Los Científicos Identifican Los Ingredientes Clave Cuando Aparecieron Los Primeros Organismos En La Tierra

Los sulfitos y bisulfitos preparan el escenario para las primeras moléculas biológicas de la Tierra

Los investigadores han descubierto que una clase de moléculas llamadas aniones sulfídicos puede haber sido abundante en los lagos y ríos de la Tierra.

Las grandes concentraciones de sulfitos y bisulfitos en lagos poco profundos pueden haber preparado el escenario para las primeras moléculas biológicas de la Tierra.

Hace unos 4 mil millones de años, la Tierra era un lugar inhóspito, sin oxígeno, lleno de erupciones volcánicas y bombardeado por asteroides, sin signos de vida ni siquiera en las formas más simples. Pero en algún lugar en medio de este período caótico, la química de la Tierra se volvió a favor de la vida, dando lugar, aunque improbablemente, a los primeros organismos del planeta.

¿Qué provocó este punto de inflexión crítico? ¿Cómo se recuperaron los organismos vivos en un mundo tan volátil? ¿Y cuáles fueron las reacciones químicas que generaron la primera aminoácidos , proteínas y otros componentes básicos de la vida? Estas son algunas de las preguntas sobre las que los investigadores se han preguntado durante décadas al tratar de reconstruir los orígenes de la vida en la Tierra.

Ahora los científicos planetarios de MIT y el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica han identificado ingredientes clave que estaban presentes en grandes concentraciones justo en el momento en que aparecieron los primeros organismos en la Tierra.

Los investigadores encontraron que una clase de moléculas llamadas aniones sulfídicos puede haber sido abundante en los lagos y ríos de la Tierra. Calculan que, hace unos 3.900 millones de años, los volcanes en erupción emitieron enormes cantidades de dióxido de azufre a la atmósfera, que finalmente se asentaron y disolvieron en agua como aniones sulfídicos, específicamente, sulfitos y bisulfitos. Estas moléculas probablemente tuvieron la posibilidad de acumularse en aguas poco profundas como lagos y ríos.

“En los lagos poco profundos, encontramos que estas moléculas habrían sido una parte inevitable del medio ambiente”, dice Sukrit Ranjan, un postdoctorado en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT. “Si fueron parte integral del origen de la vida es algo que estamos tratando de resolver”.

El trabajo preliminar de Ranjan y sus colaboradores sugiere que los aniones sulfídicos habrían acelerado las reacciones químicas necesarias para convertir moléculas prebióticas muy simples en ARN , un componente genético de la vida.

“Antes de este trabajo, la gente no tenía idea de qué niveles de aniones sulfídicos estaban presentes en las aguas naturales de la Tierra primitiva; ahora sabemos cuáles eran ”, dice Ranjan. “Esto cambia fundamentalmente nuestro conocimiento de la Tierra primitiva y ha tenido un impacto directo en los estudios de laboratorio sobre el origen de la vida”.

Ranjan y sus colegas publicaron sus resultados hoy en la revista Astrobiology.

Preparando el escenario de la Tierra primitiva

En 2015, químicos de la Universidad de Cambridge, dirigidos por John Sutherland, quien es coautor del estudio actual, descubrieron una forma de sintetizar los precursores del ARN usando solo cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y luz ultravioleta, todos ingredientes que se cree haber estado disponible en la Tierra primitiva, antes de la aparición de las primeras formas de vida.

Desde el punto de vista de la química, el caso de los investigadores fue convincente: las reacciones químicas que llevaron a cabo en el laboratorio superaron los desafíos químicos de larga data, para dar vida con éxito a los componentes genéticos. Pero desde el punto de vista de la ciencia planetaria, no estaba claro si tales ingredientes habrían sido lo suficientemente abundantes como para impulsar a los primeros organismos vivos.

Por ejemplo, es posible que los cometas hayan tenido que llover continuamente para traer suficiente cianuro de hidrógeno a la superficie de la Tierra. Mientras tanto, el sulfuro de hidrógeno, que se habría liberado en grandes cantidades por las erupciones volcánicas, se habría quedado en la atmósfera, ya que la molécula es relativamente insoluble en agua y, por lo tanto, no habría tenido oportunidades regulares de interactuar con el cianuro de hidrógeno.

En lugar de abordar el acertijo de los orígenes de la vida desde una perspectiva química, Ranjan lo miró desde una perspectiva planetaria, intentando identificar las condiciones reales que podrían haber existido en la Tierra primitiva, alrededor de la época en que aparecieron los primeros organismos.

“El campo de los orígenes de la vida ha sido tradicionalmente dirigido por químicos, que intentan descubrir las vías químicas y ver cómo la naturaleza podría haber operado para darnos los orígenes de la vida”, dice Ranjan. “Hacen un gran trabajo con eso. Lo que no hacen con tanto detalle es que no preguntan cómo eran las condiciones en la Tierra primitiva antes de la vida. ¿Podrían haber ocurrido realmente los escenarios que invocan? No saben tanto cuál era el escenario “.

Poniendo los ingredientes de por vida

En agosto de 2016, Ranjan dio una charla en la Universidad de Cambridge sobre vulcanismo en Marte y los tipos de gases que habrían sido emitidos por tales erupciones en la atmósfera sin oxígeno del planeta rojo. Los químicos presentes en la charla se dieron cuenta de que las mismas condiciones generales habrían ocurrido en la Tierra antes del comienzo de la vida.

“Sacaron de esa [charla] que, en la Tierra primitiva, no hay mucho oxígeno, pero sí hay dióxido de azufre del vulcanismo”, recuerda Ranjan. “Como consecuencia, debería tener sulfitos. Y dijeron: ‘¿Puede decirnos cuánto de esta molécula habría habido?’ Y eso es lo que nos propusimos limitar “.

Para hacerlo, comenzó con un modelo de vulcanismo desarrollado previamente por Sara Seager, profesora de Ciencias Planetarias de la Clase de 1941 del MIT, y su ex estudiante de posgrado Renyu Hu.

“Hicieron un estudio en el que preguntaron: ‘Supongamos que tomas la Tierra y simplemente aumentas la cantidad de vulcanismo en ella. ¿Qué concentraciones de gases obtienes en la atmósfera? ‘”, Dice Ranjan.

Consultó el registro geológico para determinar la cantidad de vulcanismo que probablemente tuvo lugar hace unos 3.900 millones de años, alrededor de la época en que se cree que aparecieron las primeras formas de vida, luego buscó los tipos y concentraciones de gases que tendría esta cantidad de vulcanismo. producido de acuerdo con los cálculos de Seager y Hu.

A continuación, escribió un modelo de geoquímica acuosa simple para calcular la cantidad de estos gases que se habrían disuelto en lagos y embalses poco profundos, entornos que habrían sido más propicios para concentrar reacciones de formación de vida, frente a vastos océanos, donde las moléculas podrían disiparse fácilmente.

Curiosamente, consultó la literatura sobre un tema bastante inesperado mientras realizaba estos cálculos: la vinificación, una ciencia que implica, en parte, disolver dióxido de azufre en agua para producir sulfitos y bisulfitos en condiciones sin oxígeno similares a las de la Tierra primitiva.

“Cuando estábamos trabajando en este documento, muchas de las constantes y datos que extrajimos eran de las revistas de química del vino, porque es donde tenemos ambientes anóxicos aquí en la Tierra moderna”, dice Ranjan. “Así que tomamos aspectos de la química del vino y preguntamos: ‘Supongamos que tenemos x cantidad de dióxido de azufre. ¿Cuánto de eso se disuelve en agua y luego en qué se convierte? ‘”

Charla comunitaria

En última instancia, descubrió que, si bien las erupciones volcánicas habrían arrojado grandes cantidades de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno a la atmósfera, fue el primero el que se disolvió más fácilmente en aguas poco profundas, produciendo grandes concentraciones de aniones sulfídicos, en forma de sulfitos y bisulfitos.

“Durante las grandes erupciones volcánicas, es posible que haya tenido niveles milimolares de estos compuestos, que se trata de concentraciones a nivel de laboratorio de estas moléculas, en los lagos”, dice Ranjan. “Esa es una cantidad titánica”.

Los nuevos resultados apuntan a los sulfitos y bisulfitos como una nueva clase de moléculas, las que en realidad estaban disponibles en la Tierra primitiva, que los químicos ahora pueden probar en el laboratorio para ver si pueden sintetizar a partir de estas moléculas los precursores de la vida.

Los primeros experimentos dirigidos por los colegas de Ranjan sugieren que los sulfitos y bisulfitos pueden haber fomentado la formación de biomoléculas. El equipo llevó a cabo reacciones químicas para sintetizar ribonucleótidos con sulfitos y bisulfitos, en lugar de con hidrosulfuro, y descubrió que los primeros podían producir ribonucleótidos y moléculas relacionadas 10 veces más rápido que los segundos y con mayores rendimientos. Se necesita más trabajo para confirmar si los aniones sulfídicos fueron de hecho los primeros ingredientes en la elaboración de las primeras formas de vida, pero ahora hay pocas dudas de que estas moléculas fueron parte del medio prebiótico.

Por ahora, Ranjan dice que los resultados abren nuevas oportunidades de colaboración.

“Esto demuestra la necesidad de que las personas de la comunidad científica planetaria y de los orígenes de la vida se comuniquen entre sí”, dice Ranjan. “Es un ejemplo de cómo la polinización cruzada entre disciplinas realmente puede generar conocimientos simples pero sólidos e importantes”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por la Fundación Simons, a través de la Colaboración Simons sobre el origen de la vida.

Publicación: Ranjan Sukrit, et al., “Concentraciones de aniones sulfídicos en la Tierra primitiva para la química superficial de los orígenes de la vida”, Astrobiología, 2018; doi: /10.1089/ast.2017.1770

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