Reacciones que parecen desafiar las leyes de la termodinámica
La vida posee una propiedad notable: logra mantener y explotar estados químicos lejos del equilibrio. Ya en 1945, el físico Erwin Schrödinger se preguntaba sobre esta particularidad en su obra What is Life?, subrayando que los organismos vivos se aprovechan de gradientes de energía para organizar la materia.
Un ejemplo central es la quimiosmosis, un mecanismo utilizado por las células para producir energía. En las mitocondrias o las bacterias, un gradiente de protones a través de una membrana permite generar reacciones químicas esenciales para el metabolismo.
Pero una pregunta persiste: ¿podrían existir procesos similares en entornos puramente minerales, incluso antes de la aparición de las primeras células?
'Membranas' minerales capaces de producir hierro metálico
Para explorar esta hipótesis, unos científicos reprodujeron en laboratorio análogos de chimeneas hidrotermales alcalinas ricas en hierro, similares a las que existían en la Tierra primitiva.
Los resultados, publicados en la revista Nature Communications, revelan un fenómeno inesperado: la energía de un gradiente de pH puede convertirse en producción de hierro metálico, una reacción que, en principio, no debería ocurrir sin la presencia de un agente reductor químico.
Este proceso se basa en transferencias acopladas de iones y electrones dentro de 'membranas' minerales. Estas estructuras actúan entonces como verdaderas interfaces energéticas, comparables en algunos aspectos a las membranas biológicas.
Localmente, estas transferencias permiten mantener estados redox fuera de equilibrio, asociados a una disminución local de la entropía, una condición considerada esencial para la emergencia de reacciones metabólicas primitivas.
Un mecanismo inesperado
Los resultados cuestionan algunas hipótesis anteriores. Hasta ahora, se pensaba que este tipo de reacción dependía sobre todo de compuestos químicos reactivos generados por diferencias de pH.
Sin embargo, el estudio muestra que las propiedades intrínsecas de los minerales son suficientes: la misma estructura de la membrana mineral permite la conversión directa de la energía del gradiente de pH en gradiente redox, esencial para las reacciones químicas que se encuentran en los seres vivos.
Este descubrimiento sugiere que los sistemas puramente geológicos podrían haber jugado un papel activo en las primeras conversiones de energía prebiótica.
Reconstitución experimental de un análogo de membrana mineral de las fuentes hidrotermales alcalinas (AHV).
La precipitación de oxihidróxidos de hierro en la interfaz entre una solución alcalina y una solución ácida conduce a la formación de una barrera mineral estructurada.
Esta membrana genera gradientes de pH y de potencial redox, asociados a la dismutación del Fe²⁺ en Fe³⁺ (magnetita) y Fe⁰, lo que evoca un mecanismo análogo a los mecanismos vivos, produciendo localmente estados redox fuera del equilibrio termodinámico.
© Simon Duval
Hacia una reconstitución de los primeros pasos del metabolismo
Este estudio sugiere que entornos geológicos, como las chimeneas hidrotermales, podrían haber jugado un papel clave en la catálisis de reacciones prebióticas. También ofrece un modelo experimental para estudiar los procesos bioenergéticos que aún funcionan en las células actuales. También podría explicar transformaciones geoquímicas aún inexplicadas en medios naturales.
En el futuro, los científicos planean explorar reacciones más complejas en este tipo de dispositivo, en particular la condensación de unidades de fosfato, para acercarse a los procesos celulares.
Se trata de un paso más hacia la reconstitución de las condiciones que permitieron la emergencia del ancestro común a todas las formas de vida en la Tierra.