Nuevas posibilidades de vida en el fondo del océano

respiradero hidrotermal

Quizás valgan también para océanos de otros planetas

En el extraño y oscuro mundo del fondo del océano, fisuras submarinas, llamadas respiraderos hidrotermales, albergan complejas comunidades de vida. Estos respiraderos lanzan abrasadores fluidos al agua de mar extremadamente fría, creando las fuerzas químicas necesarias para que vivan los pequeños organismos que habitan este extremo ambiente.

En un estudio recientemente publicado, los biogeocientíficos Jeffrey Dick y Everett Shock han determinado que los entornos específicos del fondo marino hidrotermal proporcionan un hábitat único donde pueden prosperar ciertos organismos. Al hacerlo, han abierto nuevas posibilidades para la vida en la oscuridad en el fondo de los océanos de la Tierra, así como en todo el sistema solar.

En tierra, cuando los organismos obtienen energía de los alimentos que ingieren, lo hacen a través de un proceso llamado respiración celular, donde hay una ingesta de oxígeno y liberación de dióxido de carbono. Biológicamente hablando, las moléculas de nuestra comida son inestables en presencia de oxígeno, y es esa inestabilidad la que aprovechan nuestras células para crecer y reproducirse, un proceso llamado biosíntesis.

Pero para los organismos que viven en el lecho marino, las condiciones de vida son dramáticamente diferentes.

"En la tierra, en la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra, a mucha gente le resulta familiar que hacer las moléculas de la vida requiere energía", dijo el coautor Shock de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio y la Escuela de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona (ASU). "En asombroso contraste, alrededor de los respiraderos hidrotermales en el lecho marino, los fluidos calientes se mezclan con el agua de mar extremadamente fría para producir condiciones en las que las moléculas de la vida liberan energía".

En los ecosistemas microbianos de aguas profundas, los organismos prosperan cerca de los respiraderos donde el fluido hidrotermal se mezcla con el agua de mar ambiental. Investigaciones anteriores dirigidas por Shock encontraron que la biosíntesis de bloques de construcción celulares básicos, como aminoácidos y azúcares, es particularmente favorable en áreas donde los respiraderos están compuestos de roca ultramáfica (rocas ígneas y meta-ígneas con muy bajo contenido de sílice), porque estas rocas producen la mayor cantidad de hidrógeno.

Además de los componentes básicos como los aminoácidos y los azúcares, las células necesitan formar moléculas o polímeros más grandes, también conocidos como biomacromoléculas. Las proteínas son las más abundantes de estas moléculas en las células, y la reacción de polimerización (donde las moléculas pequeñas se combinan para producir una biomolécula más grande) requiere energía en casi todos los entornos imaginables.

"En otras palabras, donde hay vida, hay agua, pero es necesario expulsar el agua del sistema para que la polimerización sea favorable", dijo el autor principal Dick, quien era un becario postdoctoral en la ASU cuando comenzó esta investigación y que actualmente es investigador de geoquímica en la Escuela de Geociencias e Info-Física de la Universidad Central South en Changsha, China. "Entonces, hay dos flujos de energía opuestos: la liberación de energía por biosíntesis de bloques de construcción básicos y la energía requerida para la polimerización".

Lo que Dick y Shock querían saber es qué sucede cuando los sumas: ¿obtienes proteínas cuya síntesis general es realmente favorable en la zona de mezcla?

Abordaron este problema utilizando una combinación única de teoría y datos.

Desde el punto de vista teórico, utilizaron un modelo termodinámico para las proteínas, llamado "aditividad de grupo", que explica los aminoácidos específicos en las secuencias de proteínas, así como las energías de polimerización. Para los datos, utilizaron todas las secuencias de proteínas en un genoma completo de un organismo hidrotermal bien estudiado llamado Methanocaldococcus jannaschii.

Al ejecutar los cálculos, pudieron demostrar que la síntesis general de casi todas las proteínas en el genoma libera energía en la zona de mezcla de un respiradero alojado en rocas ultramáficas a la temperatura donde este organismo crece más rápido, alrededor de 185 grados Fahrenheit (85 grados Celsius). Por el contrario, en un sistema hidrotermal diferente que produce menos hidrógeno (un sistema alojado en basalto), no es favorable la síntesis de proteínas.

"Este hallazgo proporciona una nueva perspectiva no solo sobre la bioquímica sino también sobre la ecología porque sugiere que ciertos grupos de organismos son inherentemente más favorecidos en ambientes hidrotermales específicos", dijo Dick. "Los estudios de ecología microbiana han encontrado que los metanógenos, de los cuales Methanocaldococcus jannaschii es representativo, son más abundantes en los sistemas hidrotermales alojados en ultramáficas que en los sistemas alojados en basalto. La energía favorable de la síntesis de proteínas en los sistemas alojados en ultramáficas concuerda con esa distribución".

Para los próximos pasos, Dick y Shock están buscando formas de utilizar estos cálculos energéticos en el árbol de la vida, que esperan proporcionará un vínculo más firme entre la geoquímica y la evolución del genoma.

"A medida que exploramos, se nos recuerda una y otra vez que nunca debemos equiparar con la vida el lugar donde vivimos como lo habitable", dijo Shock.

Los resultados de la investigación se han publicado en el Journal of Geophysical Research: Biogeosciences: The Release of Energy During Protein Synthesis at Ultramafic‐Hosted Submarine Hydrothermal Ecosystems

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