Es la pregunta más intrigante a la que se enfrenta la humanidad: ¿Cuáles son los orígenes de la vida? Pero abordar esta cuestión está metiendo a Michael Gonsior en problemas.
Gonsior es profesor asociado titular de biogeoquímica en el Centro de Ciencias Ambientales de la Universidad de Maryland. Estudia materiales orgánicos disueltos (DOM) de un entorno que los científicos creen que replica muchas de las condiciones de la antigua Tierra: las majestuosas aguas termales del Parque Nacional Yellowstone de Wyoming.
Ese DOM de esos manantiales podría contener pistas sobre qué tipos de materia orgánica pueden existir en ambientes profundos bajo tierra, donde el magma y las altas presiones elevan la temperatura del agua hasta unos 350 grados Celsius. Se cree que los entornos extremos de las aguas termales son las ventanas aún existentes más cercanas a condiciones que podrían haber existido durante la Tierra primitiva.
Aguas termales en el Parque Nacional de Yellowstone
Yellowstone alberga cientos de aguas termales. Muchos terminan a nivel del suelo, por lo que la escorrentía superficial y la posible intrusión de agua subterránea añaden un DOM moderno que contamina posibles firmas antiguas del DOM. Pero otros, llamados resortes cónicos, sobresalen del suelo y transportan muestras menos contaminadas de materiales desde muy bajo la superficie.
Michael Gonsior, Ph.D.
El DOM (YDOM) de Yellowstone, que emana de las aguas termales, es único y muestra una quimiodiversidad inigualable, un término que se usa en analogía con la biodiversidad pero describe la complejidad química de las moléculas orgánicas.
Las aguas termales se clasifican en cuatro tipos principales: alcalino-cloruro, alcalino-cloruro mixto, ácido-cloruro-sulfato y travertino-precipitante. La espectroscopía de fluorescencia, utilizada junto con otros métodos, muestra claramente, a través de firmas moleculares de matriz de emisión de excitación (EEM), características únicas en los manantiales de Yellowstone. De hecho, la espectrometría de masas de ultra alta resolución confirmó que YDOM contiene miles de fórmulas moleculares únicas de las aguas termales de Yellowstone.
"Hay algunos manantiales, y específicamente aquellos que acceden más directamente a la fuente hidrotermal, que son los claros cloruro alcalino o manantiales alcalinos, que tienen una fluorescencia única de bajas longitudes de onda, lo cual es bastante sorprendente", dijo Gonsior. "Y aún no sabemos cuáles son esos compuestos que están formando estas señales de fluorescencia. Sigue siendo un misterio por el momento."
Entre las aguas termales se encuentran los célebres géiseres del parque. Estos también contienen líquidos calentados hidrotermalmente, pero viajan por caminos restringidos hacia la superficie, provocando que ocasionalmente entren en erupción y liberen presión acumulada. El parque es una anomalía geológica. Yellowstone alberga el 60 por ciento de los géiseres y aguas termales del mundo, incluido su géiser más conocido, Old Faithful.
Erupción del géiser Old Faithful en el Parque Nacional de Yellowstone
El osígeno está ausente en lo profundo del acuífero o en el sistema de aguas termales. Eso, junto con el calor y la presión, crea lo que los científicos llaman entornos reducidos.
"Si no tienes oxígeno ahí, entonces puedes mantener los orgánicos, que de otro modo se oxidarían bastante rápido", dijo. "Por eso (los manantiales) se han utilizado como análogo de la Tierra primitiva o de la Tierra hadiana, antes de que existiera osígeno en el planeta."
La Tierra hadeana comenzó con la formación de la Tierra hace unos 4.600 millones de años y terminó hace 4.000 millones de años, según la Comisión Internacional de Estratigrafía.
El equipo de Gonsior caracteriza los YDOMs de Yellowstone utilizando fluorescencia electromagnética, resonancia magnética nuclear y espectros de masas de ultraalta resolución.
Gonsior mide los EEM con el espectrofluorómetro Aqualog® de HORIBA, que utiliza espectroscopía de tecnología A-TEEM propietaria (matriz de emisión de excitación de fluorescencia absorbancia-transmitancia). La técnica mide simultáneamente tanto espectros de absorbancia como EEMs de fluorescencia, que se adquieren 100 veces más rápido que otros instrumentos, permitiendo analizar más muestras en un periodo de tiempo más corto.
Los investigadores obtuvieron recientemente firmas moleculares de EEM con muestras de YDOM metanólico y SPE-DOM acuático (extracción en fase sólida), secadas bajo nitrógeno ultrapuro y luego re-disueltas en agua ultrapura. Midieron espectros de EEM en longitudes de onda de excitación que iban de 230 a 500 nm y longitudes de onda de emisión entre 200 y 600 nm. Los espectros EEM registrados se corrigieron automáticamente para el efecto de filtrado interno mediante A-TEEM, dispersión Raleigh y Raman, , y normalizados a un estándar de sulfato de quinina de 1 ppm y expresados en unidades de sulfato de quinina (QSU).
Las aguas termales ofrecen a los investigadores otra oportunidad poco común. Las bacterias normales no pueden sobrevivir a la temperatura casi hirviente de los manantiales, por lo que ninguna de las bacterias que normalmente se encuentran en el agua dulce existe en las aguas termales casi hirvientes. Eso significa que los únicos organismos en esas aguas termales son extremófilos ― organismos extremos ― o una subcategoría llamada termófilos que prosperan a temperaturas relativamente altas entre 41 y 122 grados Celsius.
Los termófilos son significativos para programas como la exobiología, porque en la Tierra antigua, la vida tenía que formarse bajo condiciones químicas, de temperatura y presión extremas sin oxígeno. Comprender cómo la vida puede existir y existir en condiciones absolutamente extremas como las temperaturas de ebullición y diversos ambientes ácidos podría avanzar en nuestra comprensión sobre los orígenes de la vida en la Tierra.
Incluso se ha teorizado que estos extremófilos podrían estar relacionados con esos primeros organismos, que evolucionaron en la Tierra.
"La vida obviamente necesitaba algunos precursores orgánicos y cualquier mecanismo que estuviera detrás", dijo Gonsior. "Esta sigue siendo una de las preguntas más intrigantes, y la que estamos explorando es el origen de la vida. Existen muchas teorías bastante nuevas sobre la interacción de orgánicos, con caras minerales y reacciones redox (oxidación-reducción) realmente interesantes, que ocurren bajo condiciones específicas repetidamente. Hay muchas ideas sobre cómo pudo haber ocurrido, pero aún no sabemos qué existió."
Gonsior cree que si los investigadores descubren que algunas de las antiguas firmas contenidas en YDOM podrían existir solo bajo condiciones químicas extremas —que rara vez existen ya en la Tierra antes de que el mundo se oxigenara— podría dar pistas sobre la formación de vida.
Y podría tener implicaciones más allá del planeta Tierra.
"Todas estas cosas son prácticamente desconocidas hoy en día, pero es muy importante, porque ahora estamos descubriendo materia orgánica muy diversa en meteoritos y otras fuentes extraterrestres, como esas misiones de retorno que están en curso ahora mismo, donde están tomando muestras de asteroides reales." En particular, el trabajo del profesor Schmitt-Kopplin y sus colegas sobre materia orgánica en meteoritos ha sido revolucionario.
Estas son las partes interesantes para ver qué ocurre cuando hay vida antigua y examinar la materia orgánica extraterrestre para ver si hay alguna comparación", dijo. "Porque todavía estamos intentando entender la historia de nuestra Tierra y cómo surgió la vida en primer lugar. Así que esto también es realmente una pregunta: ¿qué había al principio, justo antes de que surgiera la vida? Y, y quizá eso sea la ventana al pasado, pero aún no lo sabemos. Así que sería interesante aprender mucho más sobre esa singularidad de esa materia orgánica presente en las aguas termales de Yellowstone y otras zonas geotérmicas."
Yellowstone es un lugar difícil para investigar. Los científicos se encuentran entre evitar el clima templado de las altas temporadas turísticas y las duras condiciones de los inviernos de Wyoming a gran altitud.
"Normalmente apuntábamos a principios de otoño antes de que empezara a nevar", dijo Gonsior. "La primera vez que tomamos muestras la temperatura bajó a menos 16 por la mañana. Pero la mayoría del tiempo sigue siendo agradable y el parque es muy bonito en otoño, con abundante fauna activa. A veces tenemos que compartir nuestros manantiales con bisontes, así que una distancia segura es esencial. Depende del año porque el parque está a mayor altitud. La meseta probablemente tenga unos 8.000 pies de altura, pero claro, eso depende de dónde estés en el parque. Así que el tiempo puede cambiar rápido."
Los investigadores caminan hasta lugares sobre terrenos montañosos y han trabajado en campamentos para llegar más fácilmente a aguas termales remotas fuera de los caminos habituales. Deben tomar grandes volúmenes de agua, a veces 20 litros. Las condiciones suponen obstáculos.
Búfalo en el Parque Nacional de Yellowstone
"Tenemos que llevar el agua en botellas de cristal porque están hirviendo", dijo. "Tienes que tener cuidado de que el vaso no se rompa al verter agua hirviendo dentro, especialmente cuando está fría. Y luego tienes que llevarlos a cabo."
Los tarros pesan unos 50 libras llenos, y puede ser cansado llevarlos durante unos kilómetros. El equipo utiliza mochilas, pero inicialmente el agua está demasiado caliente para transportarla, por lo que deben dejar que el agua se enfríe antes de transportar las muestras al remolque, donde se utiliza algún equipo analítico para realizar las mediciones iniciales.
La grandeza de Yellowstone está muy alejada de las raíces de Gonsior. Creció en un pequeño pueblo alemán cerca de la frontera holandesa. Como estudiante universitario de primera generación, los sistemas naturales del planeta le intrigaban. Eso a pesar de estar rodeado de minería a cielo abierto de lignito, en la ciudad minera de Hueckelhoven.
Gonsior realizó sus estudios de grado y máster en Alemania, con algún tiempo en el extranjero en Escocia, Canadá y Ecuador. Obtuvo su doctorado en Nueva Zelanda antes de realizar un trabajo postdoctoral en la Universidad de California, Irvine. Siguió medio año de trabajo humanitario en Kenia, así como más investigación postdoctoral en Suecia, antes de regresar a Estados Unidos en 2012 en su puesto actual.
El objetivo de investigación a largo plazo de Gonsior es comprender mejor las fuentes de la materia orgánica de Yellowstone para obtener una mejor idea de lo que podría haber existido en la Tierra primitiva. Y luego entender qué reactividad está implicada en la transformación de la materia orgánica bajo estas condiciones extremas.
Pero a la luz de los problemas que enfrenta el mundo, ¿qué beneficios nos aportará entender cómo está formada la vida? ¿Existen aplicaciones prácticas para este conocimiento?
respondió Gonsior.
"Esta siempre es una pregunta de huevo y gallina", dijo. "Con cualquier investigación fundamental, es razonablemente difícil predecir cuál será en particular. La investigación fundamental desencadenará la investigación aplicada más adelante, pero si no has recorrido ese camino, puede que no sepas cuál será ese camino."
Por ejemplo, cuando Thomas Brock descubrió microorganismos en las aguas termales hirvientes de Yellowstone, ¿quién habría pensado que las bacterias termófilas de Yellowstone y el desarrollo del método de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) revolucionarían la ciencia médica. Hasta la fecha, esta técnica es, probablemente, la herramienta más utilizada en la investigación microbiológica y médica aplicada. Hemos aprendido muchísimo sobre los resultados obtenidos de la investigación básica en las aguas termales de Yellowstone, que han moldeado fundamentalmente el bienestar de la humanidad. Por ejemplo, ninguna de las investigaciones para encontrar una cura para la Covid-19 sería siquiera posible sin la investigación fundamental inicial realizada por el equipo de investigación liderado por el profesor Thomas Brock a finales de los años 60.
En otras palabras, las aplicaciones de una respuesta a la pregunta sobre el origen de la vida se definirán a sí mismas.
"Si realmente puedes determinar cuáles son los mecanismos, podemos hacer predicciones de cómo podría ocurrir eso en otros sistemas también, fuera de la Tierra."
"Si solo haces investigación aplicada porque ya tienes una idea de lo que haces, eso significa que nunca miras atrás y nunca haces ese descubrimiento accidental, que se basa únicamente en conectar los puntos. Se trata de empujar los límites de la ciencia."
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