La teoría de Nick Lane sobre cómo evolucionaron las primeras células: Su principal argumento aquí es que la vida es continua con la geoquímica del planeta. Es decir, muchas de las principales características de las células (membranas, enzimas, energía a través de gradientes de protones) descienden de procesos espontáneos en la Tierra. Pero no se puede hacer que estas características evolucionen poco a poco en diferentes lugares. Necesita una ubicación que albergue todos los procesos que luego podrían dar lugar a la primera célula. Un contexto importante, por cierto, es que toda la vida desciende de un solo ancestro común: LUCA (último ancestro común universal). Bien, entonces, ¿qué entorno candidato podría dar lugar a LUCA? Necesita dos características principales: - Hay un flujo continuo de carbono y energía (en cierto sentido, toda la vida es un flujo de carbono y energía, pero se necesita algo de geoquímica para mantener este desequilibrio antes de que las primeras células puedan cooptarlo). - Algo que concentra y cataliza las reacciones que conducen a los compuestos orgánicos (también conocidos como equivalentes inorgánicos de células y enzimas). Esto descarta muchas teorías antiguas: un estanque cálido con amoníaco y sales y un rayo extraño no impulsa un flujo continuo, ni concentra los primeros compuestos orgánicos en un volumen similar a una célula para impulsar las reacciones. Nick cree que los respiraderos marinos alcalinos son una opción única para este desafío y también ayudan a explicar gran parte de la bioquímica contingente que toda la vida terminó usando debido a nuestra herencia compartida. Bien, profundicemos: y para contextualizar, básicamente Nick aquí está tratando de explicar cómo terminas con una versión temprana del ciclo de Krebs inverso espontáneamente. El ciclo de Krebs inverso absorbe H2 y CO2 y produce moléculas orgánicas que son los precursores de ácidos grasos, proteínas y azúcares. Otro contexto importante: toda la vida funciona con gradientes de protones. La quema de alimentos con oxígeno (u otros oxidantes en la respiración anaeróbica) bombea iones H+ a través de una membrana, como llenar una presa. Estos iones fluyen de regreso a través de la ATP sintasa, una turbina molecular, que aprovecha el flujo para unir fosfato al ADP, creando ATP. Su cuerpo contiene solo 60 gramos de ATP, pero el ciclo ATP → ADP →ATP es tan rápido que procesa su peso corporal en ATP diariamente. Nota al margen: si una solución es ácida, significa que contiene muchos iones H +. Y si es básico (también conocido como alcalino), significa que contiene muchos iones OH-. Bien, entonces, ¿qué estaba sucediendo en estos respiraderos hidrotermales alcalinos? Hay 3 lados en esta imagen: el interior del respiradero, la pared del respiradero y el lado del océano del respiradero. En el interior de la ventilación, tienes roca rica en hierro básicamente oxidada, que deja salir H2 y OH- en la corriente de agua que atraviesa (también conocido como hacer que el agua sea básica / alcalina). La pared está formada por minerales catalíticos como el FeS, y también tiene una tonelada de poros diminutos que conectan el interior con el exterior. Y el lado del océano tiene un montón de CO2 disuelto: la Tierra primitiva era básicamente un océano gigante, pero también tenía muchos volcanes que dejaban salir mucho CO2. Y los océanos también son bastante ácidos, porque el CO2 se convierte en ácido carbónico cuando se disuelve en agua. Dentro de los pequeños poros dentro de estos respiraderos, el H2 reacciona con el CO2 para formar compuestos orgánicos simples como el formaldehído (CH2O) y el metanol (CH3OH), instigados por el FeS en las paredes, que actúa como catalizador para esta reacción. Química correctiva: siéntase libre de omitir este párrafo, solo lo incluiré ya que me costó un poco volver a aprender la química de la escuela secundaria involucrada. Y fue bastante satisfactorio entenderlo. ¿Por qué necesitas que el lado H2 en el interior sea básico? ¿Y por qué necesitas que el lado del CO2 exterior sea ácido? Tengo entendido que en una solución alcalina, se favorece el H2 -> H+, ya que el OH- (que define la solución alcalina) realmente quiere reaccionar con H+ para hacer H2O. Pero ahora tienes algo de H+ intermedio por ahí para estar involucrado en otras reacciones. En el lado del océano, cuanto más ácida sea el agua, menos probable es que el CO2 marginal agregado se convierta en ácido carbónico (ya que ya hay mucho por ahí) y, en cambio, esté disponible para reaccionar. Ahora que tiene estos primeros compuestos orgánicos acumulándose dentro de estos pequeños poros, puede iniciar este ciclo de retroalimentación positiva en el que estos primeros compuestos orgánicos actúan como precursores o enzimas para producir más y más moléculas que usa la vida. Construyes aminoácidos (que se convierten en enzimas para otras reacciones), ácidos grasos (que forman membranas espontáneamente porque tienen cabezas hidrofóbicas y colas hidrofílicas), azúcares y péptidos, y eventualmente ADN y ARN. Claude ilustra: El hecho de que esta proto célula temprana no tenga que generar gradientes de protones por sí misma, y pueda simplemente aprovechar el desequilibrio geoquímico, es una gran bendición: "Los metanógenos gastan prácticamente el 98% de su presupuesto energético en generar gradientes de protones por metanogénesis, y poco más del 2% en producir nueva materia orgánica. Con gradientes de protones naturales y membranas con fugas, no se necesita nada de ese gasto excesivo de energía. La potencia disponible es exactamente la misma, pero los gastos generales se reducen al menos 40 veces, una ventaja muy sustancial". Además del gradiente H+, que existe espontáneamente en estos respiraderos, algunas protocélulas también comenzaron a extruir iones Na+. Y dado que no hay un gradiente natural para estos, esto crea un incentivo para desarrollar membranas no porosas (y para que las proteínas en esa membrana bombeen protones). Una vez que desarrolle una membrana de este tipo, puede salir de esta cavidad de la pared y flotar como una célula real. ¿Es la implicación de que la herencia solo se inició en este punto? Porque de antemano, supongo que tienes selección entre los poros, pero no tienes forma de transmitir rasgos. Esta acumulación de compuestos orgánicos y metabolismo ocurre de forma independiente en todos los poros. Sin embargo, ya tenías ADN y ARN en este punto. Entonces, ¿qué hacía esta información genética antes de la herencia? Supongo que solo organizar la información para facilitar la acumulación de más orgánicos. ¿Implica esto que había millones de protocélulas sin linaje compartido entre ellas, cada una desarrollando sus propias versiones únicas de toda la bioquímica básica de la vida? LUCA resultó ser uno que tenía ADN, ARN y ATP sintasa, pero los 3 podrían haber sido muy diferentes según qué proto células salieron primero del rincón. Sin embargo, el hecho de que estos tres bloques de construcción se consideren en toda la vida sugiere que están excepcionalmente bien diseñados. O tal vez significa que la evolución no puede mejorar efectivamente sus cimientos. De la misma manera que backprop puede encontrar la mejor red para mapear una función, pero no puede volver a cablear la GPU en la que la está entrenando al mismo tiempo. De todos modos, una vez que tiene esta protocélula, puede "infectar" sistemas de ventilación contiguos en todo el fondo del océano. Bioquímica contingente explicada por esta teoría: - Por qué toda la vida funciona con gradientes de protones - Por qué todas las vías de fijación de carbono, ya sea en bacterias, arqueas o eucariotas, utilizan acetil-CoA como punto de entrada. Se forma espontáneamente en estos respiraderos cuando es catalizado por el FeS en las paredes. Y básicamente toda la vida todavía usa esta molécula para almacenar energía y construir otras moléculas. - Por qué muchas de las enzimas involucradas en el metabolismo energético (y el ciclo de Krebs específicamente) todavía usan minerales FeS como columna vertebral - Por qué las arqueas y las bacterias (los dos reinos diferentes de eucariotas) se separaron - aparentemente tiene algo que ver con la forma en que crean gradientes de protones, pero honestamente la bioquímica relevante pasó por encima de mi cabeza. Aunque se supone que esta bifurcación explica por qué toda la vida comparte ADN, ARN y ATP sintasa, pero nada más: ni la membrana celular, ni las enzimas de replicación del ADN, ni las bombas para la excreción. Aparentemente, todas estas cosas estaban implicadas en la elección diferente que hicieron las arqueas y las bacterias durante este evento de bifurcación. Preguntas para Nick: - Supongo que esta teoría es incompatible con la panspermia, ¿verdad? - ¿Esta teoría de los respiraderos alcalinos sugiere que la vida podría ser muy rara o muy abundante en el universo? En cierto sentido, sugiere que debería ser raro. Es solo un tipo muy específico de ventilación hidrotermal con el gradiente de pH y el tamaño de poro y la durabilidad adecuados. Pero en otro sentido, es solo un maldito desahogo aleatorio. En teoría, podría haber miles de estructuras geológicas similares en todo el universo que también podrían impulsar el flujo de carbono y energía a través de pequeñas membranas. - ¿No es súper complicada la ATP sintasa? ¿Cómo es que las primeras protocélulas tenían ATP sintasa pero casi nada más tan complejo? - ¿Cómo se acumuló toda esta complejidad antes de la evolución con la herencia? ¿Todos estos poros están construyendo de forma independiente su propio microcosmos de compuestos orgánicos únicos? Supongo que es posible que estos primeros bloques de construcción estén flotando de agujero en agujero sin una membrana completamente formada. ¿El ADN más las enzimas flotan de un poro a otro y desencadenan más reacciones? ¿Nick Lane cree que esto es probable? Si no es así, ¿sugiere que había muchas otras alternativas igualmente viables para los bloques de construcción una vez que LUCA pudo irrumpir? Gracias a mis compañeros miembros del club de lectura por discusiones muy útiles y divertidas: @vinayramasesh, @shae_mcl, @coen_armstrong, @Oskarlso, @_sholtodouglas

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