El Origen de la Vida – ¿Cuándo y dónde empezó?

PAUL DAVIES

 

Durante décadas la mayoría de los científicos asumieron que la vida había surgido hace miles de millones de años en una «sopa primordial» en algún lugar en la superficie de la Tierra. Hay cada vez más evidencia, sin embargo, para indicar que la vida pudo haber comenzado bajo la superficie, tal vez cerca de una apertura volcánica de aireación en el océano o incluso dentro de la corteza caliente misma. Porque hay indicios de que la historia de vida en la Tierra se extiende hasta la fase de los bombardeos masivos cósmicos, puede ser que la vida haya empezado en Marte y más tarde vino aquí, tal vez dentro de las rocas eyectadas desde el Planeta Rojo por grandes impactos. El tráfico de las rocas intactas entre Marte y la Tierra es ahora un hecho establecido, y los experimentos confirman que los microbios podrían haber sobrevivido los rigores del viaje a través del espacio, protegidos dentro de dicho material.

Introducción

Un acontecimiento fundamental en la historia de la ciencia se llevó a cabo en 1859 con la publicación del trabajo seminal de Charles Darwin El origen de las especies. Darwin explicó cómo la riqueza, la complejidad y la diversidad de la vida en la Tierra se habían emergido a lo largo miles de millones de años, a partir de un antepasado común más simple, a través de mecanismos de variación y selección natural. Sin embargo, Darwin deliberadamente dejó al margen cualquier explicación de cómo la vida había comenzado en primer lugar. Hay que decir que, 140 años después, el problema del origen de la vida sigue siendo un misterio profundo y tentador. La medula del enigma es cómo los productos químicos no vivientes pueden transformarse en un ser vivo. Incluso la bacteria más simple es tan inmensamente compleja que nos cuesta imaginar que haya saltado a la existencia únicamente como resultado de la baraja al azar de las moléculas. Sin embargo, claramente debe existir una secuencia de procesos físicos que conduce los productos químicos simples a la vida compleja, el reto es descubrir el camino y establecer si es único.

El problema del origen de la vida – o biogénesis – tiene profundas ramificaciones para la ciencia y la filosofía. Muchas cosas dependen en gran medida de la respuesta. Si la vida surgió sólo como una suerte química de una improbabilidad estupenda, entonces vamos a estar solos en el universo observable, y todo el tema de la astrobiología es despojado de su motivación central. Por otra parte, si la vida emerge más o menos automáticamente siempre que haya condiciones similares a la Tierra, entonces el universo puede estar lleno de organismos vivos. Un universo con leyes favorables para la vida, en que la vida y quizá la conciencia son los esperados productos fundamentales de los procesos naturales, es sin duda, más agradable para la contemplación que uno en lo cual la vida en La Tierra no es más que un capricho accidental de sustancias químicas en un vasto universo de esterilidad generalizada. En pocas palabras, la búsqueda del origen de la vida es una búsqueda de nosotros mismos – ¿Que somos? y ¿Cuál es nuestro lugar en el gran esquema cósmico de las cosas?

Es conveniente dividir el problema de la biogénesis en tres cuestiones relacionadas entre sí: ¿cuándo?, ¿dónde? y ¿cómo? Los paleobiólogos están a punto de determinar cuándo la vida se estableció en la Tierra. Las teorías de donde comenzó la vida recientemente han sufrido algunos cambios dramáticos. De hecho, no es en absoluto seguro que la vida comenzó en la Tierra; podría, por ejemplo, haber comenzado en Marte y venido a la Tierra después. La cuestión de cómo comenzó la vida sigue sin resolución definitiva, aunque no hay escasez de teorías y cualquier cantidad de datos experimentales.

En primer lugar, sin embargo, hay que establecer algo claro. ¿Cómo sabemos que la vida en La Tierra se deriva de un único evento originario? ¿Podría la extraordinaria variedad de organismos en nuestro planeta ser evidencia de múltiples episodios de biogénesis? Los biólogos han descubierto que toda la vida conocida en la Tierra es interrelacionada. Por ejemplo, los organismos comparten un esquema químico común, en la que la información genética se almacena en los ácidos nucleicos (ADN o ARN), las proteínas son utilizadas como enzimas y material estructural y se fabrican en pocas fábricas moleculares llamado ribosomas. Cabe destacar que toda la vida sobre la Tierra comparte un código genético común. Un gen típico (una secuencia específica de pares de bases de ADN) será un conjunto de instrucciones para la fabricación de una proteína, escrito en un alfabeto de cuatro letras. Por otra parte, las proteínas están hechas de componentes químicos llamados aminoácidos, de los cuales la vida terrestre utiliza veinte variedades diferentes.

El hecho de que toda la vida terrestre utiliza el mismo esquema químico y el mismo código genético (con algunas variaciones menores) sugiere fuertemente que todos los organismos conocidos han descendido de un antepasado común en el que estas características complejas ya estaban establecidas. La probabilidad de dos sistemas con una extraordinaria complejidad y especificidad hayan surgido independientemente a lo largo de caminos evolutivos paralelos parece infinitesimal. Me refiero a «todos los organismos conocidos». Aunque es poco probable, no es inconcebible que un día vayamos a descubrir vida en un lugar oscuro de la Tierra que usa un código diferente o incluso un régimen químico completamente diferente.

Es importante darse cuenta que el último ancestro común de la vida en la Tierra no es necesariamente el mismo que la primera cosa viva. Para entender esto, es útil usar  la metáfora de Darwin del “árbol de la vida”, en la que, desde un simple «tronco» nuevas especies han surgido por la ramificación a través del tiempo. La vida actual está representada por las ramitas en la parte superior del árbol. Considerando dos organismos existentes hoy, su último antepasado común se encuentra en el punto donde las ramas se unen. Tomando en cuenta toda la vida en la Tierra hoy en día, podemos imaginar  el camino por las ramas de árbol  hasta encontrar el punto en común – el organismo ancestral universal. Usando la analogía del árbol hasta el extremo, podemos identificar el origen de la vida con el tronco o la raíz de la cual todas las ramas posteriores surgieron. Literalmente implica que toda la vida habría descendido de un solo “Adán microbiano”. Sin embargo, esta interpretación es demasiado simplista. Los microbiólogos saben que los genes pueden ser transferidos lateralmente entre los organismos, y esto puede distorsionar la asociación única de especies. En el antiguo y primitivo reino microbiano, de la que se sabe casi nada, la compartimentación ordenada en diferentes especies competidoras puede haber sido roto. Lo único que podemos  decir con confianza es que toda la vida en la Tierra ha descendido de una comunidad de organismos genéticamente promiscuos microbios, relacionados estrechamente entre sí.

¿Cuándo se inició la vida en la Tierra?

Al trazar el registro fósil, los geólogos pueden establecer un límite inferior a la existencia de la vida terrestre. Los fósiles más antiguos identificados de forma inequívoca se encuentran en Australia, y datan de alrededor de hace 3,5 mil millones de años. Estos eran organismos unicelulares, semejantes al cianobacteria moderna, un microbio fotosintético. Porque la fotosíntesis es un proceso complejo que debe haber necesitado suficiente tiempo para evolucionar, es probable que la vida empezó bastante tiempo antes. Desafortunadamente muchas materiales geológicas más antiguas son difíciles de encontrar. En Groenlandia las rocas sedimentarias con una edad mínima de 3,85 mil millones años contienen algo de carbono indicativo de la actividad biológica antigua. Si esta interpretación es correcta, ubica la extensión de la vida terrestre a algo cercano a 4 mil millones de años.

Esta fecha temprana para la vida en la Tierra se ha convertido en un problema para los astrobiólogos. El sistema solar se formó hace 4,5 mil millones de años desde una nube de gas y polvo. Durante 700 millones de años el planeta fue golpeado por escombros primordiales. El registro de este intenso bombardeo temprano es visible en la formación de cráteres lunares. Porque la Tierra es más grande que la luna, hubiera sufrido muchos choques más grandes, pero la combinación de la actividad tectónica y la erosión ha borrado casi toda la evidencia de los cráteres, menos los relativamente recientes. Aún así, ahora se reconoce que el bombardeo de la Tierra por asteroides y cometas ha continuado durante la historia geológica y ha jugado un papel importante en la conformación de la historia evolutiva (Por ejemplo, mediante la posible destrucción de los dinosaurios).

Tomando las estadísticas lunares como guía, se ha estimado que la Tierra habría sufrido decenas de impactos de cuerpos con diámetros de varios cientos de kilómetros o más, hasta hace 3,8 mil millones de años, cuando la ferocidad de los bombardeos comenzó a ceder. Un impacto de un diámetro de 500 kilómetros quitaría la mayor parte de la atmósfera y reemplazarlo con un manto de vapor de roca incandescente a una temperatura de 3000ºC. Rodeando el planeta, este horno mundial herviría los océanos, creando una gruesa capa de vapor supercaliente que duraría meses. Las condiciones hostiles se mantendrán durante unos diez mil años. La superficie expuesta de la Tierra sería completamente esterilizada.

Si los resultados de Groenlandia son correctos, la vida en la Tierra se extiende atrás a través del período del bombardeo intenso, lo que plantea la difícil cuestión de cómo un organismo vivo podría haber sobrevivido la catástrofe global de los impactos más grandes. Uno respuesta posible es que había refugios en que la vida estaba protegida de los peores efectos. Esto nos lleva naturalmente a la cuestión de dónde comenzó la vida.

¿Dónde comienza la vida?

En primer lugar hay que distinguir la ubicación de las primeras colonias microbianas establecidas en la Tierra del lugar de origen de la vida. Permítanme suponer por el momento que la vida comenzó en algún lugar de la Tierra. Aunque Darwin era tímido sobre el origen de la vida, especuló en una carta famosa a un amigo acerca de una «pequeña charca tibia» en la que todo tipo de sustancias químicas podrían acumularse con el tiempo. Entonces, impulsado por la energía de la luz solar, las moléculas más complejas podrían surgir hasta crear una forma de vida primitiva accidental. Esta sugerencia casual después formó la base del modelo llamado «la sopa primordial».

Dado el caos causado por el bombardeo cósmico, un pequeño estanque caliente ahora parece un lugar frágil para los delicados y complejos procesos del establecimiento de la vida. En los últimos años se ha propuesta lugares alternativas. La alternativa que parece  más plausible y más coherente con la historia tan violenta de la joven Tierra es el subsuelo profundo.

En 1977, el buque sumergible Alvin descubrió la existencia de ecosistemas complejos a kilómetros de profundidad en el suelo del océano Pacífico, agrupadas alrededor de las aperturas volcánicas. Algunas aperturas se denominan “fumadores negros” a causa de los líquidos súper calentadas que arrojan desde el fondo marino y que forman chimeneas altas y ennegrecidas. La temperatura del líquido que emerge puede ser tan alta como 350ºC, pero no se hierve a causa de la enorme presión en esa profundidad. En clústeres alrededor de los respiraderos viven cangrejos y gusanos tubulares gigantes que han invadido estos nichos desde arriba y se han adaptado a las duras condiciones.

Debido a que es oscura a esas profundidades, la fotosíntesis es imposible, y se plantea la cuestión de la fuente de energía que sostiene a los ecosistemas. Los productores primarios resultan ser los microbios que habitan en las regiones más cercanos a las aperturas de ventilación. Pertenecen a la clase de organismos conocidos como quimiotrofos, utilizan energía térmica y química en lugar de la luz del sol. Algunos quimiotrofos son capaces de convertir minerales y gases directamente en biomasa. Fue una sorpresa descubrir que los más fuertes de estos microbios prosperan en temperaturas superiores a 100ºC. El nombre “hyperthermophile” se da a estos microbios amantes del calor extremo. Antes del descubrimiento de los “fumadores negros”, la temperatura más alta conocida era para las bacterias que habitan en la superficie de las aguas termales, como los del Parque Nacional Yellowstone, por lo general a temperaturas en el rango de 80-90º C. Estos fueron clasificados como «termófilos.» El hecho de que la vida puede soportar temperaturas superiores a la punta de ebullición del agua es notable. De hecho, no sólo sobreviven muchas hipertermófilos en condiciones tan tórridas – en realidad son necesarias para su metabolización normal.

Resultó que los fumadores negros eran sólo la punta de un gran iceberg. El Programa de Perforación Océanico ha extraído núcleos rocosos durante años del fondo del mar en profundidades de un kilómetro. Estas muestras de rocas también comprueben la presencia de microbios en una abundancia prolífica en el límite de profundidad de los núcleos. Debido a que la temperatura se aumenta con la profundidad, los organismos que habitan en la zona profunda del subsuelo oceánico son termófilos o hipertermófilos. Ningún  límite claro a la zona habitable se ha discernido, pero presumiblemente el efecto combinado del aumento de las temperaturas y la disminución de los tamaños de los poros en la roca impedirían incluso las pequeñas microorganismos hyperthermophilos por debajo de una profundidad de unos 5 km.

La abundancia de vida bajo la superficie del subsuelo marino se corresponde con descubrimientos similares en la Tierra. En la década de los 80, Gold ha obtenido evidencia de organismos vivos a profundidades de varios kilómetros en un proyecto de perforación de pozos de petróleo a través de granito sólido en Suecia. Este trabajo resultó en un artículo muy famoso titulado «La Biosfera Profunda y Caliente». La existencia de vida muy por debajo de la superficie de la Tierra sugiere la hipótesis de que la vida comenzó en un ambiente del subsuelo profundo, donde había una cierta protección del intenso bombardeo. Los organismos que habitan a más de un kilómetro en la corteza han escapado de los pulsos de calor del vapor rocoso atmosférico en el período de 4 – 3,8 mil millones de años atrás. Los microbios fósiles de los fumadores negros de hace 3,26 mil millones años se han sido descubiertos pero la evidencia directa de hipertermófilos en épocas anteriores aún no se puede defender. Hay sin embargo, algunas pruebas indirectas convincentes en la forma de la secuencia genética.

Las técnicas desarrolladas por Norman Pace y sus compañeros de trabajo nos permiten determinar las secuencias de ARNr (ARN ribosomal) a partir de muestras de campo de los organismos. En consecuencia, ha sido posible ubicar los hipertermófilos y termófilos en el árbol de la vida. La primera característica más destacada es que la vida se divide en tres reinos principales. El llamado Eucarya se compone de todos los organismos multicelulares (incluidos los humanos) y los organismos complejos unicelulares con núcleo, como la ameba. El segundo reino incorpora las bacterias. La sorpresa es el tercer reino, Archaea, compuesto por los microbios sin núcleo que superficialmente se parecen a las bacterias, pero genéticamente son tan diferentes de ellos como son de nosotros. Aún no está claro cuál de estos reinos fue ramificado primero y exactamente cuando las ramificaciones se produjeron, pero es tentador suponer que las arqueas vinieron primero, y luego se diversificó en bacterias seguido por Eucarya.

Más importante aquí son las líneas gruesas del diagrama. Estas representan los hipertermófilos. Es evidente que dominan todas las ramas más bajas y más profundas del árbol de la vida. La mayoría de ellos son arqueas. Eso significa que los hipertermófilos en algún sentido son los organismos más antiguos de los organismos en la Tierra hoy, después de haber evolucionado durante los últimos 3,5 mil millones de años. Podríamos pensar en ellos como fósiles vivientes. Si esta interpretación es correcta, implica que los primeros organismos en la Tierra probablemente han sido hipertermófilos, probablemente viviendo en lo profundo de la corteza caliente, o agrupados en torno a “fumadores negros” en la profundidad de los océanos antiguos. Esta evidencia apoya por tanto la hipótesis de que la vida primitiva existía en la zona profunda, segura y caliente debajo de la superficie y subió sólo cuando el bombardeo cósmico había disminuido.

Tampoco es inconcebible que los descendientes de una génesis anterior a la nuestra pudieran haber sobrevivido a grandes profundidades, aún desconocidas, o incluso pueden existir bajo nuestras narices sin ser reconocidos. Curiosamente, hay declaraciones que entidades ultra-pequeñas, designadas “nannobacterias” o “nanobios” podrían representar una forma de vida terrestre exótica. Estos son los objetos encontrados en las rocas y en la sangre humana incluso, con un tamaño de aproximadamente 100 nm, aproximadamente una décima parte del de las bacterias más pequeñas conocidas. (Esto es comparable con las características pequeñas en el meteorito marciano ALH 84001 que son microbios fosilizados según afirman algunos científicos de la NASA) Estas afirmaciones siguen siendo muy controvertidas, en parte porque los objetos parecen ser demasiados pequeños para contener la mínima maquinaria bioquímica para funcionar como células vivas autónomas.

Los grandes impactos que pusieron en peligro la vida misma a principios también forzaron copiosas cantidades de material al espacio. Gran parte del material expulsado, en forma de restos rocosos, habría subido a su órbita alrededor del sol. Algunas de las rocas han regresado a la Tierra con el tiempo, a veces después de una estancia de millones de años en el espacio. Es posible que los microbios terrestres que habitan en las rocas eyectadas sobrevivieran en el espacio y fueron devueltos a la Tierra en una fecha posterior, cuando las condiciones eran más favorables. Así el espacio ultraterrestre como el subsuelo ofrecen otro posible refugio del bombardeo temprano.

A primera vista, parece poco probable que la vida podría haber sobrevivido siendo propulsado fuera de la superficie de un planeta y luego expuesta a las condiciones del espacio, pero investigaciones recientes han demostrado que los riesgos no son en realidad tantos. La física de la eyección por el impacto ha sido estudiada por Melosh. En la periferia, el cráter es formado por la excavación de material ligeramente impactada y los microbios presentes en la roca no se mataran de forma automática por el calentamiento de choque. Por supuesto, el impulso es todavía enorme, pero los experimentos con centrífugas y bombas han demostrado que los microbios terrestres pueden fácilmente soportar las aceleraciones de una roca en órbita. Por otra parte, el análisis del meteorito marciano ALH84001 muestra no fue calentada a temperaturas letales cuando fue desplazada de Marte.

Una vez en el espacio un microbio enfrenta peligros de la radiación ultravioleta solar, las erupciones solares y los rayos cósmicos. El vacío y el frío del espacio exterior no presentan un problema; de hecho, secando las bacterias con el frío es una excelente forma de conservarlas. El peor peligro es la radiación ultravioleta, pero esto es fácilmente controlado por una fina capa de material. Escondidos dentro de una roca de unos metros de diámetro, los microbios estarían a salvo de los rayos ultravioletas y la mayoría de la radiación cósmica de fondo. Se ha afirmado recientemente que las bacterias se han mantenido viables al haber sido sepultado en cristales de sal durante 250 millones de años.

Si los microbios con seguridad pueden montarse dentro de las rocas eyectadas desde la Tierra, parece inevitable que parte de este material fecunda hubiera llegado a Marte con un cargamento de microbios terrestres viables. Dado que la duración del viaje a Marte en una órbita favorable podrían ser sólo unos meses o años, los microbios tienen claramente la capacidad de supervivencia para hacer el viaje. Recientes estudios de Marte han mostrado que era cálido y húmedo, y no tan diferencia de la Tierra, hace unos 3,5 mil millones años. Marte tiene agua en abundancia y también muchos grandes volcanes, abriendo la perspectiva de sistemas hidrotermales similares a los “fumadores negros”. Si microbios de un establecimiento bajo la superficie caliente de la Tierra fueron expulsados por un impacto y alcanzaron Marte, y luego cayeron en el océano cerca de una chimenea volcánica, las condiciones hubieran sido parecidas a casa.

Porque el bombardeo fue tan intenso en esta época temprana, habría habido un tráfico prolífico de material terrestre a Marte, una fracción de ella cargada de microorganismos viables, los organismos. Mileikowsky ha estimado que al menos 10⁸ rocas terrestres de un diámetro de un metro o más que habían evitado el calentamiento de > 100º C llegaron a Marte a principios de la fase de fuerte bombardeo. Parte de este material se ha quemado al entrar en la atmósfera de Marte, pero una porción significativa habría llegado a la superficie ilesa. Durante cientos de millones de años parece muy probable que transferencias viables  de organismos se llevaron a cabo de los ecosistemas en la Tierra a otros similares en Marte. Debemos concluir de que Marte y la Tierra no son biológicamente aisladas, y que la contaminación de los dos planetas se ha producido a lo largo de la historia.

¿La vida proviene de Marte?

Si rocas de la Tierra pueden transmitir microbios terrestres a Marte, ¿lo contrario también puede suceder? ¿Podrían organismos marcianos venir a la Tierra dentro de rocas marcianas eyectadas por impactos? En este momento hay 15 meteoritos en la Tierra positivamente identificados como de origen marciano. Uno de estos, ALH 84001, que se encontró en la Antártida en 1984, fue objeto de controversia cuando los científicos de la NASA afirmaron haber identificado microorganismos fosilizados en su interior. Los trabajos posteriores se arrojan serias dudas sobre esta afirmación. Sin embargo, el episodio sirvió para centrar la atención en la posibilidad de que la evidencia de vida en Marte, y tal vez incluso microbios marcianos viables, podrían venir aquí dentro de las rocas eyectadas desde Marte por los grandes impactos.

Es más probable que las rocas de Marte hayan venido a la Tierra que la inversa porque la gravedad más débil en la superficie de Marte hace más fácil su escape. Mileikowsky estima que 10¹² toneladas de material marciano capaz de transportar microorganismos viables han llegado a la Tierra en los últimos 4 millones de años. Por tanto, parece probable que si alguna vez hubiera vida en Marte en forma de microbios subsuperficiales vivienda dentro de rocas porosas, como es el caso de la Tierra, entonces se hayan transmitido a la Tierra dentro de eyecciones marcianas. Así que si los microorganismos de Marte se parecen a los microbios terrestres, hay una buena probabilidad de que algunos han llegado a La Tierra aún con vida.

La posibilidad existe entonces que la vida pudo haber comenzado en Marte y venido a la Tierra después. Marte era un planeta más favorable para la vida en la fase temprana del sistema solar. Siendo más pequeño que la Tierra, se enfrió más rápido, y tenía condiciones más favorables para la vida antes que la Tierra. La Tierra se convirtió en un lugar seguro para la vida sólo cuando la corteza profunda se enfrió por debajo de unos 120ºC, lo que permitió a los hipertermófilos establecer su residencia debajo de la superficie para escapar del calor esterilizante de los grandes impactos. En la Tierra, estas condiciones fueron producidos hace 4 mil millones de años, mientras que Marte pudo haber llegado a esa fase hace 4.3 mil millones de años.

Otro factor que favorece a Marte como un lugar habitable para la vida temprana es el menor grado de violencia de impactos que ha sufrido. En particular, Marte escapó el enorme impacto que creó la Luna hace alrededor de 4,5 mil millones de años. Al ser un blanco más pequeño ha tenido en menos golpes. Además, como ha señalado Sleep y otros, Marte carece de un océano global, a diferencia de la Tierra, por lo que el escenario de un vapor esterilizante era menos probable. Por último, debido a la gravedad inferior en la superficie de Marte, la eyección a la órbita solar es menos violenta, que implica que es más fácil para los microbios escapar al espacio como un refugio y regresar al planeta después cuando las condiciones han mejorado.

¿Qué tan probable es entonces que todos somos descendientes de los marcianos? Parece seguro que la Tierra y Marte han sido capaces de una contaminación cruzada entre sí. ¿Podría todavía haber vida en Marte? Hoy en día la superficie del planeta es un desierto congelado, desecado, bañado por la radiación ultra-violeta, con una presión atmosférica muy baja y una capa de suelo muy oxidada. El agua líquida, aunque está claro que fluye en la superficie de vez en cuando, sólo se encuentra bajo tierra. Estos posiblemente puedan albergar microbios quimiotrofos como los que se ganan la vida en el interior de la corteza terrestre. Sin embargo, esta posibilidad sigue siendo improbable.

Si un día logramos obtener evidencia inequívoca para la vida pasada o presente en Marte – como de las rocas traídas por las próximas misiones – es probable que la vida marciana terminara siendo sólo una rama del mismo árbol de la vida como nosotros mismos, ya sea porque la vida empezó en Marte y vino a la Tierra, o viceversa. Será una lástima, porque no respondería a la pregunta clave de si la vida es simplemente una suerte química de casualidad que ha sucedido una vez, o un producto esperado y automática de las leyes físicas. Filosóficamente, el resultado final más emocionante de la astrobiología será el descubrimiento de un segundo génesis, es decir otra muestra de la vida, derivada de un origen independiente.

El transporte de microbios rocosa entre los planetas es importante para casi vecinos, pero ¿podría propagar la vida más lejos? Europa, una luna de Júpiter, podría tener un océano global de agua líquida atrapado debajo de una corteza de hielo. Aperturas volcánicas en el fondo del mar podrían crear condiciones del tipo del “fumador negro” y así proporcionar un hábitat para la vida. Quizá entonces Europa nos brinda la mayor chance de encontrar una segunda génesis dentro del sistema solar.