Astrobiología: La Ciencia que Explora la Vida en el Universo

La astrobiología es la ciencia que estudia la vida en el universo. Surgió a partir de la siguiente pregunta: ¿La vida es una rareza o es un imperativo cósmico? No tenemos respuesta. Lo que sabemos es que todos los organismos conocidos provienen de un único antepasado. Las habilidades que tenía que tener este ancestro eran cuatro: metabolismo, reproducción, adaptación y aislamiento.

¿Qué es la Vida?

Se define como un nivel de complejidad de la materia que le confiere tres funciones básicas: nutrición, relación y reproducción.

El Big Bang y la Formación de los Elementos

En el Big Bang se generó el espacio-tiempo, las cuatro fuerzas fundamentales y la materia primigenia (partículas elementales). A partir de los quarks se formaron las partículas subatómicas, que se fueron agrupando formando núcleos atómicos. Estos núcleos atraparon electrones y así se formaron los primeros átomos. En ese momento, empieza a dominar la materia sobre la radiación, hecho crucial para la vida en el universo. Al surgir la materia, surge la gravedad; por lo tanto, la gravedad dirige la evolución del universo. A partir de la materia se fueron formando galaxias, estrellas, planetas y nebulosas. Las estrellas son especialmente importantes porque, en su interior, cuando mueren, se crea una supernova, que es una fábrica de todos los elementos químicos del sistema solar que conocemos. Nuestro planeta se formó a partir de elementos químicos que dejó una estrella tras su explosión. Esa materia se organizó en una nebulosa y, posteriormente, se consolidó mediante la teoría planetesimal. Este planeta estaba muy caliente y empezaron a actuar los procesos químicos, también llamados evolución química. Los elementos químicos empezaron a juntarse con otros, formando compuestos químicos, unos más estables que otros. Solo sobrevivieron aquellos que eran más estables y compatibles con el entorno; los demás desaparecieron.

Evolución Molecular y Aparición de la Vida

La evolución molecular y la aparición de la vida comenzaron con la evolución molecular, predominando la fuerza electromagnética. Entre 4560 y 3500 millones de años atrás, aparecieron moléculas que manejaban información y combinaban esa propiedad con la catálisis. La información está en el interior de la molécula, y la catálisis consiste en dirigir reacciones químicas, como por ejemplo, la de fabricarse a sí misma. Así aparecieron los sistemas ADN, ARN y proteínas. Posteriormente, se formaron lípidos que formarían membranas. Estas membranas empezaron a envolver estas moléculas que almacenan información y realizan catálisis, y se formaron las primeras células. Estas primeras células eran procariotas, que pronto se diversificaron en dos grupos: arqueas y bacterias.

Las Cuatro Habilidades del Ancestro Común

Las habilidades que tenía que tener el ancestro común eran cuatro:

• Metabolismo: Consiste en obtener energía del entorno y transformarla para uso propio. Las bacterias no tienen metabolismo.
• Reproducción: Es la capacidad de producir copias de sí mismo exactas, aunque pueden haber errores.
• Adaptación: Es la supervivencia ante las características y modificaciones del entorno. No me especializo mucho y me adapto al medio o entorno; eso supone evolución biológica.
• Aislamiento: Es la separación entre el medio interno y el externo. Esto ayuda a distinguir lo que es propio de lo que no lo es.

LUCA (Last Universal Common Ancestor) fue el último antepasado común universal. El origen de LUCA se atribuye a grupos de arqueobacterias.

¿Dónde y Cómo Aparece la Vida?

La vida en nuestro planeta está basada en dos elementos: el carbono y el agua. Aunque en nuestro planeta abunda más el silicio, el carbono permite una gran variedad de moléculas y polímeros, es decir, la unión del mismo elemento, y es capaz de formar cadenas de carbono. El carbono forma enlaces con el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, y permite una diversidad molecular muy grande, formando polímeros. Las cadenas de carbono son muy estables y la mayoría son solubles. El silicio también forma polímeros, pero su problema es que son insolubles, por tanto, son poco reactivos y demasiado estables.

La vida no se entiende sin agua y sin carbono. La clave del agua es su estructura, y el oxígeno es muy electronegativo. El agua es muy importante porque es un disolvente universal. Es la molécula capaz de reaccionar con otra molécula que tenga carácter dipolar, y esto se produce gracias al ángulo y a que tiene mayor densidad en estado líquido que en sólido. Esto es importante para los seres vivos porque, si el hielo se hundiera, se congelaría el océano y no podría haber vida en los polos.

De Materia Inorgánica a Orgánica: La Teoría de la Biogénesis

El paso de materia inorgánica a orgánica se explica gracias a la teoría de la biogénesis, propuesta por Oparin y demostrada por Miller y Urey con un experimento. Los problemas del experimento residían en que la supuesta atmósfera primitiva de Miller tenía un carácter reductor, es decir, cediendo electrones o aceptando protones. La atmósfera no era reductora, ya que debía tener principalmente CO2, H2O y N2, y no H2O, NH3 y CH4. Al pasar de lo que dijo Miller a CO2, H2 y N2, hay que juntarlo con otros componentes, y se fue oxidando, por lo que no pudo haber un carácter reductor, formándose CO2, H2O y N2. La teoría de Oparin supone que la vida se originó en el agua hace 3500 millones de años, lo que coincidió con un intenso bombardeo meteorítico, por lo que las condiciones de la superficie no eran idóneas para la aparición de la vida. Otro problema fue la unión de monómeros, es decir, la polimerización. En la superficie es muy difícil polimerizar porque para ello hay que gastar energía. Esto en alta mar es imposible, ya que necesitamos que la superficie sea tranquila. Para solucionarlo, surgieron dos teorías de apoyo: el modelo de la playa reactiva y el modelo de la arcilla.

• Modelo de la playa reactiva: Sostiene que las mareas eran mayores y podrían concentrar partículas radiactivas en las playas. Había tanta energía por radiactividad que podrían empezar a formarse moléculas orgánicas sencillas. Se formaron algunos elementos metálicos y empezaron a actuar como catalizadores.
• Modelo de la arcilla: Propone que las moléculas orgánicas complejas crecieron gradualmente en una plataforma de replicación no orgánica preexistente, que eran los cristales de arcilla. Estos servían para el crecimiento ordenado de la materia orgánica, que se aferró a los cristales.

Teorías Alternativas: Origen Extraterrestre y Fondos Marinos

Como la superficie era un entorno difícil, se plantearon dos nuevas teorías: el origen en los fondos marinos y el origen extraterrestre.

• Origen extraterrestre (Panspermia): Actualmente se conoce como panspermia. Esta teoría propone que la vida se originó en el espacio, más probablemente en algún lugar del interior del sistema solar. Tiene cuatro argumentos a favor:

1. La vida puede viajar en el espacio, como se demostró con algunos experimentos.
2. Se han encontrado moléculas orgánicas en el universo, en meteoritos y cometas. Un meteorito proveniente de Marte tiene una estructura que sugiere que Marte podría haber tenido vida. En otros meteoritos se han encontrado los precursores del ADN y el ARN.
3. En el espacio exterior, el O2 es inexistente, pero hay mucho H2, por lo tanto, el ambiente es reductor, lo que permite la síntesis de moléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos).
4. La aparición de la vida en la Tierra coincide con el periodo de mayor bombardeo meteorítico.

También surgieron dos argumentos en contra:

1. No explica cómo surgió la vida, sino el escenario donde surgió.
2. Si hubieran venido bacterias en meteoritos, no habrían sobrevivido al impacto con la Tierra debido a las altas temperaturas.

• Origen en fondos marinos: Supone que el origen de la vida ocurrió en las chimeneas hidrotermales, en las zonas neovolcánicas de las dorsales oceánicas. El ambiente es reductor porque sale sulfuro de hidrógeno, que proporciona energía para las reacciones químicas de polimerización. Por eso, las chimeneas hidrotermales son ideales para la polimerización. Estos fondos quedaban aislados del bombardeo meteorítico y, por último, los poros de las chimeneas eran ideales para la polimerización del ARN. Puede haber seres vivos sin fotosíntesis gracias al proceso autótrofo llamado quimiosíntesis.

¿Qué fue Primero: Moléculas, Metabolismo, Información o Aislamiento?

• Primero la Información: Es la teoría más aceptada. Nació a partir del descubrimiento de los ribosomas (no son proteínas y pueden tener función biocatalizadora, tienen carácter enzimático, son moléculas de ADN, por lo que tienen ácidos nucleicos, que son los que almacenan información). Se propuso que la primera molécula capaz de almacenar información fue el ARN, y además se autorreplica, es decir, hace una copia de sí misma. Se decía que esto sucedía en las chimeneas hidrotermales, en los poros, porque son ideales para la polimerización.
• Primero el Metabolismo: Lo que propone esta teoría es que la aparición de un metabolismo primitivo pudo proporcionar un ambiente para la posterior replicación del ADN. Se demostró con unos experimentos en los cuales se conseguía la formación de algunas enzimas a partir del sulfuro de hidrógeno de las chimeneas, en las condiciones de esas zonas, las cuales ayudaron a los ARN a duplicarse y a dirigirlos. Tomaba como base la Teoría de las microesferas proteinoides, que propone que en zonas acuáticas cercanas a volcanes, y tras el enfriamiento de la zona, se formaron unas agrupaciones de proteínas denominadas microesferas proteinoides, que tenían capacidad metabólica y de autorreplicación. Estas microesferas se rodearon de ARN y una membrana lipídica.
• Primero el Aislamiento: Sostiene que es necesario una membrana que aísle del medio como paso previo a la formación de un ARN y un metabolismo eficaz. Esta membrana estaría formada por lípidos que deberían ser traídos por meteoritos. Estas membranas debieron eclosionar ARN, es decir, la molécula que almacena información, y proteínas. Esto puede casi funcionar como un ser vivo. El tercer paso es sustituir el ARN por ADN.

Calendario de la Vida: Eones y Eventos Clave

Hace 4000 millones de años aparecieron las primeras formas de vida. Desde entonces, han sucedido una serie de eventos determinantes. Los eones son una clasificación por eventos de tipo tectónico.

• Eón Hadeico: Abarca desde hace 4600 hasta 4000 millones de años. Sus eventos clave son la formación de la Tierra, las primeras moléculas autorreplicantes de ARN (hace 4500 millones de años) y el fin del bombardeo meteorítico (hace 4050 millones de años).
• Eón Arcaico: Transcurre entre 4000 y 2500 millones de años atrás. Aparece la vida mediante células procariotas heterótrofas anaerobias (no utilizaban oxígeno, se alimentaban fermentando). Aparece el primer supercontinente llamado Vaalbará (muy importante para la vida). Surge la fotosíntesis anoxigénica, los primeros posibles fósiles y estromatolitos, es decir, algas verdeazuladas. Se produce la primera glaciación, que tiene relación con el supercontinente, y surge la fotosíntesis oxigénica, por lo tanto, también el oxígeno. El albedo es la cantidad de luz que refleja la superficie. Cada vez que se forma un supercontinente, va a haber una glaciación, un enfriamiento del planeta. Estos periodos de enfriamiento se deben a un mayor efecto albedo cada vez que se forma un supercontinente y a la desaparición del principal gas de efecto invernadero, el metano, provocada por oxidación.
• Eón Proterozoico: Se extiende desde hace 2500 hasta 635 millones de años. Ocurre la gran oxidación, es decir, la extinción de muchos organismos anaerobios porque, como hemos dicho antes, aparece la fotosíntesis oxigénica y, por lo tanto, el oxígeno. Gracias al oxígeno, ocurre la glaciación Huroniana. Aparecen los primeros eucariotas, es decir, el paso de procariotas a eucariotas, hace 1800 millones de años. Aparecen los primeros pluricelulares hace 1400 millones de años, que fueron algas rojas. A su vez, se forma el segundo supercontinente llamado Rodinia. El aspecto de la Tierra estaba plagado de nieve por la glaciación hace 1850 millones de años. Hace 635 millones de años se formó otro supercontinente llamado Pannotia.

La Modificación de la Atmósfera por la Acción de los Seres Vivos

La modificación de la atmósfera por la acción de los seres vivos surgió con la aparición de las cianobacterias, que dieron lugar a la fotosíntesis oxigénica. Esto supuso la liberación de oxígeno a la atmósfera, que resulta altamente tóxico para los organismos anaerobios. Muchos organismos se extinguieron y otros consiguieron adaptarse al incorporar a su interior peroxisomas, que utilizaban el oxígeno para detoxificarse, y posteriormente mitocondrias, que utilizaban el oxígeno para la producción de energía.