Replican los bloques de construcción de la vida que se forman en los respiraderos de aguas profundas
Estructuras minerales en el fondo marino similares a chimeneas podrían haber ayudado a crear las moléculas de ARN que dieron origen a la vida en la Tierra y son prometedoras para la aparición de vida en planetas distantes.
Los científicos creen que la Tierra nació hace unos 4,54 mil millones de años. La vida en la Tierra puede ser casi tan vieja con recientes hallazgos que sugieren que la vida podría haber surgido sólo unos 440 millones de años después que se formó el planeta.
Sin embargo, sigue siendo un misterio cómo podría haber surgido la vida primero. Los principales componentes de la vida actual son el ADN, que puede almacenar los datos genéticos y las proteínas, que incluyen enzimas que pueden dirigir las reacciones químicas. Sin embargo, el ADN requiere proteínas con el fin de formarse y las proteínas necesitan ADN para formarse, planteando la cuestión del huevo y gallina en la forma en que proteínas y ADN podrían haberse formado uno sin el otro.
Para resolver este dilema, los científicos han sugerido que la vida pudo en principio haber dependido principalmente de compuestos conocidos como ARN. Estas moléculas pueden almacenar datos genéticos como el ADN, servir como enzimas, como proteínas, y ayudar a crear tanto el ADN como las proteínas. El ADN y las proteínas sustituyeron más tarde este "mundo ARN" porque son más eficientes en sus respectivas funciones, a pesar de que el ARN todavía existe y tiene un papel vital en la biología.
Sin embargo, aún no está claro cómo el ARN podría haber surgido a partir de precursores más simples en la sopa primordial que existía en la Tierra antes de que se originase la vida. Al igual que el ADN, el ARN es complejo y está hecho de cadenas de moléculas más pequeñas en forma de hélice conocidas como nucleótidos.
Una manera en que podría haberse formado primero el ARN es con la ayuda de minerales, tales como hidruros de metal. Estos minerales pueden servir como catalizadores, ayudando a crear pequeños compuestos orgánicos a partir de bloques de construcción inorgánicos. Dichos minerales se encuentran en las fuentes hidrotermales alcalinas del fondo marino.
Las fuentes hidrotermales alcalinas son también el hogar de grandes estructuras similares a chimeneas ricas en hierro y azufre. Estudios previos han sugerido que las contrapartes de estas chimeneas antiguas podrían haber aislado y concentrado moléculas orgánicas juntas, estimulando el origen de la vida en la Tierra.
Para ver qué tan bien estas chimeneas sustentan la formación de cadenas de ARN, los investigadores sintetizaron en frascos de vidrio chimeneas con soluciones inyectadas lentamente que contenían hierro, azufre y silicio. En función de las concentraciones de los diferentes productos químicos utilizados para cultivar estas estructuras, las chimeneas eran o montículos con centros huecos individuales o, más a menudo, torres y jardines "químicos" con múltiples tubos huecos.
"Ser capaces de llevar a cabo los experimentos en las estructuras de chimeneas se parecía a algo que se podría encontrarse en las regiones más oscuras de la Tierra Media de Tolkien, y dio a estos estudios un contexto geológico que despertó nuestra imaginación", dijo la coautora del estudio Linda McGown, químico analítico y astrobióloga en el Rensselaer Polytechnic Institute de Troy, Nueva York
Las chimeneas se cultivaron en líquidos y gases que se asemejan a los océanos y a la atmósfera de la Tierra primitiva. Los líquidos fueron acidos enriquecidos con hierro, mientras que los gases eran ricos en nitrógeno y no tenían oxígeno. Entonces, los científicos asomaban jeringas por las chimeneas para inyectar soluciones alcalinas que contenían una variedad de sustancias químicas en los océanos modelo. Esta antiguo fluido simulado que fue inyectado se filtraba en los mares primordiales.
A veces, los investigadores añadieron a sus frascos de vidrio arcilla montmorillonita. Las arcillas se producen por la interacción entre el agua y la roca, y probablemente han sido comunes en la Tierra temprana, dijo McGown.
El tipo de nucleótidos que componen el ARN se conocen como ribonucleótidos, ya que están hechos con el azúcar ribosa. Los científicos descubrieron que ribonuclotides no modificados podrían formar cadenas de dos nucleótidos. Además, ribonucleótidos "activados" con un compuesto conocido como imidazol - una molécula creada durante las reacciones químicas que sintetizan los nucleótidos - podrían formar cadenas de ARN o polímeros de hasta cuatro ribonucleótidos largos.
"Con el fin de observar una significativa polimerización de ARN en la escala de tiempo de los experimentos de laboratorio, generalmente es necesario activar los nucleótidos", dijo McGown. "El imidazol se utiliza comúnmente para la activación de nucleótidos en estos tipos de experimentos".
Los científicos descubrieron que no sólo era importante la composición química de las chimeneas cuando se trataba de la formación de ARN, sino que la estructura física de las chimeneas también fue clave. Cuando los investigadores mezclaron las soluciones de hierro, azufre y silicio en sus océanos simulados, en lugar de inyectarlas lentamente en el agua de mar para formar chimeneas, la mezcla resultante no podía desencadenar la formación de ARN.
"Las chimeneas, y no sólo sus componentes, son responsables de la polimerización", dijo McGown.
Estos experimentos demuestran por primera vez que los ARN se pueden formar en las chimeneas hidrotermales alcalinas, aunque en las sintéticas.
"Nuestro objetivo desde el principio de nuestra investigación de polimerización del ARN ha sido colocar los experimentos de polimerización de ARN en la mayor medida posible en el contexto de los ambientes terrestres primarios más probables", dijo McGown. "La mayoría de investigaciones de polimerización de ARN anteriores se ha centrado en los entornos de la superficie, y la exploración de las fuentes hidrotermales del océano profundo podría producir nuevas e interesantes posibilidades para el surgimiento de un mundo de ARN".
Una de las preocupaciones acerca de estos resultados es que los experimentos se realizaron a temperatura ambiente. Las fuentes hidrotermales son mucho más calientes, y dichas temperaturas podrían destruir el ARN.
"Tenga en cuenta, sin embargo, que las fuentes hidrotermales son sistemas dinámicos con gradientes de condiciones físicas, incluyendo la temperatura y la química", dijo McGown.
En principio, las secciones más frías de las chimeneas hidrotermales podrían haber alimentado ARN y sus moléculas precursoras, dijo.
En el futuro, McGown y sus colegas van a realizar experimentos de investigación para saber qué variables podrían tener efectos, tales como la presión, la temperatura y la mineralogía, en la formación de moléculas de ARN, centrándose principalmente en las condiciones que imitan los entornos del océano profundo en una Tierra primitiva y aquellos que también pueden haber existió en Marte y en otros lugares, dijo McGown.
Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 22 de julio la revista Astrobiología: RNA Oligomerization in Laboratory Analogues of Alkaline Hydrothermal Vent Systems
