Cómo los sistemas hidrotermales oceánicos permitieron la primera vida en la Tierra

Nuestro planeta es único en su capacidad de sustentar vida abundante. Basándose en estudios de rocas, los científicos creen que la vida en la Tierra apareció hace al menos 3.500 millones de años, y posiblemente mucho antes.

Pero sigue siendo un misterio cómo se desarrolló un entorno habitable y cómo apareció la primera vida en la Tierra primitiva. Uno de los grandes retos para que la Tierra fuera habitable en su infancia fue la débil energía solar que recibía.

Los modelos astrofísicos muestran que el Sol tenía sólo alrededor del 70 por ciento de su brillo actual cuando nació la Tierra hace unos 4.500 millones de años. Esto llevaría a la congelación de la superficie de la Tierra hasta hace unos dos mil millones de años.

Sin embargo, la investigación científica muestra que la Tierra tenía océanos y un medio ambiente cálidos ya hace 4.400 millones de años. Esta contradicción se conoce como la paradoja del débil sol joven.

Resolver esta paradoja y crear la primera vida implicó un compuesto químico clave: el amoníaco. Pero aún se desconoce la fuente de amoníaco en la Tierra primitiva antes de que surgiera el procesamiento biológico del nitrógeno.

Colegas en China y mi grupo de investigación en la Universidad de Alberta publicaron recientemente nuestro estudio de minerales depositados a partir de fluidos hidrotermales en la corteza oceánica perforados en la cuenca del Mar de China Meridional. Descubrimos que las reacciones químicas catalizadas por minerales en sistemas hidrotermales submarinos pueden producir los ingredientes necesarios para un mundo habitable y vida en la Tierra.

Hipótesis sobre el origen de la vida.

Explicación de los respiraderos hidrotermales (Institución Oceanográfica Woods Hole)

Se supone que la primera vida en la Tierra surgió mediante una serie de procesos abióticos, también conocidos como abiogénesis. Según esta hipótesis, los componentes básicos de la primera vida se sintetizaron en la Tierra a partir de compuestos inorgánicos básicos mediante reacciones abióticas o fueron traídos aquí por meteoritos.

En 1953, el químico estadounidense Stanley Miller, entonces estudiante de posgrado que trabajaba con el ganador del Premio Nobel Harold Urey en la Universidad de Chicago, descubrió la producción de aminoácidos en sus experimentos que simulaban rayos en la atmósfera de la Tierra primitiva, compuestos de humedad de agua y varios gases (metano, amoníaco e hidrógeno molecular).

Estos componentes básicos de la vida podrían posteriormente depositarse en el océano para que se desarrolle la vida. Este revolucionario descubrimiento de Miller implica que la abiogénesis de la vida en la Tierra es posible.

Gases como el metano, el amoníaco y el hidrógeno no sólo eran compuestos esenciales para la síntesis de materia orgánica en los experimentos de Miller. También son ingredientes clave para establecer el medio ambiente en la Tierra primitiva.

Todos ellos han sido propuestos como contribuyentes potenciales, ya sea directamente como gases de efecto invernadero o indirectamente como potenciadores de otros gases de efecto invernadero, al calentamiento de la superficie de la Tierra primitiva bajo el débil y joven sol.

¿De dónde vinieron estos gases?

El problema, sin embargo, es que estos gases no eran en absoluto componentes primarios de la superficie de la Tierra primitiva. En cambio, las formas dominantes de carbono y nitrógeno fueron el dióxido de carbono y el dinitrógeno.

Esto significa que el primer paso para hacer la Tierra habitable y crear la primera vida debe haber sido una reacción inorgánica para convertir el dióxido de carbono en metano y el dinitrógeno en amoníaco, también conocidas como reacciones abióticas de reducción de carbono y nitrógeno.

¿Dónde y cómo tuvieron lugar estas reacciones de reducción?

El fondo oceánico del mundo contiene una gran cantidad de sistemas hidrotermales donde el agua de mar fría fluye hacia la corteza oceánica profunda y luego se mezcla con fluidos magmáticos ascendentes. Los fluidos calientes mezclados se emiten a través de respiraderos hidrotermales, como los fumadores negros o los fumadores blancos.

En esta vía, el agua y los componentes disueltos pueden reaccionar con minerales primarios en la corteza oceánica para producir minerales secundarios y otros subproductos. El metano y el hidrógeno dihidrógeno, formados por reacciones de reducción abiótica catalizadas por minerales durante este proceso, se han observado ampliamente en los fluidos hidrotermales emitidos.

Por lo tanto, los sistemas hidrotermales submarinos se consideran la incubadora más probable del medio ambiente y del origen de la vida.

Una breve descripción del papel de los respiraderos hidrotermales en la vida que comenzó en la Tierra (TED-Ed) Buscando evidencia

Sin embargo, todavía falta una pieza en este panorama: no se ha confirmado que ocurra la reducción abiótica del dinitrógeno en los sistemas hidrotermales. Los científicos han estado buscando persistentemente pruebas de esta reacción, el amoníaco abiótico, pero hasta ahora no han tenido suerte.

Se ha demostrado que el amoníaco (principalmente en su forma disuelta, ion amonio) detectado en fluidos hidrotermales recolectados de respiraderos activos es principalmente de origen biológico más que abiótico.

La cantidad relativamente pequeña de amonio abiótico que puede existir puede quedar fácilmente enmascarada por la gran cantidad de amonio biológico en el agua de mar. Es imposible evitar la contaminación del agua de mar al recolectar muestras de fluidos hidrotermales submarinos.

Sin embargo, los minerales secundarios depositados a partir de fluidos hidrotermales pueden encerrar parte del amonio en sus estructuras internas y protegerlo de la contaminación por agua de mar poco profunda y de la mezcla con amonio biológico. Por tanto, el estudio de minerales secundarios en la corteza oceánica profunda puede revelar mejor la fuente de amonio y el mecanismo de producción en los sistemas hidrotermales profundos.

Sin embargo, estas muestras no son fáciles de recolectar. El Programa Internacional de Descubrimiento de Océanos ha realizado enormes esfuerzos para perforar profundamente en la corteza del océano para recolectar muestras. Afortunadamente, se descubrió un conjunto de muestras de minerales secundarios en un núcleo de perforación de 200 metros del Mar de China Meridional.

Falta una pieza del rompecabezas

Para nuestro estudio, investigamos características químicas específicas, concretamente isótopos de nitrógeno, del amonio encerrado en minerales hidrotermales.

El nitrógeno tiene dos isótopos con masas atómicas 14 y 15, respectivamente. La reducción abiótica de nitrógeno catalizada por minerales prefiere fuertemente usar uno con una masa atómica de 14. Esto da como resultado una firma isotópica de nitrógeno única en el amonio que produce.

Nuestros resultados son consistentes con esta firma isotópica. Esto demuestra la producción de amoniaco o amonio por reducción abiótica de nitrógeno en sistemas hidrotermales submarinos.

Este descubrimiento añade una pieza faltante del rompecabezas a nuestras teorías sobre el origen de la vida en la Tierra. Estos sistemas hidrotermales submarinos en el fondo del océano permitieron las primeras reacciones de todos los elementos que componen la vida en nuestro planeta.