El Cedazo

Por fin llegamos a un nuevo eón, el Arcaico, con la Vida ya organizada tal como lo estuvimos presenciando en las entradas anteriores de esta serie sobre La Biografía de la Vida. A partir de ahora vamos a empezar a movernos con organismos perfectamente estructurados, las bacterias, y sus manuales de funcionamiento. En esta entrada haremos una introducción general sobre estos seres vivos elementales, los primeros, y hablaremos acerca del escenario por donde se movían hace la friolera de entre 3.800 y 2.500 millones de años… es decir, a lo largo del eón Arcaico.

El nombre Arcaico proviene del griego antiguo “Αρχη”, que significa “comienzo, origen”. También a este eón se le conoce por el nombre de Arqueozoico, es decir “comienzo de la vida” (zoicos, vida en griego). Abarca el 29% de la edad de la Tierra y es un periodo lleno de acontecimientos: recoge el testigo del Hadeico y lo consolida, dejando el escenario con todos los elementos para la representación teatral que hoy conocemos. En él se asienta la riqueza de las vías metabólicas, y por tanto dedicaremos una explicación teórica sobre ello.

Al comenzar el periodo, la Tierra aún estaba saliendo del episodio del bombardeo tardío, iluminada por un sol pálido, con una dinámica tremenda en la que juegan mares de agua, episodios magmáticos y pequeñas cortezas solidificadas. La vida, casi con toda seguridad, había empezado a experimentar en aguas someras o en venteos hidrotermales submarinos. De cualquier forma, se tratarían de bacterias primitivas.

Al finalizar el Arcaico la Tierra se habrá convertido en un cuerpo estable con grandes continentes surgiendo de un mar tibio, colonizado desde hacía más de mil millones de años por bacterias fotosintéticas que prepararon el siguiente salto evolutivo de la Vida.

No son muchas las rocas que se conservan de este eón, de gran actividad geológica, que han tenido que sufrir hasta hoy más de 2.500 millones de años de ciclos de erosión y sedimentación, presión y subducción, fusión y vulcanismo, solidificación y plegamiento. Y vuelta a empezar. En realidad, sólo el 0,5% de las tierras de hoy en día corresponden a aquella época.

Distribución actual de rocas procedentes del Arcaico

El motor de este tejer y destejer son las tensiones energéticas que en cada momento tiene el conjunto del planeta, su magma y su corteza. A comienzos del Arcaico el flujo de calor de la Tierra era casi tres veces superior al que tiene hoy y el doble que a principios del siguiente eón, el Proterozoico (hace 2.500 millones de años). Se contaba, por tanto, en esta era con un buen motor para la formación y deformación de la litosfera.

Centrémonos en el manto magmático. En él se darían zonas con distintas temperaturas. En los puntos calientes del magma las fuertes corrientes convectivas ascendían con más energía y más materia, por lo que sería fácil que en algunas zonas más frías de la superficie se fuera acumulando suficiente cantidad de material como para formar un germen de corteza estable, que progresivamente se iría enfriando con relación a su entorno, favoreciendo su crecimiento que iría así modelando una isla de roca. En estos puntos se formarían grandes cúpulas de materia enraizadas en el manto fundido.

El resto de las corrientes convectivas magmáticas, las que no se habían solidificado, serían desviadas por estas raíces concentrándose en puntos calientes que no permitían su desarrollo y que dieron como resultado una placa litosférica local de menor espesor. Posiblemente este fenómeno magmático se dio en zonas que correspondían a los fondos oceánicos.

Explicación verticalista del origen de la corteza arcaica

La teoría cúpula-raíz parece tener evidencias. La alta temperatura de la Tierra en aquellos momentos, con un magma profundo muy caliente y fundido, puede hacer pensar que el límite “magma fundido-litosfera” debía ser muy poco profundo a lo largo de toda la superficie del planeta. Sin embargo se han encontrado materiales –diamantes- que sólo se pudieron generar a temperaturas que se daban a unos 150-200 kilómetros de la superficie. Eso indica que en algún punto la litosfera penetraba al menos hasta esta profundidad, como una especie de raíz inserta en el magma.

Dentro de este esquema se supone que debía haber una gran actividad tectónica, dados los altos flujos energéticos del momento que imprimían una gran velocidad al proceso de generación de la litosfera. Cabría esperar que hubiese una mayor actividad en las dorsales suboceánicas (líneas de rotura de los fondos oceánicos) y además un mayor número de ellas, así como también un mayor dinamismo en las zonas de subducción (zonas en donde la litosfera oceánica deslizaba bajo la continental). Esta dinámica impediría que los cratones^[1] tuvieran tiempo de crecer hasta un gran tamaño. Como consecuencia habría un mayor número de placas solidificadas y de tamaño no muy grande, con una gran movilidad y deformación, ya sea producida por las colisiones entre ellas como por las aportaciones de materiales volcánicos: la norma eran los pequeños y dinámicos protocontinentes.

Debido a ello las costas serían abruptas, sin zonas de aguas poco profundas, por lo que los residuos de la erosión de las microplacas quedarían depositados en la profundidad de las aguas, junto a ellas, generando unas capas sedimentarias de gran espesor, de hasta 30 kilómetros. Estos sedimentos metamorfizados lentamente por la presión constituyen la parte profunda de la actual litosfera. Entremezcladas con estos minerales se encuentran franjas compuestas por una gran variedad de unidades rocosas no homogéneas y de formas extrañas, compuestas por silicatos de hierro o magnesio, llamadas “cinturones de rocas verdes”. En esta época nuestro conocido hierro bandeado, del que ya se habló en una entrada anterior, seguía su formación.

El hierro bandeado es muy significativo desde el punto de vista de la biosfera. Durante el anterior eón el oxígeno básicamente se encontraba asociado en complejos moleculares, como el agua, el dióxido de carbono o los silicatos de la litosfera. Sin embargo las capas de óxido de hierro de esas formaciones rocosas, que alternan con capas de silicatos degradados, indican que ya había oxígeno molecular libre en proporciones apreciables. Y eso quiere decir que ya había bacterias con metabolismo fotosintético oxigénico, emitiendo O₂ como materia residual de su metabolismo. La opinión más generalizada es que las primeras bacterias que dispusieron de esta habilidad datan de hace 2.800 millones de años, aunque algún estudio^[2] basado en el estudio de hematitas -óxidos de hierro- parece adelantar la fecha hasta hace 3.460 millones de años.

A medida que la Tierra se iba enfriando, las microplacas se fueron estabilizando en un largo proceso continuo que duró hasta el final del Arcaico. En este momento, y por motivos desconocidos, a pesar de que los flujos energéticos se habían atemperado a la mitad desde el inicio del eón por el propio enfriamiento del planeta,  se produjo un resurgimiento de la actividad magmática, de forma que al acabar el Arcaico se había formado ya, y en un corto intervalo de tiempo, el 50% del total de la corteza continental actual, y habían aparecido los primeros grandes continentes y las secuelas de la actividad geológica sobre ellos. Se iniciaba con ello la dinámica de tectónica de placas, según el concepto actual de la misma, datándose en el entorno de hace 3.000 millones de años.^[3]

Localización de los pequeños cratones de Pilbara y Kaapvaal

Vaalbará es el nombre del primer e hipotético supercontinente que apareció sobre la Tierra, hace unos 3.500 millones de años. Su existencia se justifica en los estudios geocronológicos y paleomagnéticos de dos cratones arcaicos -aún no podían ser considerados propiamente como continentes-: Kaapvaal (denominado así por la provincia sudafricana de Kaapvaal) y Pilbara (de la región de Pilbara, en Australia Occidental).

Con posterioridad aparecerá Ur, hace 3.000 millones de años, del que se sabe muy poco excepto que sus restos se encuentran en la actual India, Madagascar y Australia. Posiblemente en su momento fue un único y solitario continente, a pesar de ser muy pequeño. Su nombre viene de la misma palabra alemana que quiere decir “original”.

El pequeño cratón de Ur con indicación del perfil de los territorios actuales

Kenorland, o también llamado Ártica, fue ya un supercontinente, uno de los más tempranos sobre la Tierra. Se cree que se formó hace unos 2.700 millones de años al agruparse los primeros cratones del eón y la rápida formación de una nueva corteza continental. Abarcaba lo que mucho más tarde serían los continentes de Laurentia (el corazón de las actuales Norteamérica y Groenlandia), Báltica (los actuales países bálticos y Escandinavia), Australia occidental y el Kalahari.

Visto desde la perspectiva, parece como si en estos 1.300 millones de años que duró el Arcaico, la geología iba experimentando, tanteando despacio, pasando de un mundo poco definido y muy dinámico a un mundo más estable, base para lo que vendría después, en la era Proterozoica, que es cuando ya toman cuerpo los grandes cratones continentales.

Muy semejante fue lo que pasó en la biosfera: el Arcaico constituyó una época de invención y consolidación, a nivel muy elemental, que abría puertas para su posterior desarrollo durante el eón posterior. La temperatura de los océanos debía ayudar. La presencia de cristales de yeso y bacterias fijadoras de nitrógeno encontradas en las rocas arcaicas demuestran que las temperaturas debieron de oscilar en un intervalo comprendido entre los 30º a 40ºC. En estas cálidas aguas  proliferaban seres vivos sumamente simples con variadas estructuras, agrupados en los dos dominios que aún reconocemos, bacterias y arqueas, que desarrollaban un abanico muy amplio de soluciones metabólicas, obteniendo la energía necesaria a partir de formas variadas e insospechadas: nada fue imposible para ellas. Podemos considerar que la variedad del Arcaico sorprende más por su diversidad metabólica que por la morfológica.

Se cree que la atmósfera, que durante el eón Hadeico estuvo compuesta por el CO₂ primigenio y gases reducidos como el agua, amoniaco y metano, se había ido transformando poco a poco, de forma que hace 3.900 millones de años se tiene la certeza, dado el grado de oxidación de las rocas de aquella época, de que había cambiado por completo. En las emanaciones volcánicas abundaría el CO₂ y el agua.

En la atmósfera el antiguo amoniaco había sido disociado por la radiación ultravioleta convirtiéndolo en nitrógeno molecular, N₂, mientras que el metano, CH₄, se iba transmutando en CO₂ según el proceso que comentamos en breve.

A pesar de lo anterior, la concentración del dióxido de carbono no creció, al contrario, iba perdiendo su presencia posiblemente por el efecto de varias circunstancias. La primera sería que al irse enfriando la tierra y los mares, su disolución en las aguas podía ser mayor. La segunda es que se supone que la fotosíntesis anoxigénica -de la que hablaremos en otra entrada-, gran demandante y consumidor de CO₂, era ya un invento operativo desde hace posiblemente 3.500 millones de años. Una tercera circunstancia se producía seguramente desde hacía mucho tiempo como consecuencia de la reacción del agua y el propio dióxido de carbono en la atmósfera, por la que se produciría una disolución de ácido carbónico, CO₃H₂, en las gotas de agua. Al llover, este medio ácido disolvería los silicatos de los cratones transformándolos en sales del tipo carbonato que fueron arrastradas hasta el mar, formando allí grandes capas sedimentarias en donde quedó secuestrando gran parte del CO₂ atmosférico. Bien pudo ser esto último lo que diferencia ahora mismo a la Tierra de su hermana Venus, con una atmósfera de CO₂ que genera un efecto invernadero de altas temperaturas que la hace inhabitable.

Evolución de algunos gases atmosféricos durante el Arcaico

En aquellos momentos el agua de la superficie del mar se veía bombardeada por los abundantes rayos ultravioletas, lo que producía la rotura de su molécula. El ligero hidrógeno resultante se escaparía de la atracción gravitatoria hacia el espacio. El oxígeno producido en esta hidrólisis y el generado por las bacterias fotosintéticas pasó a la atmósfera, aumentando su presencia. A pesar de ello, en los primeros momentos del proceso no se apreció un incremento importante en la concentración de este gas, ya que era “secuestrado” a partir de procesos químicos naturales, como eran las ya comentadas oxidaciones del hierro -que en aquellos momentos era muy abundante en los silicatos en su forma de ión ferroso-, o a través de la fotólisis del metano que por acción de la radiación ultravioleta se iba transformaba en CO₂ y agua, o bien pasaría a formar una capa de ozono que protegería a los organismos vivos de los efectos perjudiciales de dichas radiaciones solares. Otra gran cantidad lo usarían las propias bacterias para su metabolismo y otra parte se disolvería en el agua del mar.

Poco a poco el oxígeno fue levantando cabeza a medida que se iban saturando los nichos en donde era atrapado, quedando oxidado todo lo susceptible de ser oxidado, de forma que hace 2.400 millones de años concluyó el proceso conocido como la gran oxidación, también denominado como crisis del oxígeno, un gran cambio medioambiental con el que se cierra el eón Arcaico. Tuvo que esperar unos 400 millones de años para que la participación del oxígeno en la composición de los gases atmosféricos se hiciera relativamente significativa.

La evolución de la composición de estos gases nos permite imaginar cómo serían las temperaturas. A principios del Arcaico, con grandes concentraciones de agua y metano, gases ambos de potente efecto invernadero, la temperatura sería cálida. Al disminuir la participación atmosférica de ambos gases, así como la del CO_2, hay que suponer que a medida que avanzaba el Arcaico la temperatura se fuera enfriando, aunque a lo largo de todo este eón aún no hay evidencias de ninguna glaciación. Pero esto era algo que iba a caer por su propio peso: la primera época de hielos se produjo prácticamente en la frontera del Arcaico con el Proterozoico, la glaciación Huroniana entre 2.400 y 2.100 millones de años antes de hoy.

Dibujado el escenario de estos 1.300 millones de años podemos pasar a ver qué ocurrió en la biosfera, cómo se manejaron aquellas pequeñas células que habían escapado de los venteos hidrotermales submarinos. Recordemos cómo en aquellos lugares la química funcionaba espontáneamente, empujada por la termodinámica. Unas sencillas moléculas se fueron haciendo más y más complejas, llegando al laborioso y multivalente ARN el cual se hizo “luz de gas” a sí mismo al “parir” una molécula que se replicaba mejor que él, el ADN, y otra molécula que metabolizaba mejor que él, la proteína. Y pasó a un segundo e importantísimo término. Recordemos cómo esos pequeños “personajes” se protegieron dentro de una burbuja de doble capa lipídica y se lanzaron a colonizar los mares.

Creo que llegó el momento de presentarlas en sociedad: las bacterias, con sus dos dominios familiares de las eubacterias y arqueobacterias. Hace 3.800 millones de años, cuando comenzó el Arcaico, allí debían de estar, con la más simple de las estructuras.

Colonia de bacterias Oenococcus (Wikimedia dominio público) y un corte de la estructura celular de una bacteria tipo

Aunque la figura anterior de Oenococcus corresponde a bacterias actuales, las primitivas debían ser muy parecidas, con sus membranas protectoras en donde se generaban las pilas de energía en forma de adenosín trifosfato (ATP), su material genético arrollado formando los nucleótidos y los ribosomas como centros de producción de proteínas.

Unas encontraron sus garbanzos consumiendo compuestos de azufre, otras desgranaban la glucosa en ausencia de oxígeno, otras aprendieron a obtener la energía de la luz y otras a base de sintetizar metano. Habían conquistado variadas formas de sobrevivir, aunque todas compartían las mismas necesidades básicas. Todas ellas necesitaban una gran cantidad de carbono, oxígeno e hidrógeno, y otros elementos como nitrógeno, azufre, fósforo, hierro, magnesio, sodio, cloro… Todas necesitaban ensamblarlos formando moléculas funcionales para que sus máquinas no se pararan. Todas precisaban de energía externa y de un proceso como la quimioósmosis por la que la empaquetaba en forma de ATP. Habían también descubierto la forma de multiplicarse  siguiendo rutas comunes. Al igual que cualquier ser vivo actual. No hemos cambiado demasiado.

Buscando una posible explicación de esta universalidad del metabolismo nos encontramos de nuevo con la ya conocida teoría de flujos de energía de Morowitz y Smith de la que ya hablamos en una entrada anterior.^[4] Como ya sabemos, la teoría postula que la Vida apareció espontáneamente en un contexto geoquímico de estrés energético, al igual que un rayo surge espontáneamente en una situación de estrés de cargas electromagnéticas entre la tierra y las nubes. Todo habría sido un encadenamiento de hechos causa-efecto a través de estados termodinámicos, los más estables posibles, cada vez con un mayor orden interno gracias a un mayor y más eficiente consumo energético. Este determinismo del suceso explicaría el porqué de que el núcleo de los procesos metabólicos haya sido tan estable a lo largo de los años.

De esta causalidad resultante de equilibrios energéticos progresivamente más ordenados derivaría, por un lado, el hecho de que el inicio del camino de la Vida fuera único, y por otro el que el proceso siga y que además siga sujeto a un continuo desarrollo sin irreversibilidad posible. Posiblemente en un inicio los cambios fueron muy rápidos, bruscos y elementales, completándose posteriormente de forma más lenta con diversos refinamientos metabólicos.

Según la teoría de Morowitz la Vida sería, por tanto, un mero resultado de una inevitable aglomeración de actores, procesos y funciones, hasta cierto punto autónomos, que han ido surgiendo paulatinamente y que siguen siendo los mismos hoy en día. Una fría y maquinal consecuencia de las energías geoquímicas y solar, más que una innovación gestada por la biología. Según esto, primero habría sido el metabolismo con su química y luego, gracias a  que éste había generado las posibilidades precisas para ello, a su alrededor se habrían formado las estructuras.

Si esto es cierto, la consolidación del metabolismo como conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos bases para la Vida debió ser anterior al hecho de que la replicación fuera un coordinado proceso macromolecular. Primero las enzimas y después los genes.

Usando palabras de Morowitz “el metabolismo básico no ha cambiado en los últimos cuatro mil millones de años y se ha mantenido vivo en las bacterias que se reproducen cada 20 minutos. Este mecanismo  tan fuertemente conservado podría ser el único camino, lo que  significa que se podría encontrar en todas las partes del universo donde haya vida. Podríamos ir a Marte y encontrar el mismo metabolismo intermediador. Se podría incluso decir que la vida se formaría en cualquier planeta que tuviera la química, la temperatura y la fuerza de gravedad adecuadas“.

De todas formas, una vez más, hemos de decir que ésta es una de las múltiples teorías sobre el inicio del metabolismo. Sabemos que hay otras, como la de Martin y Rusell que vimos en la entrada anterior,^[5] que postulan que todo fue el resultado del juego evolutivo de moléculas, más o menos complejas, en entornos favorables para ello y siguiendo exclusivamente las leyes de la química y la termodinámica.

Sea cual haya sido el camino, lo que sí es comprobable es el resultado, los diversos caminos metabólicos que seleccionó la Vida. En la siguiente entrada comenzaremos a profundizar en el tema: veremos quiénes son y cómo actúan las moléculas que gestionan la energía en las células. El primer paso para conocer el común código universal del metabolismo. Hasta entonces.

1. Los cratones son los protocontinentes a partir de los cuales se formaron los primeros continentes por crecimiento en sus márgenes subductivos y por la intrusión magmática. Por ello los cratones se encuentran frecuentemente en los centros/núcleos de los continentes actuales y están típicamente rodeados de los cinturones de cordilleras montañosas más modernos. [↩]
2. Como éste publicado por la revista Nature de marzo de 2009. [↩]
3. Podéis saber un poco más sobre el tema gracias a los siguientes artículos, éste y éste. [↩]
4. La entrada 03 “La química se apunta a lo bio”. [↩]
5. Se trata de la entrada 05 “La casa natal de la Vida” con la que podéis enlazar aquí. [↩]

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