Fuentes termales submarinas podrían haber originado los primeros precursores moleculares de la vida

Para probar esta hipótesis, investigadores de Brasil, Estados Unidos y Japón construyeron reactores de laboratorio que simulan el encuentro entre los fluidos hidrotermales y el agua oceánica primitiva

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society recreó en laboratorio reacciones químicas que pueden haber ocurrido en el planeta hace unos 4 mil millones de años, produciendo los primeros precursores moleculares para el surgimiento de la vida. El experimento demostró que —sin la presencia de enzimas— gradientes naturales de pH, potencial redox y temperatura presentes en fuentes hidrotermales submarinas pueden haber promovido la reducción del dióxido de carbono (CO₂) a ácido fórmico (CH₂O₂) y la subsecuente formación de ácido acético (C₂H₄O₂). El potencial redox es la medida de la tendencia de una sustancia a ganar o perder electrones en una reacción de óxido-reducción. Los resultados confirmaron la hipótesis de que las fuentes termales submarinas habrían desempeñado un papel fundamental en este proceso.

“La hipótesis es que esos contrastes fisicoquímicos presentes en las cercanías de las fuentes termales generan un voltaje natural, como ocurre entre el interior y el exterior de la mitocondria. Es ese voltaje el que sustenta las reacciones químicas”, explica el primer autor del trabajo, Thiago Altair Ferreira. Doctor en Ciencias por el Departamento de Fisicoquímica del Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IQSC-USP), en Brasil, Ferreira es actualmente investigador en el Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN), en Wako, Japón.

Las fuentes hidrotermales alcalinas liberan fluidos calientes (de unos 70 °C), básicos (con pH entre 9 y 12) y ricos en hidrógeno molecular (H₂). Estos se encuentran con el agua del océano primitivo, más fría (alrededor de 5 °C) y ligeramente ácida (con pH cercano a 5.5). Entre esos ambientes se forman paredes minerales de sulfuros de hierro y níquel, ricas en microporos y capaces de conducir electrones. El contraste genera gradientes naturales análogos a los que hoy sustentan el metabolismo celular.

“En el Hadeano habría un océano más frío y ácido, y emanando de las fuentes hidrotermales, un fluido caliente y alcalino. Solo eso ya produciría un voltaje determinado, comparable al que sabemos que existe en los procesos celulares actuales. Nuestro experimento buscó saber si ese voltaje, por sí solo, sería capaz de accionar una reacción de fijación de carbono. Y comprobamos que sí”, resume Ferreira.

El Hadeano es el eón más antiguo de la historia de la Tierra. Un eón geológico es la mayor unidad de tiempo en la escala geológica: puede durar cientos de millones o incluso miles de millones de años, y se subdivide en eras geológicas. El Hadeano corresponde al período que va aproximadamente desde hace 4.6 mil millones de años (cuando se habría formado el planeta) hasta unos 4 mil millones de años atrás, cuando comenzó el siguiente eón, el Arqueano.

Para probar la hipótesis, los investigadores construyeron reactores de laboratorio que simulan el encuentro entre los fluidos hidrotermales y el agua oceánica primitiva, con control independiente de temperatura, composición mineral y paso de corrientes eléctricas – espontáneas o inducidas. Se utilizaron minerales de hierro-azufre (Fe-S) y sus variantes con níquel (Fe-Ni-S) como mediadores mineralógicos del proceso. “Los minerales de hierro-azufre y de hierro-níquel-azufre son muy semejantes a los centros metálicos que hoy observamos en varias enzimas. Eso permite pensar en un protometabolismo, un metabolismo sin enzimas, como desencadenante del proceso”, afirma Ferreira.

En los experimentos, bajo gradientes de pH y en presencia de Fe-S o Fe-Ni-S, se detectaron concentraciones micromolares de ácido fórmico y ácido acético en el lado “oceánico” del reactor. Eso indica el acoplamiento entre la oxidación de H₂ (en el lado “hidrotermal”) y la reducción de CO₂ (en el lado “oceánico”), a través de la barrera mineral conductora. Se trata de dos etapas iniciales de la vía de Wood-Ljungdahl.

Basada en los descubrimientos del bioquímico estadounidense Harland Wood (1907–1991) y del bioquímico sueco Lars Ljungdahl (1926–2023), la vía de Wood-Ljungdahl constituye una ruta metabólica de fijación de carbono, que usa el hidrógeno como donador de electrones, en la cual bacterias metanogénicas y acetogénicas convierten CO₂ en acetilcoenzima A (acetil-CoA). Esta molécula posee enlaces de fosfato que almacenan gran cantidad de energía, como los que ocurren en la adenosina trifosfato (ATP), principal molécula responsable por el almacenamiento y el transporte de energía en todas las células vivas. La vía de Wood-Ljungdahl se considera una de las rutas bioquímicas más antiguas de la Tierra, posiblemente ya activa durante el Hadeano.

“Nos enfocamos en dos productos: ácido fórmico y ácido acético. La primera etapa —la conversión de dióxido de carbono en ácido fórmico y luego en ácido acético— es la limitante del proceso, la parte más difícil en términos energéticos. La resolvimos usando únicamente minerales”, explica Ferreira.

El estudio también evaluó el papel de las corrientes eléctricas, mostrando que corrientes ínfimas, del orden de nanoamperios (10⁻⁹ A), bastaron para sostener la reducción de CO₂ con excelente eficiencia. “Eso sugiere que flujos eléctricos muy pequeños, pero constantes, en el fondo del mar primitivo serían suficientes para sustentar un protometabolismo”, comenta Ferreira.

Los resultados del estudio refuerzan el papel de las fuentes hidrotermales alcalinas en la Tierra primitiva, mostrando que dos etapas protometabólicas pueden emerger de gradientes naturales y de superficies minerales, sin necesidad de maquinaria biológica compleja. “La condición inicial para la vida no es una ‘sopa’ de moléculas orgánicas, sino orden en el lugar y en el momento adecuados, mantenida por intercambios de energía y entropía. Trabajamos con la lógica de gradientes fisicoquímicos activando reacciones en presencia de superficies minerales que recuerdan los sitios activos de las enzimas”, resume Ferreira.

Aunque el foco del estudio fue la ciencia básica, con posibles aplicaciones en astrobiología (al proponer escenarios para los contextos oceánicos de las lunas de Júpiter, Europa, y de la luna de Saturno, Encélado), el enfoque también inspira aplicaciones tecnológicas. “A partir de la importancia de los sitios metálicos análogos a los de las enzimas, podemos pensar en materiales y condiciones más estables y eficaces para la electrocatalisis y la producción de hidrógeno —una gran apuesta como alternativa energética sostenible—, así como para la reducción del CO₂ atmosférico, que es un problema fundamental en el contexto del cambio climático”, sugiere Ferreira.

El estudio reunió a investigadores de Brasil, Japón, Reino Unido y Estados Unidos, entre ellos el profesor Hamilton Varela, orientador del doctorado de Ferreira.

“El trabajo, desarrollado por Ferreira durante su doctorado y luego consolidado en el posdoctorado, aportó evidencias experimentales sobre el papel de los gradientes de temperatura, pH y potencial en la reducción del CO₂, y abrió importantes perspectivas en el área. Este estudio fue desarrollado en el marco de un Proyecto Temático del Grupo de Electroquímica del IQSC-USP y corrobora el aspecto transdisciplinario de la electrocatalisis y la importancia de la investigación básica”, afirma Varela.

El estudio también contó con apoyo de la FAPESP mediante una beca de investigación en el exterior.

El artículo Carbon reduction powered by natural electrochemical gradients under submarine hydrothermal vent conditions puede leerse en: pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01948.