Las fuentes hidrotermales alcalinas submarinas, también conocidas como "ventila hidrotermal" o "respiradero hidrotermal", fueron descubiertas en la década de 1970. La abundancia de vida en estos ambientes llamó la atención de los científicos y llevó a la propuesta de nuevas teorías sobre el origen de la vida. Una de las teorías más plausibles fue que la vida se originó en las ventila hidrotermal alcalinas submarinas en el fondo del océano.
Chimeneas blancas submarinas y materia orgánica simple
A diferencia de las fuentes hidrotermales volcánicas submarinas, las fuentes hidrotermales alcalinas no entraron en contacto directo con el magma sobrecalentado. Estaban ubicadas a varios kilómetros de las regiones de expansión del fondo marino. El agua marina se infiltraba en las grietas de las rocas y se calentaba por el abrasador olivino a profundidades de varios kilómetros. El agua marina caliente liberaba fluidos alcalinos que contenían gases de las grietas, con temperaturas alrededor de 100°C. Cuando los fluidos se enfriaban, elementos como calcio, magnesio, hierro, níquel y azufre precipitaban sobre las fuentes hidrotermales formando estructuras minerales blancas conocidas como chimeneas blancas. Las cavidades interconectadas de estas chimeneas, de aspecto esponjoso, variaban en tamaño desde cientos de micrómetros hasta milímetros. Actuaban como barreras que separaban el agua marina ácida de los fluidos alcalinos, similar a las membranas celulares.
A medida que el agua marina caliente subía constantemente desde las grietas, el hidrógeno, metano, amoníaco y el agua marina se filtraban desde la parte inferior hasta la parte superior de la chimenea a través de las estructuras porosas. Dentro de estas diminutas cavidades, el fluido era cálido y alcalino (con un pH de alrededor de 9), mientras que el exterior era agua marina ácida (con un pH de alrededor de 6, debido a los altos niveles de dióxido de carbono en los océanos hádicos). El gradiente de concentración de protones aumentaba el potencial electroquímico, y los compuestos semiconductores de hierro y azufre en las paredes de las cavidades transferían fácilmente los electrones de los reactivos, acelerando y facilitando las reacciones químicas. A través de la compartimentalización, los reactivos de alta concentración, el agua marina caliente, el gradiente de protones y los catalizadores de hierro y azufre, la naturaleza dio su primer paso en la evolución química dentro de las chimeneas hidrotermales.
Compuestos orgánicos simples, como aminoácidos, nucleótidos, ácidos grasos y tioésteres, podían sintetizarse dentro de las cavidades en la parte superior de las rocas. Los tioésteres y los fosfatos producían fosfato de acetilo para almacenar energía del gradiente de protones. Servían como precursores del ATP y impulsaban las reacciones bioquímicas iniciales. Debido a la termofóresis, estos compuestos orgánicos tendían a agregarse dentro de las cavidades en la parte superior de la chimenea. Cuando su concentración se volvía lo suficientemente alta, formaban fácilmente péptidos, ARN de cadena corta y vesículas con membranas de bicapa. Las vesículas absorbían continuamente materiales orgánicos, crecían y luego se desprendían en vesículas más pequeñas.
La vía metabólica más temprana y el material genético
A veces, los péptidos encapsulaban compuestos de hierro y azufre para formar una estructura especial que podía catalizar reacciones bioquímicas e incrustarse dentro de las vesículas de lípidos. Las reacciones bioquímicas de las rocas se transferían a las vesículas, lo que llevaba a la aparición de compuestos orgánicos y metabolismo cada vez más complejos. Por casualidad, varias proteínas de hierro y azufre se alinearon para permitir la transferencia secuencial de electrones hasta que fueron neutralizados por iones de hidrógeno. La alcalinidad dentro de las vesículas aumentó y los iones de hidrógeno fuera tendieron a entrar al interior. Si había canales de iones en ciertas proteínas de membrana, podían utilizar el gradiente de concentración para realizar funciones adicionales, como producir el compuesto de alta energía más simple, el fosfato de acetilo.
El ARN fue considerado el material genético original debido a su estructura simple, capacidad para registrar información genética y catalizar la síntesis de proteínas. El ARN no formaba fácilmente hebras dobles y tendía a plegarse. Dentro de las vesículas, algunos ARN se plegaron en una forma específica para catalizar la síntesis de proteínas, mientras que otros tenían estructuras que permitían la autorreplicación. Si coordinaban perfectamente con la división de las vesículas, ganaban ventaja en la competencia y gradualmente eliminaban otras vesículas. Se formaron protocélulas. La estructura de doble hélice del ADN proporcionó estabilidad a la información genética. Algunas vesículas utilizaron ADN para producir ARN para la síntesis de proteínas, lo que les permitió ganar ventaja en la competencia y eventualmente dominar.
Estas primeras células evolucionaron bombas de protones y flagelos, lo que les permitió salir de las fuentes hidrotermales. Todos estos procesos tuvieron lugar dentro de las cavidades de las rocas y esperaban una oportunidad para salir.
Últimos ancestros comunes universales o LUCA
En el océano hádico existían innumerables fuentes hidrotermales submarinas, cada una con incontables cavidades diminutas. Cada cavidad estaba realizando constantemente tales experimentos. Una de estas cavidades, como ganarse la lotería, produjo células capaces de un metabolismo controlado por el ADN. Se las conoció como los Últimos Ancestros Comunes Universales o LUCA. Los terremotos destruyeron las chimeneas y LUCA fueron liberados. Utilizaron sustancias inorgánicas y la concentración de protones para fabricar materia orgánica. A lo largo de cientos de millones de años, LUCA colonizó los océanos y se diferenciaron en bacterias y arqueas.