía en razón de su capacidad de transferir electrones a otros compuestos, como el oxígeno; libera energía en el proceso. De los compuestos que ceden fácilmente electrones a otros se dicen que son “reducidos”. Durante largo tiempo, los científicos han sospechado que los gases reducidos desempeñaron una función clave en el origen de la vida sobre la Tierra.

En los años veinte del siglo pasado, Alexander Oparin y J. B. S. Haldane sugirieron, por separado, que la atmósfera terrestre primitiva debió haber sido muy rica en gases reducidos, como el metano, amoniaco e hidrógeno. Propusieron que, si la concentración atmosférica de esos gases hubiera sido elevada, los ingredientes químicos necesarios para la vida podrían haberse formado de manera espontánea.

La idea ganó en credibilidad varios decenios más tarde, con el experimento realizado en 1953 por Stanley Miller y Harold Urey, de la Universidad de Chicago. Al calentar y someter a descargas eléctricas una mezcla de gases reducidos, Miller y Urey obtuvieron diversos compuestos orgánicos (la mayoría de los compuestos que contienen carbono e hidrógeno); había, entre ellos, aminoácidos, los materiales de construcción para las proteínas que utilizan todos los seres vivos. Sin embargo, durante los años posteriores al célebre experimento, los geólogos llegaron a la conclusión de que la atmósfera primitiva no estaba tan reducida como se había supuesto. Las condiciones que permitieron la formación de aminoácidos y otros compuestos orgánicos en el experimento de Miller-Urey probablemente nunca existieron en la atmósfera terrestre.

Pero en las fumarolas hidrotermales de la Ciudad Perdida sí abundan los gases reducidos. ¿Cabe la posibilidad de que, hace miles de millones de años, fumarolas similares hubieran reunido las condiciones apropiadas para producir el tipo de compuestos orgánicos necesarios para la vida? Algunos geoquímicos que estudian la cuestión así lo creen. Varios estudios realizados durante el último decenio han sugerido que las reacciones químicas desarrolladas durante la serpentinización son idóneas para la producción de compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono.

Ciertos sistemas hidrotermales similares a los de la Ciudad Perdida pudieron haber operado a modo de fábricas primitivas que produjeron enormes cantidades de metano, ácidos orgánicos sencillos y quizás incluso ácidos grasos más complejos, que son componentes esenciales de las membranas celulares de todos los organismos vivos.

La Ciudad Perdida constituye un laboratorio natural donde poder comprobar esas hipótesis. En 2008, Giora Proskurowski, del Instituto Oceanográfico Woods Hole, y sus colaboradores publicaron un artículo en Science en donde demostraban que los fluidos hidrotermales de la Ciudad Perdida contenían metano, etano y propano, compuestos orgánicos, Otras investigaciones sugieren que las reacciones que tiene lugar en la Ciudad Perdida producen también ácidos orgánicos de pequeño tamaño como formiato y acetato. En conjunto, esos hallazgos confirman que las condiciones reducidas de las fumarolas de la Ciudad Perdida podrían propiciar los tipos de reacciones químicas necesarios para crear compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos, una etapa crucial, aunque sencilla, en la química prebiótica.

Este nuevo trabajo arriba a la conclusión de que algunos entornos del tipo de los humeros hidrotermales poseen la capacidad de producir, al menos, compuestos orgánicos sencillos, posibles ingredientes para la vida. Pero la Ciudad Perdida presenta un inconveniente para la comprobación de esa hipótesis: las torres de carbonato no son reactores químicos estériles, sino que se encuentran repletas de vida microbiana, lo que deja abierta la posibilidad de que estos microorganismos contribuyan a la formación de compuestos orgánicos en los fluidos de las fumarolas. La resolución del misterio exige un estudio más profundo de los microorganismos.

SIN NECESIDAD DEL SOL

Abundan los microorganismos que han desarrollado la capacidad de consumir la abundante energía que contiene el hidrógeno. Pensemos en los metanógenos. Como su nombre indica, se trata de microorganismos que generan metano, el gas natural que muchos de nosotros utilizamos para calentar nuestro hogar y cocinar. Se da la circunstancia de que casi la tercera parte de los microorganismos de la Ciudad Perdida corresponde a metanógenos de la familia de los Methanosarcinales. Su presencia no mueve a la sorpresa, dada la abundancia de hidrógeno en los fluidos de los humeros hidrotermales. Lo que resulta fascinante es que los metanógenos de la Ciudad Perdida operen con independencia del Sol.

Prácticamente toda la vida sobre la Tierra depende de la energía solar, ya sean humanos (que dependen de los organismos fotosintéticos para obtener alimento) o plantas y algas fotosintéticas. Incluso en los humeros negros, en las profundidades abisales más oscuras, la vida depende del Sol. Los microorganismos que propician el crecimiento de los gusanos tubícolas gigantes necesitan sulfuros y oxígeno, la fuente del cual son, en última instancia, los organismos fotosintéticos que medran mucho más arriba. Por el contrario, todo lo que requieren los metanógenos de la Ciudad Perdida para sobrevivir es dióxido de carbono, agua líquida y peridotita, que reacciona para producir las materias primas necesarias.

Se ha descubierto que las reacciones geoquímicas derivadas de la serpentinización, así como la actividad de los metanógenos biológicos, aportan metano al ecosistema de la Ciudad Perdida. Esta generación simultánea de metano quizá no sea una coincidencia. En una serie de estudios realizados durante los últimos años, William Martin, de la Universidad Heinrich-Heine, y Michael Russell, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, estudiaron las etapas químicas que se precisan para la producción abiótica de metano, es decir, sin la presencia de seres vivos, en ambientes como los de la Ciudad Perdida. Descubrieron que cada etapa tiene una réplica en las rutas biológicas que utilizan los organismos para generar metano.

Basados en sus resultados, Martin y Russell propusieron que, en la Tierra primitiva, lugares como la Ciudad Perdida produjeron metano de forma geoquímica; las formas de vida primordiales sencillamente se habrían apropiado de cada una de las etapas químicas, dando lugar a lo que podría haber sido el origen de la primera ruta bioquímica.

Martin y Russell no han sido los primeros en sugerir que la vida podría haber surgido en una fumarola hidrotermal. Esa idea viene circulando desde hace años. Se apoya no sólo en las convenientes condiciones químicas de los sistemas hidrotermales, sino también en el historial evolutivo registrado en el material genético de todos los seres vivos.

En ese sentido, el estudio de los ribosomas, las máquinas biológicas que utilizan las células para traducir a proteínas la información codificada en los ácidos nucleicos (ADN y ARN), ha resultado especialmente esclarecedor. Los ribosomas están formados por ARN y proteínas. Mediante la comparación de las secuencias de los ARN ribosómicos, se ha construido un árbol genealógico que muestra las relaciones existentes entre todas las formas de vida que habitan en la Tierra. Muchos de los organismos situados en las ramas próximas a la raíz del árbol consumen hidrógeno y habitan en manantiales hidrotermales, donde le agua alcanza temperaturas muy elevadas, ya sea en tierra o en los fondos oceánicos; ello indica que el último ancestro universal que dio lugar a todas las formas de vida que habitan en la Tierra podría también haber vivido en un manantial de aguas termales, posiblemente en un entorno semejante al del Campo Hidrotermal de la Ciudad Perdida.

Los geólogos tienen motivos para suponer que, en algún momento, abundaran los ecosistemas de la clase de los observados en la Ciudad Perdida. La peridotita es uno de los tipos de roca más comunes en el sistema solar. En la Tierra, constituye la mayor parte del manto superior. Aunque hoy en día no resulta fácil encontrar, sobre la superficie terrestre, peridotita recién formada, hace tres o cuatro mil millones de años era muy abundante. Por aquel entonces, el planeta estaba mucho más caliente y la intensa actividad volcánica transportaba una mayor cantidad de materia desde el manto fundido hacia la superficie. De hecho, la peridotita constituía, probablemente, la mayor parte de las rocas de los fondos oceánicos de la Tierra primitiva.

La peridotita habría reaccionado con el agua tal y como lo hace ahora. Las condiciones de calor y alcalinidad similares a las de la Ciudad Perdida podrían, por tanto, haber dado lugar a las primeras formas de vida. Por el contrario, condiciones como las de los humeros negros, con temperaturas abrasadoras y un medio ácido, probablemente habrían resultado demasiado hostiles para propiciar la aparición de la vida.

Los hallazgos de la Ciudad Perdida refuerzan también las hipótesis sobre otros lugares de nuestro sistema solar y sus posibilidades de albergar vida o de haberlo hecho en el pasado. Cualquier planeta o luna que contenga peridotita y agua líquida (los ingredientes necesarios para la serpentinización) albergaría, en potencia, formas de vida análogas a los microorganismos de la Ciudad Perdida. Las pruebas más sólidas sobre la existencia de esos compuestos proceden de Marte y de Europa, una de las lunas de Júpiter. De hecho, ya se ha detectado metano en la atmósfera marciana actual. Ignoramos, no obstante, si procede de la actividad microbiana, de las reacciones químicas que tienen lugar en las rocas del planeta o de ambas.

EL ORIGEN DEL METANO

Establecer esa procedencia puede resultar más difícil de lo que se había previsto. En el árbol de la vida, la mayoría de los integrantes son microorganismos. Aunque podemos estudiar las secuencias de su ADN y ARN, hallar un registro fósil de individuos con formas ambiguas no es fácil. Para conseguirlo, durante los últimos decenios se han desarrollado técnicas que permiten estudiar la historia evolutiva de los microorganismos a través de un análisis exhaustivo del registro geológico, pero no en busca de fósiles físicos sino de fósiles químicos.

Los fósiles químicos son moléculas que guardan relación con los seres vivos y que se han conservado fosilizadas en las rocas durante millones o miles de millones de años. La mayoría de los fósiles químicos procede de los lípidos que forman las membranas celulares. Aunque los lípidos no albergan tanta información como el ADN o un fósil físico, constituyen indicadores fiables de la vida y permiten realizar un diagnóstico estructural sobre el tipo de organismo que los ha producido.

Además, el carbono que forma parte del lípido es una fuente de información, ya que contiene un marcador que indica el modo en que un organismo ha obtenido de su entorno el carbono: nos referimos al carbono 13 (C13), una forma rara del elemento (isótopo) que no se degrada con el tiempo. En la mayoría de los organismos, el carbono contiene entre un 1 y un 3,5 por ciento menos de C13 que el carbono que forma parte del CO2 disuelto en el agua de mar. De ello se infiere que el carbono de las rocas antiguas que muestre esa composición isotópica procede de seres vivos; asimismo, se supone que el carbono que no muestre tal empobrecimiento en C13 se generó a través de un proceso abiótico.

Sin embargo, la Ciudad Perdida cuestiona la hipótesis anterior. Mi trabajo junto a un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts y del Instituto Woods Hole ha demostrado que algunos de los lípidos más abundantes hallados en los carbonatos de la Ciudad Perdida proceden de organismos metanógenos. Unos lípidos que no muestran empobrecimiento en C13: antes bien, su composición isotópica es la que cabría esperar de un material de origen abiótico.

¿Cómo pudo ocurrir? La utilización del C13 como un indicador de la vida se basa en la premisa de la existencia, en el entorno, de más dióxido de carbono disponible del que se puede utilizar. Mientras haya un exceso de dióxido de carbono, los organismos incorporan de preferencia moléculas que contengan C12 (más ligeras) y discriminan las de C13 (de mayor peso). Pero si por algún motivo escasease el dióxido de carbono, los organismos utilizarían todas las moléculas de dióxido de carbono disponibles, sin importar que se tratase de la variedad ligera o de la variedad pesada. Y si eso fue lo sucedido, la abundancia relativa de C13 en los organismos no sería distinta de la de su entorno. El marcador químico de la vida resultaría, pues, invisible.

Ese proceso describe exactamente lo que ocurre en las fumarolas hidrotermales de la Ciudad Perdida. A diferencia de lo que sucede en casi todos los ambientes de la Tierra, donde hay siempre dióxido de carbono, en la Ciudad Perdida predomina el hidrógeno y escasea el dióxido de carbono, lo que obliga a los organismos que allí medran a extraer los isótopos del carbono de manera indiscriminada.

El problema de la invisibilidad se da también con el metano. En condiciones normales, el metano biogénico presenta un empobrecimiento en C13; no así el metano de origen geoquímico. Una diferencia que no se respeta a menudo en los sistemas donde tiene lugar la serpentinización. El metano de las aguas de las fumarolas hidrotermales de la Ciudad Perdida no presenta la sintomática disminución de C13. Los investigadores han observado que ese metano corresponde a una mezcla de productos biológicos y geológicos. Sin embargo, resulta imposible establecer una distinción sólo a partir de los isótopos del carbono.

Si la vida se ha desarrollado en alguna otra parte de nuestro sistema solar, lo más probable es que se trate de metanógenos microbianos que habiten en lugares donde la roca sufra un proceso de serpentinización. Sabemos que en Marte se produce metano. La NASA proyecta lanzar el Laboratorio Científico de Marte en 2011; una de sus misiones consistirá en determinar en ese metano la proporción de los isótopos del carbono. Un empobrecimiento en C13 indicaría la existencia de organismos en el Planeta Rojo.

Sin embargo, la Ciudad Perdida demuestra que, si se fracasara a la hora de encontrar dicha señal, difícilmente podría considerarse una prueba de la ausencia de vida. De hecho, el hallazgo de microorganismos en ese tipo de ecosistemas recién descubiertos proporciona todavía más razones para esperar que, algún día, encontraremos señales de vida extraterrestre.

LA CUNA DE LA VIDA

Las fumarolas de la Ciudad Perdida se hallan en lo alto del macizo Atlantis, una montaña submarina a 15 kilómetros al oeste del borde de la placa tectónica de la dorsal Mesoatlántica. El estudio de las fumarolas ha puesto de manifiesto el proceso de formación de sus chimeneas. Los resultados sugieren que las condiciones químicas allí presentes podrían haber dado lugar a las primeras formas de vida sobre la Tierra.

El macizo consta, sobre todo, de peridotita. A medida que el agua de mar se va filtrando a través de las grietas del macizo, reacciona con la peridotita, transformándola en serpentinita. Tal serpentinización provoca varios procesos de suma importancia para la química de la Ciudad Perdida. Por un lado, hace que el agua caliente percolante adquiera un pH alcalino, que favorece la disolución del calcio. Conforme el agua emerge de las fumarolas y se mezcla con el agua de mar, se crea carbonato cálcico, que precipita en la parte superior de las fumarolas, erigiendo las chimeneas blancas. Además, la reacción hace que los fluidos de las fumarolas se saturen de gases de alto contenido energético, entre ellos el hidrógeno, que permite la proliferación de metanógenos en la parte superior y en el interior de las paredes de las chimeneas, independientemente de la energía procedente del Sol. Por último, la serpentinización da lugar a condiciones químicas que posibilitan la síntesis de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas, un prerrequisito para la aparición de la vida.

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