Hace alrededor de 4 mil millones de años, La tierra era un lugar inhóspito, desprovisto de oxígeno, lleno de erupciones volcánicas, y bombardeado por asteroides, sin signos de vida ni siquiera en las formas más simples. Pero en algún lugar en medio de este período caótico, la química de la Tierra se volvió a favor de la vida, dando lugar, por muy improbable que sea, a los primeros organismos del planeta.

¿Qué provocó este punto de inflexión crítico? ¿Cómo se recuperaron los organismos vivos en un mundo tan volátil? ¿Y cuáles fueron las reacciones químicas que produjeron los primeros aminoácidos, proteínas, y otros componentes básicos de la vida? Estas son algunas de las preguntas sobre las que los investigadores se han preguntado durante décadas al tratar de reconstruir los orígenes de la vida en la Tierra.

Ahora, los científicos planetarios del MIT y el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica han identificado ingredientes clave que estaban presentes en grandes concentraciones justo en el momento en que aparecieron los primeros organismos en la Tierra.

Los investigadores encontraron que una clase de moléculas llamadas aniones sulfídicos puede haber sido abundante en los lagos y ríos de la Tierra. Ellos calculan eso, hace unos 3.900 millones de años, volcanes en erupción emitieron enormes cantidades de dióxido de azufre a la atmósfera, que eventualmente se asentaron y disolvieron en agua como aniones sulfídicos, específicamente, sulfitos y bisulfitos. Estas moléculas probablemente tuvieron la oportunidad de acumularse en aguas poco profundas como lagos y ríos.

"En lagos poco profundos, descubrimos que estas moléculas habrían sido una parte inevitable del medio ambiente, "dice Sukrit Ranjan, un postdoctorado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias. "Si fueron parte integral del origen de la vida es algo que estamos tratando de resolver".

El trabajo preliminar de Ranjan y sus colaboradores sugiere que los aniones sulfídicos habrían acelerado las reacciones químicas necesarias para convertir moléculas prebióticas muy simples en ARN. un componente genético de la vida.

"Antes de este trabajo, la gente no tenía idea de qué niveles de aniones sulfídicos estaban presentes en las aguas naturales de la Tierra primitiva; ahora sabemos lo que eran, Ranjan dice:"Esto cambia fundamentalmente nuestro conocimiento de la Tierra primitiva y ha tenido un impacto directo en los estudios de laboratorio sobre el origen de la vida".

Ranjan y sus colegas publicaron hoy sus resultados en la revista. Astrobiología .

Preparando el escenario de la Tierra primitiva

En 2015, químicos de la Universidad de Cambridge, dirigido por John Sutherland, quien es coautor del estudio actual, descubrió una forma de sintetizar los precursores del ARN usando solo cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, y luz ultravioleta:todos los ingredientes que se cree que estaban disponibles en la Tierra primitiva, antes de la aparición de las primeras formas de vida.

Desde el punto de vista de la química, El caso de los investigadores fue convincente:las reacciones químicas que llevaron a cabo en el laboratorio superaron los desafíos químicos de larga data, para dar vida con éxito a los componentes genéticos. Pero desde el punto de vista de la ciencia planetaria, No estaba claro si tales ingredientes habrían sido lo suficientemente abundantes para impulsar a los primeros organismos vivos.

Por ejemplo, Es posible que los cometas tuvieran que llover continuamente para traer suficiente cianuro de hidrógeno a la superficie de la Tierra. Mientras tanto, sulfuro de hidrógeno, que habrían sido liberados en grandes cantidades por erupciones volcánicas, en su mayoría se habría quedado en la atmósfera, como la molécula es relativamente insoluble en agua, y por lo tanto no habría tenido oportunidades regulares de interactuar con el cianuro de hidrógeno.

En lugar de abordar el rompecabezas de los orígenes de la vida desde una perspectiva química, Ranjan lo miró desde una perspectiva planetaria, tratando de identificar las condiciones reales que podrían haber existido en la Tierra primitiva, alrededor de la época en que aparecieron los primeros organismos.

"El campo de los orígenes de la vida ha sido tradicionalmente dirigido por químicos, que intentan descubrir las vías químicas y ver cómo la naturaleza podría haber operado para darnos los orígenes de la vida, "Dice Ranjan." Ellos hacen un gran trabajo con eso. Lo que no hacen con tanto detalle es, no preguntan cómo eran las condiciones en la Tierra primitiva antes de la vida. ¿Podrían haber ocurrido realmente los escenarios que invocan? No saben tanto cuál era el escenario ".

Poniendo los ingredientes de por vida

En agosto de 2016, Ranjan dio una charla en la Universidad de Cambridge sobre el vulcanismo en Marte y los tipos de gases que habrían sido emitidos por tales erupciones en la atmósfera sin oxígeno del planeta rojo. Los químicos presentes en la charla se dieron cuenta de que las mismas condiciones generales habrían ocurrido en la Tierra antes del comienzo de la vida.

"Sacaron de esa [charla] que, en la Tierra primitiva, no tienes mucho oxigeno, pero tienes dióxido de azufre por vulcanismo, "Recuerda Ranjan." Como consecuencia, deberías tener sulfitos. Y ellos dijeron "¿Puede decirnos qué cantidad de esta molécula habría habido?" Y eso es lo que nos propusimos limitar ".

Para hacerlo comenzó con un modelo de vulcanismo desarrollado previamente por Sara Seager, Profesor de Ciencias Planetarias de la Clase de 1941 del MIT, y su ex estudiante de posgrado Renyu Hu.

"Hicieron un estudio en el que preguntaron, 'Suponga que toma la Tierra y simplemente aumenta la cantidad de vulcanismo en ella. ¿Qué concentraciones de gases obtienes en la atmósfera? '”, Dice Ranjan.

Consultó el registro geológico para determinar la cantidad de vulcanismo que probablemente tuvo lugar hace unos 3.900 millones de años. alrededor de la época en que se cree que aparecieron las primeras formas de vida, luego buscó los tipos y concentraciones de gases que esta cantidad de vulcanismo habría producido según los cálculos de Seager y Hu.

Próximo, escribió un modelo de geoquímica acuosa simple para calcular la cantidad de estos gases que se habrían disuelto en lagos y embalses poco profundos, ambientes que habrían sido más propicios para concentrar reacciones formadoras de vida, versus vastos océanos, donde las moléculas podrían disiparse fácilmente.

Curiosamente, consultó la literatura sobre un tema bastante inesperado mientras realizaba estos cálculos:la elaboración del vino, una ciencia que implica, en parte, disolviendo dióxido de azufre en agua para producir sulfitos y bisulfitos en condiciones sin oxígeno similares a las de la Tierra primitiva.

"Cuando estábamos trabajando en este documento, muchas de las constantes y datos que extrajimos eran de las revistas de química del vino, porque es donde tenemos ambientes anóxicos aquí en la Tierra moderna, ", Dice Ranjan." Así que tomamos aspectos de la química del vino y preguntamos:'Supongamos que tenemos x cantidad de dióxido de azufre. ¿Cuánto de eso se disuelve en agua? y luego, ¿en qué se convierte? '"

Charla cruzada comunitaria

Por último, encontró eso, mientras que las erupciones volcánicas habrían arrojado enormes cantidades de dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno a la atmósfera, fue el primero el que se disolvió más fácilmente en aguas poco profundas, produciendo grandes concentraciones de aniones sulfídicos, en forma de sulfitos y bisulfitos.

"Durante las grandes erupciones volcánicas, es posible que haya tenido niveles milimolares de estos compuestos, que trata sobre las concentraciones de estas moléculas a nivel de laboratorio, en los lagos, "Dice Ranjan." Esa es una cantidad titánica ".

Los nuevos resultados apuntan a los sulfitos y bisulfitos como una nueva clase de moléculas, las que realmente estaban disponibles en la Tierra primitiva, que los químicos ahora pueden probar en el laboratorio. para ver si pueden sintetizar a partir de estas moléculas los precursores de la vida.

Los primeros experimentos dirigidos por los colegas de Ranjan sugieren que los sulfitos y bisulfitos pueden haber fomentado la formación de biomoléculas. El equipo llevó a cabo reacciones químicas para sintetizar ribonucleótidos con sulfitos y bisulfitos, versus con hidrosulfuro, y descubrió que los primeros podían producir ribonucleótidos y moléculas relacionadas 10 veces más rápido que los segundos, y con mayores rendimientos. Se necesita más trabajo para confirmar si los aniones sulfídicos fueron de hecho los primeros ingredientes en la elaboración de las primeras formas de vida. pero ahora hay pocas dudas de que estas moléculas formaban parte del medio prebiótico.

Por ahora, Ranjan dice que los resultados abren nuevas oportunidades de colaboración.

"Esto demuestra la necesidad de que las personas de la comunidad científica planetaria y de los orígenes de la vida se comuniquen entre sí, Ranjan dice. "Es un ejemplo de cómo la polinización cruzada entre disciplinas realmente puede producir conocimientos simples pero sólidos e importantes".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.