NeoFronteras

¿Cómo era LUCA?

Área: Biología,Genética — Miércoles, 27 de Julio de 2016

Según un análisis genético LUCA era un ser extremófilo amante del calor que se alimentaba de hidrógeno gaseoso alrededor de chimeneas hidrotermales.

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Chimenea hidrotermal actual. Foto: NOAA.

El problema del pasado es que ya ha pasado, ya no está aquí. Incluso este mismo instante que usa el lector al leer esta frase dejará de ser presente para pasar a ser pasado en una fracción de segundo.

Lo malo es que, como no tenemos máquina del tiempo ni nunca la tendremos, no es nada fácil saber sobre el pasado que no hemos vivido. Básicamente por que este nos es inaccesible.

Por esta razón es tan difícil saber sobre cómo surgió la vida en la Tierra o cómo eran esas formas de vida primigenia. Generalmente no tenemos fósiles que nos guíen. Aunque, a veces, sí hemos inventado nombres para esas formas de vida. Así por ejemplo, tenemos a LUCA (last universal common ancestor) o último antepasado común universal (al que por aquí se denominó PACU, con P de ‘primer’).

Se supone que LUCA está en la base o raíz del árbol filogenético que comprende toda la vida en la Tierra. Pero no sabemos como era. Se ha hipotetizado que quizás LUCA surgió del calor de las fuentes hidrotermales o, todo lo contrario, del frío, entre otras varias otras propuestas, incluida la charca de Darwin. Aportar pruebas a estas u otras hipótesis no es fácil. También se cree que LUCA quizás no fue un único tipo de organismo, sino toda una comunidad de organismos diferentes.

Los seres pluricelulares son eucariotas, es decir, compuestos por células con núcleo diferenciado. Pero en el pasado sólo había células procariotas, que son más sencillas. Las bacterias y arqueas son procariotas. Así que LUCA debía ser procariota. También se cree que LUCA debía de almacenar la información genética en ADN, pero es difícil saber mucho más.

Pese a todo, tenemos una suerte inmensa. Vivimos en el tiempo privilegiado en el podemos extraer información del entorno vivo y, a la vez, todavía no nos ha dado tiempo a destruir ese entorno por completo (cosa que ocurrirá pronto). Ahora, la tecnología genética nos permite leer en esos ‘libros’ que son los genomas de las distintas especies de seres vivos. Uno tras otro vamos acumulando libros leídos de este tipo y vamos formando una gran biblioteca.

Los biólogos pueden ahora adentrarse en el pasado de un modo similar a como hacen los historiadores, pero contando con información objetiva y el método científico.

Los genes van cambiando y mutando, pero si tenemos muchos genomas podemos comparar unos con otros y retrotraernos en el pasado de las especies, familias, órdenes, clases, filos, reinos y dominios. De este modo pasamos de una rama a otra más gruesa del árbol filogenético global. Pero, ya puestos, ¿por qué no retraernos hasta LUCA? Esto es precisamente lo que ha hecho un grupo de investigadores recientemente.

Para ello William Martin (Universidad Heinrich Heine en Dusseldorf) y sus colaboradores han comparado los genomas de casi 2000 especies de microorganismos modernos (1800 bacterias y 130 arqueas). Según sus resultados, LUCA era un ser extremófilo amante del calor que se alimentaba de hidrógeno gaseoso en un mundo carente de oxígeno libre. Posiblemente esas condiciones se daban en las fuentes hidrotermales de entonces, que, además, debían de ser más abundantes hace 3800 millones de años que ahora.

En la actualidad se pueden encontrar dichas fuentes cerca de las dorsales oceánicas. Estas fuentes o chimeneas hidrotermales emiten agua a alta temperatura rica en hidrógeno, dióxido de carbono y minerales (ver foto de cabecera).

La tarea no ha sido sencilla, pues las bacterias no sólo transfieren genes a la descendencia por transferencia vertical, sino que además pueden realizar transferencia genética horizontal a coetáneos que no sean su descendencia. Esto emborrona la línea filogenética que se desea averiguar. Para solucionar este problema estos investigadores han desarrollado una técnica que identifica los genes heredados directamente por transferencia vertical.

Analizando los resultados obtenidos han conseguido identificar 355 familias de genes que están ampliamente distribuidas por todos los organismos modernos, lo que significaría que son candidatas a formar parte del genoma de LUCA, ya que si bajamos por todas la ramas del árbol filogenético llegamos abajo, al tronco, en donde estaría LUCA. En estudios previos se había logrado identificar de un modo similar sólo unos 100 genes de LUCA.

Estas familias de genes no están distribuidas al azar a lo largo de cada uno de los genomas de lo seres vivos actuales, sino que están relacionados con aspectos específicos, como el metabolismo. En concreto con la respiración anaerobia entre otras cosas. Así que LUCA vivía hace unos 3800 millones de años en un ambiente que carecía de oxígeno libre. Esto es obvio, ya que el oxígeno libre es emitido por la fotosíntesis de los seres vivos y LUCA, por definición, sería también el antepasado de los seres fotosintéticos. No podía haber oxígeno libre en esa época.

Además, según este análisis, LUCA debía ser un termófilo, que vivía en aguas a alta temperatura y se alimentaba de hidrógeno gaseoso que sería producido de forma geológica, por ejemplo gracias a las fuentes hidrotermales cercanas a los volcanes submarinos. LUCA dependería en último término de las reacciones abióticas de las chimeneas hidrotermales para poder vivir.

El estilo de vida de LUCA es similar a la de dos grupos modernos: clostridium, y metanógenas. El primero está compuesto por bacterias anaerobias y el segundo por arqueas que viven del hidrógeno. Así que, aunque LUCA haya desaparecido, todavía quedan descendientes cercanos suyos.

También se han hallado genes dentro de esas familias relacionados con la lectura del código genético, como es lógico. Pero también alguna sorpresa interesante. La vida actual usa bombas de iones que mantienen un gradiente electroquímico que permite la síntesis de ATP, que es la “moneda” de energía de la célula. Sin embargo, parece que LUCA carecía de esta capacidad, por lo que tuvo que usar un gradiente externo preexistente para sintetizar ATP.

Esto encaja con la idea que se había propuesto en el pasado sobre que la primera forma de vida obtenía la energía al aprovecharse del gradiente que había entre al agua marina y el agua que salía de la chimenea. Luego, la habilidad de crear un gradiente propio aparecería por evolución y la vida pudo desligarse de estas fuentes hidrotermales. Se cree que esto se pudo dar en dos ocasiones, una vez con las bacterias y otra con las arqueas. Estos dos taxones evolucionarían por separado según las condiciones del planeta cambiaban, mientras que LUCA desaparecería más tarde al no ser ya posible su estilo de vida en un ambiente ya muy distinto.

También parece que LUCA tendría el gen que codifica la proteína que permite intercambiar iones sodio e hidrógeno a lo largo de ese gradiente. En el pasado se ha propuesto que esta proteína sería crucial a la hora de explotar el gradiente natural externo presente en las chimeneas hidrotermales.

Paradójicamente, según los resultados del grupo de Martin, LUCA carecería de los genes encargados de sintetizar aminoácidos (los bloques que forman las proteínas). Si esto es cierto entonces este ancestro dependería de los aminoácidos sintetizados de forma espontánea por el entorno de estas chimeneas, algo no imposible, pero difícil.

Pese a todas las ventajas que conlleva este tipo de técnicas de estudio, ya sabemos que es complicado asegurar qué genes de los identificados son realmente tan antiguos o si sólo lo aparentan al haberse intercambiado entre bacterias y arqueas por transferencia horizontal. Para ello se ha usado el proceso de descarte mencionado antes y así poder eliminar de la lista aquellos que provengan de la transferencia horizontal al quedarnos sólo con los que sabemos seguro que se han transferido entre padres e hijos por transferencia vertical. Pero este método de selección puede haber eliminado genes de la lista que quizás sí estuvieran presentes en LUCA, como, por ejemplo, los genes que sintetizan aminoácidos.

Según estos resultados, la idea de que la vida surgió en las chimeneas hidrotermales gana puntos, ya que, entre otras cosas, aporta un escenario que explica características clave de la vida terrestre. Aunque, obviamente, nunca estaremos seguros de ello al 100%.

Si esta idea es finalmente correcta entonces es posible que haya más probabilidades de que pueda haber surgido la vida en los mares interiores de Europa o Encelado, si es que allí hay fuentes hidrotermales. La actividad de lo que se puede llamar géiseres parece favorecer esta posibilidad. Si hubiese allí vida, ¿cómo sería de diferente a la de nuestro LUCA?

Aunque el estudio ha recibido mucho apoyo de la comunidad académica, no todo el mundo está de acuerdo con la propuesta de que LUCA se originó en las chimeneas hidrotermales. Así por ejemplo, John Sutherland (University of Cambridge) sugiere que la vida comenzaría en charcas de tierra firme y no en el fondo del océano. Esta habría emigrado al fondo oceánico y comenzado a vivir de las chimeneas hidrotermales al darse el Bombardeo Intenso Tardío.

Este evento lanzó a la Tierra (y a otros cuerpos) planetesimales entre hace 4000 y 3800 millones de años debido, se cree, a un reajuste orbital de Júpiter y Saturno. Podemos ver las pruebas en forma de cráteres en la Luna y otros cuerpos del Sistema Solar.

Según él, la química muestra que la vida se originó en charcas de agua en tierra firme (tal y como propuso Darwin en su día) bajo la acción de los rayos ultravioletas del Sol y estos rayos no pueden penetrar en el mar tan profundamente como para alcanzar su fondo.

Obviamente se necesitará investigar más sobre este asunto de LUCA hasta tener un mejor retrato robot de él.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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14 Comentarios

  1. Pocosé:

    Hola a todos.
    El tema es apasionante, pero no aclara mucho sobre los preLUCA, que imagino debieron ser muchos, muy variados y sujetos a selección igual que LUCA/S y toda/s su/s descendencia/s.
    Siempre me he inclinado por las charcas intermareales por sus cambiantes condiciones, día/noche, marea alta/baja, aportes marino/terrestres, y alguna que otra más, que las dota de muy asiduos y diversos gradientes: de temperatura, de radiación, de salinidad, de dispersión y concentración de nutrientes, etc, etc. Y si a estas añadimos la proximidad de géiseres, hasta lo de extremófilos cuadra.
    ¡Ya iremos viendo!
    Abrazos y o saludos para todos.

  2. Gerardo:

    Pocosé: ¿pre-LUCA? por definicion LUCA no tuvo ningún “pre”, antes de LUCA lo que habia (creo yo) serian “sopas de aminoacidos”.

    Neo evitó (sabiamente) que algunos de nosotros recordaramos el chiste de PACU

  3. Miguel Ángel:

    No lo creas, Gerardo, entre la sopa de aminoácidos y LUCA tuvo que haber muchísimos pasos. En la noticia describen a LUCA como un organismo con ADN, y con el gen que codifica la proteína de la bomba Na+/H+: si no estoy equivocado, eso implica que también tenía ribosomas. Tampoco lo mencionan en la noticia, pero por pequeño que fuese su genoma, para un procariota muy simple sería del orden de cientos de miles de pares de bases que, como comprenderás, no se acoplan en un solo paso a partir de una sopa de aminoácidos.

    Querido amigo Pocose!!!:

    Qué gusto volver a leerte. Sobre lo que comentas, poco tengo que aportar porque no tengo nada claro si fue en la charca o en la fumarola: en ambas encontramos gradientes adecuados para la biotermodinamica.

    Ah!…y un millón de abrazos.

  4. Tomás:

    Se ve que Gerardo lee muy deprisa. Paqú perder el tiempo.

  5. JavierL:

    Estimado Miguel Ángel estoy completamente de acuerdo con aquello de que entre la sopa de aminoácidos y luca debieron existir innumerables pasos.

    Creo que no pudo formarse un adn de la nada. Especulando un poco creo que Primero debió existir vida sin adn, alguna forma que usaba energía para reproducirse de la forma más tosca y primitiva posible. Quizás se pudo formar algún método de reproducción que permitiera acumular algunas mejoras. Y probablemente después formarse el arn y por último, luego de un tiempo, el adn.

  6. Miguel Ángel:

    Muy querido “JavierL”:

    También es probable que el punto de partida fuese el propio ARN: existen ARN molecularmente muy pequeños con capacidad enzimática autocatalítica, lo que les dota de capacidad de autorreplicarse de forma indefinida y digamos que sin gastar energía:
    https://es.wikipedia.org/wiki/Ribozima

    A partir de ahí, la formación de la membrana exterior es perfectamente posible porque tenemos ejemplos de bicapas lipídicas que se forman espontáneamente en la Naturaleza. Tampoco ofrecen mayor problema estructuras como los lisosomas. Y los sistemas energéticos podrían ser del tipo de los que se proponen para LUCA.
    Pero sobre lo que no tenemos ni asomo de explicación es sobre cómo aparecerían los ribosomas, necesarios para que el organismo sea capaz de sintetizar proteínas.

  7. Miguel Ángel:

    …y un fuerte abrazo, por supuesto.

  8. JavierL:

    Muchas gracias Miguel Ángel, seguí revisando el tema y me encontré con estos dos enlaces muy interesantes sobre la vida inicial basada en arn https://es.m.wikipedia.org/wiki/Hip%C3%B3tesis_del_mundo_de_ARN y sobre el mundo pre-ARN https://es.m.wikipedia.org/wiki/Hipótesis_del_mundo_de_HAP

    Son hipótesis muy interesantes.

    Quizas fue un proceso que llevó a la formación del ARN “funcional” de las primeras formas de vida en muchos millones de años y nos sea muy difícil replicarlo en laboratorio.. Pero de este artículo podemos notar que el atepasado común en ADN tuvo que tener ya mucha información que trasmitir y por lo tanto ese mundo ARN tenía que haber evolucionado mucho (dentro de lo que él mismo ARN permite)

    Un fuerte abrazo igualmente

  9. Miguel Ángel:

    Querido amigo “JavierL”:

    Hace unos días, charlando en privado con Tomás, estuvimos hablando de lo mucho y bueno de tus aportaciones. Además, con esa curiosidad no centrada en una materia concreta, sino con una especie de vocación holística que valoro mucho. Seguro que te gustará saberlo.

    Esas dos hipótesis son punteras. La HAL viene a dar una explicación a cómo pudo edificarse una estructura molecular que proporcionase estabilidad a las bases nitrogenadas. Y todo empezando de un modo simple, por el orden que provoca la polaridad.

    Abrazos

  10. Tomás:

    Querido JavierL: Corroboro lo que dice Miguel Ángel, solo que dice al final de su primer párrafo: “… que valoro mucho…”. Corrijo, porque él lo sabe: “… que valoramos mucho…”.
    Un fuerte abrazo.

  11. JavierL:

    Amigos muchas gracias por sus comentarios, me agrada saber que he aportado.

    Toda mi vida he sido muy curioso y amante de la ciencia… he sido lector asiduo de neofronteras desde hace años, a mi parecer la mejor de su tipo… solo que no me daba tiempo de comentar con frecuencia por el mismo trajín de la vida. En su momento le dije a tomas que no me gustaba comentar si sentía que no aportaba nada.

    Ahora comento con mucha mayor frecuencia por las 8 horas de cola para comprar “algo” de comida desde las 3 de la madrugada, me permite investigar e informarme para intentar aportar al tema y ha sido una mejor forma de usar ese tiempo que repetir hasta el cansancio con los demás de la cola lo horrible que está el país.

    Les cuento que mañana me mudo a Colombia y pasaré algo de tiempo desconectado mientras me organizo.

  12. Tomás:

    Pues que te vaya bonito, querido amigo JavierL, pero quizá, cuando esto leas, ya habrá pasado ese tiempo necesario para organizarte allí. Ya me dirás en qué ciudad estás.
    Abrazos.

  13. Tomás:

    Querido Pocosé:
    “Nunca es tarde si la dicha es buena”, que dice un refrán. Por eso me atrevo -tarde- a saludarte tan efusivamente como imaginar puedas. “Me encanta llamarte “Pocosé y yo menos” por la cosa de competir en algo en lo que tenga yo alguna posibilidad. Miguel Ángel ha sido mucho más rápido, como suele suceder.
    Un fortísimo abrazo, querido amigo. ¡Y a ver si te prodigas, que se te echa de menos!

  14. Tomás:

    De pronto me doy cuenta de que esto se acaba; que esta noticia se cierra y apenas habrá tiempo de que alguien me conteste, Así que quiero defender a mi PACU. Si estos ingleses que pugnan aún por rehuir el sistema decimal, que lo usan a regañadientes, que conducen por la izquierda -realmente no es eso sino que en su afán de hacerlo todo al revés, tienen el lado izquierdo donde debiera estar el derecho-, etc., le hubieran llamado FUCA -por first- yo no tendría nada que decir, pero tal como lo han hecho…, pues que no me convence, porque los últimos somos todos los seres que habitamos el mundo y aquel o aquellos LUCA, fueron los primeros y no los últimos. Así que no era un chiste lo que yo dije, aunque no recuerdo si lo expresé en alguna forma que diese pie a que se tomase así.
    De todas formas, aunque casi todo lo hagan al revés, les reconozco innumerables y eminentes méritos; casi inigualables.
    Y al amigo Gerardo, decirle que lea con detenimiento y enviarle un abrazo de comprensión.

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