En el extraño y oscuro mundo del fondo del océano, las fisuras submarinas, llamadas respiraderos hidrotermales, albergan complejas comunidades de vida.
Estos respiraderos arrojan fluidos calientes abrasadores al agua de mar extremadamente fría, creando las fuerzas químicas necesarias para que vivan los pequeños organismos que habitan este ambiente extremo.
En un estudio recientemente publicado, los biogeocientíficos Jeffrey Dick y Everett Shock han determinado que los entornos específicos del fondo marino hidrotermal proporcionan un hábitat único donde ciertos organismos pueden prosperar.
Al hacerlo, han abierto nuevas posibilidades para la vida en la oscuridad en el fondo de los océanos de la Tierra, así como en todo el sistema solar.
Sus resultados se han publicado en el Journal of Geophysical Research: Biogeosciences .
En tierra, cuando los organismos obtienen energía de los alimentos que ingieren, lo hacen a través de un proceso llamado respiración celular, donde hay una ingesta de oxígeno y la liberación de dióxido de carbono.
Biológicamente hablando, las moléculas de nuestra comida son inestables en presencia de oxígeno, y es esa inestabilidad la que aprovechan nuestras células para crecer y reproducirse, un proceso llamado biosíntesis.
Pero para los organismos que viven en el lecho marino, las condiciones de vida son dramáticamente diferentes.
“En tierra, en la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra, mucha gente está familiarizada con que fabricar las moléculas de la vida requiere energía”, dijo el coautor Shock de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona y la Escuela de Ciencias Moleculares.
“En contraste asombroso, alrededor de los respiraderos hidrotermales en el lecho marino, los fluidos calientes se mezclan con el agua de mar extremadamente fría para producir condiciones en las que las moléculas de la vida liberan energía”.
En los ecosistemas microbianos de aguas profundas, los organismos prosperan cerca de los respiraderos donde el fluido hidrotermal se mezcla con el agua de mar ambiental.
Investigaciones anteriores dirigidas por Shock encontraron que la biosíntesis de bloques de construcción celulares básicos, como aminoácidos y azúcares, es particularmente favorable en áreas donde los respiraderos están compuestos de roca ultramáfica (rocas ígneas y meta-ígneas con muy bajo contenido de sílice), porque estas rocas producen la mayor cantidad de hidrógeno.
Además de los componentes básicos como los aminoácidos y los azúcares, las células necesitan formar moléculas o polímeros más grandes, también conocidos como biomacromoléculas.
Las proteínas son las más abundantes de estas moléculas en las células, y la reacción de polimerización (donde las moléculas pequeñas se combinan para producir una biomolécula más grande) requiere energía en casi todos los entornos imaginables.
“En otras palabras, donde hay vida, hay agua, pero el agua debe ser expulsada del sistema para que la polimerización sea favorable”, dijo el autor principal Dick, quien era un becario postdoctoral en ASU cuando comenzó esta investigación y quien es actualmente investigador de geoquímica en la Escuela de Geociencias e Info-Física de la Universidad Central South en Changsha, China. “Entonces, hay dos flujos de energía opuestos: liberación de energía por biosíntesis de bloques de construcción básicos y la energía requerida para la polimerización”.
Lo que Dick y Shock querían saber es qué sucede cuando los suma: ¿obtiene proteínas cuya síntesis general es realmente favorable en la zona de mezcla?
Abordaron este problema utilizando una combinación única de teoría y datos.
Desde el punto de vista teórico, utilizaron un modelo termodinámico para las proteínas, llamado “aditividad de grupo”, que explica los aminoácidos específicos en las secuencias de proteínas, así como las energías de polimerización.
Para los datos, utilizaron todas las secuencias de proteínas en un genoma completo de un organismo de ventilación bien estudiado llamado Methanocaldococcus jannaschii .
Al ejecutar los cálculos, pudieron demostrar que la síntesis general de casi todas las proteínas en el genoma libera energía en la zona de mezcla de un respiradero alojado en ultramáficos a la temperatura donde este organismo crece más rápido, alrededor de 85 grados Celsius (185 grados Fahrenheit ).
Por el contrario, en un sistema de ventilación diferente que produce menos hidrógeno (un sistema alojado en basalto), la síntesis de proteínas no es favorable.
“Este hallazgo proporciona una nueva perspectiva no solo sobre la bioquímica sino también sobre la ecología porque sugiere que ciertos grupos de organismos son inherentemente más favorecidos en ambientes hidrotermales específicos”, dijo Dick. “Los estudios de ecología microbiana han encontrado que los metanógenos, de los cuales Methanocaldococcus jannaschii es un representante, son más abundantes en los sistemas de ventilación alojados en ultramáficos que en los sistemas alojados en basalto. La energía favorable de la síntesis de proteínas en sistemas alojados en ultramáficos concuerda con esa distribución”.
Para los próximos pasos, Dick y Shock están buscando formas de utilizar estos cálculos energéticos en el árbol de la vida, que esperan proporcione un vínculo más firme entre la geoquímica y la evolución del genoma.
“A medida que exploramos, se nos recuerda una y otra vez que nunca debemos equiparar el lugar donde vivimos con lo que es habitable con la vida”, dijo Shock.
Referencia:
“The Release of Energy During Protein Synthesis at Ultramafic-Hosted Submarine Hydrothermal Ecosystems” by Jeffrey M. Dick, Everett L. Shock, 30 October 2021, Journal of Geophysical Research: Biogeoscience.
DOI: 10.1029/2021JG006436