Científicos de la UCR identificaron microbios que presumen vida extraterrestre


¿Descubriremos la vida sencilla en alguna parte? ¿Quizás en Encelado o Europa en nuestro Sistema Solar, o más lejos en un exoplaneta? A medida que nos volvemos más competentes en la exploración de nuestro Sistema Solar y en el estudio de los exoplanetas, la perspectiva de encontrar algo de vida simple se aleja del ámbito creativo de la ciencia ficción y se adentra en la planificación de misiones concretas.

Las rodopsinas son proteínas antiguas desarrolladas por algunas de las primeras formas de vida de la Tierra. Convirtieron la luz solar en energía sin fotosíntesis. Crédito de la imagen: Sohail Wasif/Universidad de California, Riverside.

A medida que se acerca el esperanzador día del descubrimiento, es un buen momento para preguntarse: ¿cómo podría ser esta vida potencial?

Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Riverside, observó la Tierra antigua y algunos de sus primeros habitantes para arrojar algo de luz sobre cómo podría ser la vida simple en otros mundos y cómo podrían ser las atmósferas.

La Tierra es muy diferente ahora que cuando albergaba solo vida simple. El Gran Evento de Oxigenación (GOE) cambió la Tierra para siempre y la puso en el camino para convertirse en el planeta que es hoy, con una atmósfera rica en oxígeno y vida compleja. Antes del GOE, la atmósfera de la Tierra era muy diferente y la vida impulsó el cambio. Esa breve historia ilustra un hecho importante: la vida y su entorno están entrelazados.

“La vida tal como la conocemos es tanto una expresión de las condiciones de nuestro planeta como de la vida misma”.

Ambiente pobre en energía, en una atmósfera pobre en oxígeno. La luz solar era la única energía fácilmente disponible, y mucho antes de que evolucionara la fotosíntesis, las formas de vida usaban la luz solar de manera diferente. Usaron proteínas llamadas rodopsinas para capturar la energía solar, y estas proteínas eran una forma más simple de usar la energía del Sol que la fotosíntesis más complicada.

“En la Tierra primitiva, la energía puede haber sido muy escasa. Las bacterias y las arqueas descubrieron cómo usar la abundante energía del Sol sin las complejas biomoléculas requeridas para la fotosíntesis”, dijo el astrobiólogo de UC Riverside, Edward Schwieterman, en un comunicado de prensa. Schwieterman es coautor de un nuevo estudio publicado en Molecular Biology and Evolution. El estudio es «Nichos de zona fótica más tempranos probados por rodopsinas microbianas ancestrales», y el líder del estudio es Betul Kacar, astrobiólogo de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Las rodopsinas están presentes en los bastones del ojo humano, donde funcionan en condiciones de poca luz. Crédito de la imagen: Universidad Estatal de Arizona.

Como prueba de su utilidad, las rodopsinas no desaparecieron con las primeras formas de vida que las originaron. Están muy extendidos en los organismos de hoy, incluyéndonos a nosotros. Están presentes en los bastones de la retina de nuestros ojos, donde son responsables de la visión en condiciones de poca luz. También se encuentran en la vida moderna y sencilla en lugares como estanques salados. Su presencia en la vida moderna proporciona un vínculo con la historia evolutiva de las rodopsinas. Los investigadores están explorando ese vínculo mediante el aprendizaje automático y la secuenciación de proteínas. Usando esas herramientas, los investigadores pudieron rastrear la evolución de las proteínas en escalas de tiempo geológico.

Mirar la vida y la atmósfera de la Tierra ahora no es una buena indicación de cómo buscar vida en otros mundos. Nuestra atmósfera actual es rica en oxígeno, pero la atmósfera de la Tierra primitiva podría haber sido más como la de Venus, según algunas investigaciones. Al rastrear cómo evolucionaron las rodopsinas, los autores del nuevo artículo construyeron un árbol genealógico para las proteínas. Pudieron reconstruir rodopsinas de hace entre 2.500 y 4.000 millones de años.

Gran parte de nuestra búsqueda de vida se centra en las atmósferas planetarias. Las moléculas atmosféricas específicas pueden ser biomarcadores, pero para saber cuáles podrían señalar la presencia de vida simple y temprana, necesitamos saber en detalle cómo era la atmósfera primitiva de la Tierra una vez que el planeta albergó vida simple. «Descifrar las complejas relaciones entre la vida y los entornos que habita es fundamental para reconstruir los factores que determinan la habitabilidad planetaria en escalas de tiempo geológicas», escriben los autores al comienzo de su artículo, y eso prepara el escenario para los resultados que presentan.

Esta figura del artículo ilustra el acoplamiento entre la irradiación superficial, el ajuste espectral y la diversidad funcional sobre la evolución de la rodopsina microbiana. (b) es particularmente interesante porque muestra cómo la afinación del color de las rodopsinas microbianas ancestrales y existentes parece explorar la ventana espectral que aún no está ocupada por otros pigmentos biológicos como las clorofilas y las bacterioclorofilas, que se muestran en gris. Crédito de la imagen: Sephus et al. 2022.

“La vida tal como la conocemos es tanto una expresión de las condiciones de nuestro planeta como lo es de la vida misma. Resucitamos secuencias antiguas de ADN de una molécula, y nos permitió vincularnos con la biología y el medio ambiente del pasado”, dijo Betul Kacar, líder del estudio.

La investigación del equipo es paralela a las pruebas genealógicas disponibles hoy en día. Podemos enviar nuestro ADN y aprender mucho sobre de dónde venimos. El intenso trabajo del equipo es mucho más profundo que eso, pero la comparación es útil. “Es como tomar el ADN de muchos nietos para reproducir el ADN de sus abuelos. Solo que no son los abuelos, sino cosas diminutas que vivieron hace miles de millones de años, en todo el mundo”, dijo Schwieterman.

Los investigadores descubrieron diferencias entre las rodopsinas antiguas y modernas en la luz que absorbían. Según las reconstrucciones genéticas, las rodopsinas antiguas absorbían principalmente luz azul y verde, mientras que las rodopsinas modernas absorben luz azul, verde, amarilla y naranja. Esta es una pista de las diferencias ambientales entre la Tierra antigua y la moderna.

Sabemos que la Tierra antigua no tenía capa de ozono antes del GOE, que ocurrió hace entre 2000 y 2400 millones de años. La capa de ozono no puede existir sin oxígeno libre en la atmósfera, y sin una capa de ozono, la vida en la Tierra estaba sujeta a mucha más radiación ultravioleta que ahora. Actualmente, la capa de ozono de la Tierra absorbe entre el 97% y el 99% de los rayos UV del sol.

Existen brechas significativas en nuestra comprensión de la atmósfera de la Tierra primitiva porque la evidencia geológica no está completa. Esta imagen es de un estudio separado y muestra cuatro fuentes y sumideros de especies moleculares clave en la atmósfera primitiva de la Tierra. Al combinar el nuevo conocimiento evolutivo de las rodopsinas con nuestros modelos de la Tierra primitiva, podemos comprender mejor cómo sería la vida primitiva en otros mundos y cómo serían esas atmósferas. Crédito de la imagen: Pearce et al. 2022.

Los investigadores creen que la capacidad de las antiguas rodopsinas para absorber la luz azul y verde y no la luz amarilla y naranja significa que la vida que dependía de ella vivía a varios metros de profundidad en la columna de agua. La columna de agua sobre los organismos los protegió de la fuerte radiación UVB en la superficie del agua. Después del GOE, la capa de ozono brindó protección contra la radiación UV del Sol y la vida evolucionó a rodopsinas más modernas que pueden absorber más luz. Entonces, las rodopsinas modernas pueden absorber la luz amarilla y naranja junto con la luz azul y verde.

Las rodopsinas modernas pueden absorber la luz que los pigmentos de clorofila fotosintéticos no pueden. Con una nota de elegancia evolutiva, las rodopsinas modernas y la fotosíntesis se complementan absorbiendo luz diferente, aunque son mecanismos independientes y no relacionados. Esta relación complementaria representa un pequeño rompecabezas en la evolución.

«Esto sugiere una coevolución, en el sentido de que un grupo de organismos explota la luz que el otro no absorbe», dijo Schwieterman. “Esto podría deberse a que las rodopsinas se desarrollaron primero y filtraron la luz verde, por lo que las clorofilas se desarrollaron más tarde para absorber el resto. O podría haber sucedido al revés”.

Muchas de las pistas sobre la naturaleza de la vida temprana de la Tierra están contenidas en la geología. Los científicos estudian rutinariamente rocas antiguas para comprender cómo sobrevivieron y evolucionaron los primeros seres vivos. También estudian el comportamiento del Sol y la cantidad de su energía que llegó a la superficie del planeta a medida que la Tierra cambió con el tiempo. Pero ahora tienen otra herramienta.

El Telescopio Espacial James Webb examinará las atmósferas de los exoplanetas espectroscópicamente para identificar diferentes especies moleculares. Pero estudios como este nos ayudan a comprender lo que estamos viendo y qué buscar. Esta imagen es un espectro de transmisión para el exoplaneta WASP-96 b, basado en datos adquiridos por Webb’s Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS). WASP-96b es un gigante de gas caliente y no albergará vida, pero la imagen muestra de lo que es capaz el JWST y su contribución a la ciencia de los exoplanetas. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI

“La información codificada en la vida misma puede proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo nuestro planeta ha mantenido la habitabilidad planetaria donde las inferencias geológicas y estelares se quedan cortas”, explican los autores en su artículo.

Entonces, ¿qué hacen las rodopsinas?

En la antigüedad, las rodopsinas actuaban como una especie de bomba de protones. Una bomba de protones crea un gradiente de energía en una forma de vida. Eso está separado de la fotosíntesis, que produce energía química para que un organismo sobreviva. Una bomba de protones y el gradiente de energía crean una diferencia en el potencial electroquímico a través de la membrana celular. Es como una batería porque el gradiente presenta energía para su uso posterior.

Pero como personas científicamente curiosas, no necesitamos saber con precisión cómo funcionan. Podemos entender cómo pueden ayudarnos a identificar atmósferas de exoplanetas similares a las de la Tierra primitiva y la vida simple que prosperó allí.

«La rodopsina es una gran candidata para estudios de laboratorio sobre viajes en el tiempo».

El equipo dice que pueden usar información codificada en biomoléculas para comprender los nichos donde sobrevivió la vida antigua que no están presentes en ningún lugar de nuestro registro paleontológico. Se refieren a ellos como paleosensores. Los investigadores dicen que debido a que «… la diversificación funcional y el ajuste espectral de esta familia de proteínas taxonómicamente diversa…» están acoplados, las rodopsinas son un excelente banco de pruebas de laboratorio para identificar biofirmas detectables de forma remota en exoplanetas.

Y aún no han terminado.

Tienen la intención de utilizar técnicas de biología sintética para comprender las rodopsinas antiguas, cómo ayudaron a dar forma a la atmósfera antigua de la Tierra y cómo podrían dar forma a las atmósferas de los exoplanetas. “Diseñamos el ADN antiguo dentro de los genomas modernos y reprogramamos los insectos para que se comporten como creemos que lo hicieron hace millones de años. La rodopsina es una gran candidata para estudios de laboratorio sobre viajes en el tiempo”, dijo Kacar.

Algunas evidencias de la vida temprana y la atmósfera de la Tierra están ocultas para nosotros. Pero el método del equipo está superando algunos obstáculos en nuestra búsqueda de esa evidencia. Quién sabe a dónde nos llevará.

“Nuestro estudio demuestra por primera vez que las historias de comportamiento de las enzimas son susceptibles de reconstrucción evolutiva en formas en que las firmas biológicas moleculares convencionales no lo son”, dijo Kacar.

Cuanto más aprendemos sobre la Tierra primitiva, más aprendemos sobre otros mundos. Si varios planetas albergan vida, cada uno probablemente tomó un camino diferente en su camino hacia la vida. Pero habrá paralelos en la química y la física detrás de esto. Y tal como lo ha hecho aquí en la Tierra, la interacción entre la vida y el medio ambiente debe dar forma a la historia de otros mundos.

“La coevolución del medio ambiente y la vida al principio de la historia de la Tierra sirve como modelo para predecir firmas biológicas universales detectables que podrían generarse en un planeta dominado por microbios más allá de nuestro sistema solar”, escriben los autores en su artículo.

“La Tierra primitiva es un entorno extraño en comparación con nuestro mundo actual. Comprender cómo los organismos aquí han cambiado con el tiempo y en diferentes entornos nos enseñará cosas cruciales sobre cómo buscar y reconocer la vida en otros lugares”, dijo Schwieterman.

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