Las primeras células pudieron evolucionar en lagos de soda

Los lagos de soda, también conocidos como lagos alcalinos por su alta concentración de carbonatos de sodio y otros minerales alcalinos, podrían ofrecer las condiciones biológicas para el desarrollo de las primeras células, afirma un nuevo estudio.

Por Enrique Coperías

El lago Last Chance en la Columbia Británica (Canadá) es un análogo moderno de los primitivos lagos de soda que pudieron haber favorecido la aparición de células en la Tierra primitiva. El lago Last Chance se distingue por tener las concentraciones más elevadas de fosfato de cualquier cuerpo de agua natural conocido en nuestro planeta. Foto: Zachary R. Cohen

Los lagos de soda, también conocidos como lagos alcalinos, son masas de agua que tienen una alta concentración de carbonatos de sodio y otros minerales alcalinos. Estos lagos son típicamente muy básicos, con un pH que puede ser superior a 9, lo que significa que son opuestos a las masas de agua ácidas. La alcalinidad extrema se debe a la evaporación del agua que deja atrás minerales ricos en sodio y otros compuestos alcalinos.

Estos lagos son ambientes únicos y pueden soportar formas de vida que se han adaptado a condiciones extremas, e incluyen ciertas algas, bacterias y algunos tipos de microorganismos extremófilos, capaces de vivir en condiciones extremas. En algunos casos, estos ecosistemas únicos también atraen a grandes poblaciones de flamencos y otras aves acuáticas que se alimentan de las criaturas que viven en el lago.

Un ejemplo famoso de un lago de soda es el lago Natron en Tanzania, conocido por sus aguas ricas en minerales y su capacidad para petrificar a los animales que mueren en él. Otros ejemplos incluyen el lago Magadi, en Kenia; el lago Mono de California (EE. UU.) y el lago Last Chance, en la Columbia Británica (Canadá). Estos lagos tienen una importancia ecológica significativa y ofrecen oportunidades únicas para el estudio de la biología extremófila y los procesos geoquímicos.

¿Las primeras células pudieron surgir y prosperar en lagos de aguas alcalinas?

¿Las primeras células pudieron nacer en este tipo de aguas alcalinas? Las células primigenias podrían estar compuestas de ARN encerrado en membranas lipídicas. Pero la función del ARN requiere cationes divalentes como el Mg2+, que alteran las membranas primitivas formadas por ácidos grasos. La cuestión que se plantea es si las concentraciones relativamente bajas de Mg2+ que se encuentran en los lagos de soda pueden haber permitido que tanto el ARN como las membranas funcionaran juntos.

Para explorar esta posibilidad, Zachary Cohen, del Departamento de Química y del Programa de Astrobiología, en Universidad de Washington en Seattle (EE. UU.) y sus colegas tomaron muestras de las agua de los lagos Last Chance y Goodenough de Canadá después de la evaporación estacional. Cada uno de estos lagos de soda contenía ~1 M Na+ y ~1 mM Mg2+ a pH 10.

Los autores del trabajo, que aparece publicado en la revista PNAS Nexus, encontraron que la extensión espontánea de ARN cebadores —fragmentos cortos de ácido ribonicleico que proporciona el punto de inicio para la DNA polimerasa, la enzima encargada de copiar el DNA—  ocurría en el agua del lago alcalino a una velocidad comparable a la de las condiciones de laboratorio estándar.

Una lluvia de vida.

Cohen y su equipo agregaron al agua del lago ácidos grasos, biomoléculas de naturaleza lipídica que podrían haber estado disponibles en la Tierra primitiva, para de este modo ver si las moléculas se ensamblarían formando membranas. Estas se generaron en agua diluida que simulaba un evento de lluvia, y las membranas persistieron incluso cuando flotaban en muestras de agua procedente de lagos alcalino durante la estación seca.

Según los autores, los lagos de soda en la Tierra primitiva podrían haber sustentado características clave que podían favorece el desarrollo de protocélulas, con la copia de ARN y la actividad de las ribozimas en la estación seca, y la formación de vesículas durante la estación húmeda.

Recordemos que una protecélula o protobionte es una estructura prebiótica considerada por los biólogos como un precursor de las células vivas. En la teoría sobre el origen de la vida, los protobiontes representarían un paso intermedio entre la materia no viva y los primeros organismos vivos unicelulares.

Ilustración artística de un protobionte o protocélas generada con DALL-E

Los protobiontes no son células en el sentido estricto, ya que carecen de muchas de las características complejas asociadas con la vida celular, como el ADN y las estructuras celulares organizadas (orgánulos). Sin embargo, se piensa que tenían algunas propiedades básicas de la vida, como la capacidad para mantener una separación química del entorno mediante una membrana o una barrera similar. También la habilidad para llevar a cabo reacciones químicas simples que podrían haber sido cruciales para los procesos metabólicos tempranos.

Recrear en el laboratorio condiciones similares a las de la Tierra primitiva.

Existen varios modelos de cómo podrían haber sido los protobiontes, que incluyen las esferas lipídicas y los coacervados. Estas estructuras podrían formarse espontáneamente bajo ciertas condiciones a partir de moléculas orgánicas simples presentes en el ambiente prebiótico de la Tierra. Por ejemplo, las esferas lipídicas pueden formarse cuando los lípidos en el agua se organizan en membranas bicapa, que crean pequeñas vesículas. Los coacervados, por otro lado, son gotas que se forman a partir de la agregación de moléculas orgánicas poliméricas en el agua.

La importancia de los protobiontes en el estudio del origen de la vida radica en su potencial para demostrar cómo la materia inanimada podría haber dado el primer paso hacia estructuras cada vez más complejas y, eventualmente, hacia la vida tal como la conocemos.

La investigación en este campo sigue siendo altamente especulativa y experimental, e intenta recrear en el laboratorio condiciones similares a las de la Tierra primitiva para observar la formación de protobiontes y comprender mejor cómo pudo haber comenzado la vida.

• Información facilitada por la revista PNAS Nexus

• Fuente: Zachary R Cohen, Dian Ding, Lijun Zhou, Saurja DasGupta, Sebastian Haas, Kimberly P Sinclair, Zoe R Todd, Roy A Black, Jack W Szostak, David C Catling. Natural soda lakes provide compatible conditions for RNA and membrane function that could have enabled the origin of life. PNAS Nexus (2024). DOI: https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgae084