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Nov 30, 2023

¿Dónde se formó la vida por primera vez en la Tierra? Complejo reactor hidrotermal de la NASA proporciona nueva evidencia

Por Jet Propulsion Laboratory 3 de mayo de 2020 Un respiradero del fondo marino llamado "fumador blanco"

Por Jet Propulsion Laboratory3 de mayo de 2020

Un respiradero del fondo marino llamado "fumador blanco" arroja agua rica en minerales al océano y sirve como un centro de energía para las criaturas vivas. Algunos científicos creen que la vida en la Tierra pudo haber comenzado alrededor de respiraderos similares en el fondo del océano hace miles de millones de años. Crédito: NOAA/C. Alemán (WHOI)

Al imitar las chimeneas del fondo marino rocoso en el laboratorio, los científicos han producido nuevas pruebas de que estas características podrían haber proporcionado los ingredientes adecuados para impulsar la vida.

Where did life first form on Earth? Some scientists think it could have been around hydrothermal vents that may have existed at the bottom of the ocean 4.5 billion years ago. In a new paper in the journal Astrobiology, scientists at NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA describe cómo imitaron posibles entornos submarinos antiguos con una configuración experimental compleja. Demostraron que, bajo una presión extrema, el fluido de estas antiguas grietas del fondo marino mezclado con el agua del océano podría haber reaccionado con los minerales de los respiraderos hidrotermales para producir moléculas orgánicas, los componentes básicos que componen casi toda la vida en la Tierra.

In particular, the research lays important groundwork for in-depth studies of such ocean worlds as SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn's moon Enceladus and JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter's moon Europa, which are both thought to have liquid-water oceans buried beneath thick icy crusts and may host hydrothermal activity similar to what's being simulated at JPLThe Jet Propulsion Laboratory (JPL) is a federally funded research and development center that was established in 1936. It is owned by NASA and managed by the California Institute of Technology (Caltech). The laboratory's primary function is the construction and operation of planetary robotic spacecraft, though it also conducts Earth-orbit and astronomy missions. It is also responsible for operating NASA's Deep Space Network. JPL implements programs in planetary exploration, Earth science, space-based astronomy and technology development, while applying its capabilities to technical and scientific problems of national significance." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> JPL. Esta área de investigación pertenece a un campo de estudio conocido como astrobiología, y el trabajo fue realizado por el equipo JPL Icy Worlds como parte del antiguo Instituto de Astrobiología de la NASA.

Algunos científicos creen que la historia de la vida en la Tierra puede haber comenzado alrededor de los respiraderos hidrotermales en el fondo del océano hace 4500 millones de años. Los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA imitaron esos antiguos ambientes submarinos con una configuración experimental compleja.

Para simular las condiciones que podrían haber existido en el fondo del océano de una Tierra recién formada, antes de que el mar rebosara de vida, la entonces estudiante graduada Lauren White y sus colegas realizaron un experimento que reunió tres ingredientes clave: agua rica en hidrógeno, como el tipo que podría haber salido de debajo del lecho marino a través de respiraderos; agua de mar enriquecida con dióxido de carbono, como lo habría sido de la atmósfera antigua; y algunos minerales que podrían haberse formado en ese entorno.

White and colleagues — including her graduate advisor, retired JPL scientist Michael Russell — simulated vents that didn't spew particularly hot water (it was only about 212 FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit, or 100 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius). Uno de los principales desafíos con la creación de la configuración experimental fue mantener la misma presión que se encuentra a 0,6 millas (1 kilómetro) por debajo de la superficie del océano, aproximadamente 100 veces la presión del aire al nivel del mar. Experimentos anteriores han probado reacciones químicas similares en cámaras de alta presión individuales, pero White y sus colegas querían replicar más completamente las propiedades físicas de estos entornos, incluida la forma en que los fluidos fluyen y se mezclan. Esto requeriría mantener la alta presión en múltiples cámaras, lo que se sumó a la complejidad del proyecto. (Debido a que una grieta o fuga incluso en una sola cámara de alta presión representa la amenaza de una explosión, es un procedimiento operativo estándar en tales casos instalar un escudo contra explosiones entre el aparato y los científicos).

Lauren White, científica del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, ajusta un experimento que simula cómo el agua de mar antigua y el fluido de los respiraderos hidrotermales podrían haber reaccionado con los minerales del lecho marino para crear moléculas orgánicas hace 4.500 millones de años. La imagen fue tomada en el JPL en 2014. Crédito: NASA/JPL-Caltech

The scientists wanted to determine whether such ancient conditions could have produced organic molecules — those containing carbon atoms in loops or chains, as well as with other atoms, most commonlyhydrogen. Examples of complex organic molecules include amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">amino acids, which can eventually form DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ARN.

But just as eggs, flour, butter, and sugar aren't the same thing as a cake, the presence of both carbon and hydrogen in the early oceans doesn't guarantee the formation of organic molecules. While a carbon and a hydrogen atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo podría chocar razonablemente entre sí en este océano prehistórico, no se unirían automáticamente para formar un compuesto orgánico. Ese proceso requiere energía, y al igual que una pelota no sube una colina por sí sola, el carbono y el hidrógeno no se unirán sin un impulso energético.

Un estudio anterior realizado por White y sus colegas mostró que el agua que pulsa a través de los respiraderos hidrotermales podría haber formado sulfuros de hierro. Al actuar como catalizador, los sulfuros de hierro podrían proporcionar ese impulso energético, reduciendo la cantidad de energía requerida para que el carbono y el hidrógeno reaccionen juntos, y aumentando la probabilidad de que formen compuestos orgánicos.

El nuevo experimento probó si esta reacción probablemente habría ocurrido bajo las condiciones físicas alrededor de los antiguos respiraderos del fondo marino, si tales respiraderos existieron en ese momento. ¿La respuesta? Sí. El equipo creó formiato y pequeñas cantidades de metano, ambas moléculas orgánicas.

El metano natural en la Tierra es producido en gran parte por organismos vivos o por la descomposición de material biológico, incluidas plantas y animales. ¿Podría el metano en otros planetas ser también un signo de actividad biológica? Para usar el metano para buscar vida en otros mundos, los científicos deben comprender sus fuentes biológicas y no biológicas, como la identificada por White y sus colegas.

"Creo que es realmente significativo que demostremos que estas reacciones tienen lugar en presencia de esos factores físicos, como la presión y el flujo", dijo White. "Todavía estamos muy lejos de demostrar que la vida podría haberse formado en estos ambientes. Pero si alguien alguna vez quiere defender ese caso, creo que tendremos que haber demostrado la viabilidad de cada paso del proceso; no podemos dar nada por sentado".

El trabajo se basa en la hipótesis de Michael Russell de que la vida en la Tierra puede haberse formado en el fondo del océano primitivo de la Tierra. La formación de moléculas orgánicas sería un paso importante en este proceso. Los científicos del mismo grupo de investigación del JPL han explorado otros aspectos de este trabajo, como replicar las condiciones químicas en el océano primitivo para demostrar cómo se podrían formar los aminoácidos allí. Sin embargo, el nuevo estudio es único en la forma en que recrea las condiciones físicas de esos entornos.

En los próximos años, la NASA lanzará Europa Clipper, que orbitará Júpiter y realizará múltiples sobrevuelos de la luna helada Europa. Los científicos creen que las columnas allí pueden arrojar agua al espacio desde el océano de la luna, que se encuentra debajo de unas 2 a 20 millas (3 a 30 kilómetros) de hielo. Estos penachos podrían proporcionar información sobre posibles procesos hidrotermales en el fondo del océano, que se cree que tiene una profundidad de unos 80 kilómetros (50 millas). El nuevo artículo contribuye a una mayor comprensión de la química que podría tener lugar en océanos distintos al nuestro, lo que ayudará a los científicos a interpretar los hallazgos de esa misión y otras por venir.

Referencia: "Simulación de la serpentinización como podría aplicarse al surgimiento de la vida usando el reactor hidrotermal JPL" por Lauren M. White, Takazo Shibuya, Steven D. Vance, Lance E. Christensen, Rohit Bhartia, Richard Kidd, Adam Hoffmann, Galen D Stucky, Isik Kanik y Michael J. Russell, 2 de marzo de 2020, Astrobiology.DOI: 10.1089/ast.2018.1949