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• evolución biológica
• superficies minerales

Las superficies minerales deben haber sido importantes durante la aparición de la vida en la Tierra, según las observaciones de los minerales en las rocas y suelos modernos. Mientras que el ensamblaje de las complejas moléculas bio-orgánicas esenciales mediante colisiones aleatorias en sopas acuosas diluidas es inverosímil, las superficies minerales podrían haber desempeñado un papel catalizador y haber actuado como plantillas para el ensamblaje de las primeras moléculas orgánicas replicantes (1, 2). Los lugares más adecuados podrían haber sido las superficies ricas en sílice de los feldespatos parcialmente dealuminados y las zeolitas. Muchos estudios de procesos industriales en los que intervienen zeolitas sintéticas han demostrado la adsorción preferente de especies orgánicas sobre el agua y la presencia de centros catalíticos que contienen aluminio (3). La replicación podría haber seguido una «toma» orgánica de la reproducción de cristales de partículas minerales de grano fino (4). La evolución de una pared celular lipídica podría haber implicado la sustitución orgánica de las membranas de sulfuro de hierro (5). Por lo tanto, los minerales han sido invocados tanto en funciones catalíticas como de autoorganización. Hemos descrito microestructuras tubulares periódicas y autoorganizadas, exactamente del tamaño de las bacterias modernas del suelo, en las superficies de cristales de feldespato alcalino erosionados (6, 7). Las microestructuras también aparecen en los feldespatos de los sedimentos que sufren diagénesis (8). Deben haber sido comunes en la Tierra primitiva, combinando características catalíticas y organizativas en la misma superficie. Describimos su modo de origen y aspectos de su química superficial, discutimos su potencial como micro-reactores catalíticos abundantes y enlazados para la biosíntesis, y examinamos la posibilidad de que actuaran como paredes celulares para los protoorganismos durante las etapas más tempranas de la evolución biológica.§

Los problemas se repiten con las hipótesis para el ensamblaje de las primeras moléculas con las propiedades comúnmente asociadas con la «vida». Entre ellos, la improbabilidad de que moléculas complejas autorreplicantes como el ARN pudieran formarse por encuentros fortuitos, incluso a lo largo del tiempo geológico; la dificultad de proteger tales moléculas, una vez formadas, de la dilución y destrucción por las altas temperaturas, la hidrólisis y la radiación ultravioleta; y, por último, la dificultad de imaginar cómo la autoorganización por sí sola podría llevar a la encapsulación de una compleja jerarquía de reacciones bioquímicas en una membrana para formar el organismo unicelular más simple. Las reacciones catalizadas por minerales, seguidas de una serie de fraccionamientos, ofrecen la vía más plausible para llegar al ARN (9), pero ¿cómo podría desarrollarse una extensa concatenación de reacciones bioquímicas sin un contenedor de tamaño y estabilidad mecánica y química adecuados? Tal contenedor, si no se reprodujera por sí mismo, no necesitaría estar totalmente aislado, sino que tendría que ser capaz de transferir reactivos a contenedores adyacentes para que el polímero replicante esencial pudiera extenderse. Describimos aquí abundantes microestructuras en la superficie del feldespato alcalino, un mineral aluminosilicato común, que tienen varias características adecuadas para la catálisis y encapsulación de reactantes y productos prebióticos.

El feldespato alcalino rico en potasio (feldespato K) constituye el 20-40% en vol de los granitos y es un constituyente principal de la corteza terrestre. El metamorfismo ha oscurecido el registro geológico primitivo, pero la datación radiactiva, junto con la geología de campo y la petrografía, está proporcionando información valiosa sobre las rocas más antiguas. Las rocas más antiguas conocidas, cuyo ejemplo más extenso es el Complejo de Gneis de Itsaq, en Groenlandia occidental, en el que las unidades más antiguas se formaron hace ∼3,8 Ga (10), son predominantemente (70-80% en vol.) gneises tonalíticos con un pequeño porcentaje de feldespato K. Otro 10% de las rocas Itsaq son granitos y gneises graníticos con hasta un 40% de feldespato K. Las rocas volcaniclásticas con revestimiento de agua aparecen en la secuencia en ∼3,7 Ga y quizás ya en ∼3,8 Ga, y las formaciones sedimentarias de hierro en banda aparecen ya en 3,8 Ga (11). Por lo tanto, el feldespato debe haber sido un componente común de la superficie de la Tierra en ∼3,8 Ga, momento en el que también estaba sufriendo la meteorización y el transporte de partículas en el agua. En ausencia de suelos orgánicos, grandes áreas de feldespato K habrían estado expuestas a la atmósfera o a aguas poco profundas. Los fósiles más antiguos conocidos son tapetes microbianos formados en ∼3,5 Ga y fósiles microbianos filamentosos datados en ∼3,4 Ga (12). Las inclusiones de carbono en cristales de apatita de una formación de hierro de Itsaq de 3,8 Ga están inusualmente agotadas en 13C, lo que es coherente con la actividad biológica (11), aunque hay explicaciones alternativas (13). Concluimos, por lo tanto, que una corteza rica en granito estaba presente al menos al final del bombardeo pesado registrado en la Luna en ∼3.8 Ga (14) y que la vida más temprana apareció poco después.

Las superficies erosionadas de los feldespatos K de las rocas madre graníticas y de los gneises feldespáticos son complejas (Fig. 1) y están cubiertas de fosas y surcos regularmente distribuidos. Las picaduras generan extraordinarias redes tubulares reticuladas (Fig. 2), que se extienden hasta ≥50 μm por debajo de la superficie. El efecto macroscópico de estas fosas es familiar; las superficies de los feldespatos recién escindidos son fuertemente reflectantes mientras que las superficies erosionadas son opacas y calcáreas. Las picaduras se forman por disolución de dislocaciones de borde que se desarrollan durante el enfriamiento del protolito ígneo o metamórfico (15). Son rasgos característicos de todos los feldespatos alcalinos de la gama de composición encontrada en los granitos y gneises subsolventes. En nuestro ejemplo de Shap (Figs. 1 y 2), los cristales de feldespato primario crecieron entre ∼970 y 1070 K (16). Los cristales no eran feldespato potásico puro, sino una solución sólida con composición cercana a K0,7Na0,3AlSi3O8. Tales soluciones se vuelven inestables durante el enfriamiento, y a ∼940 K, los cristales comienzan a desmezclarse en láminas con forma de lente de NaAlSi3O8 (albita) casi de extremo en KAlSi3O8 algo menos puro (ortoclasa). Los intercrecimientos comparten una estructura continua (coherente) de AlSi3O8. Debido a que las dimensiones de las celdas de la albita y la ortoclasa son diferentes, se desarrollan tensiones de coherencia elástica en las interfaces laminares, que se orientan en un plano no cristalino cercano a 01 para minimizar la energía de la tensión de coherencia (17). A medida que la temperatura desciende, el Na+ y el K+ continúan difundiéndose a través de la estructura, y los intercalares laminares (criptopertitas) se engrosan y se extienden en longitud para producir lentes más planas. Las láminas son localmente regulares tanto en grosor como en separación, pero varían en el conjunto del cristal debido a las diferencias en la composición local de la masa heredada del crecimiento del cristal. Las láminas más gruesas suelen tener una separación de 1-2 μm y un grosor de hasta 400 nm.

A los 680-640 K, a medida que la estructura se endurece, las tensiones de coherencia en las láminas más largas y gruesas se vuelven insostenibles y se nuclean dislocaciones de borde regularmente espaciadas. Las dislocaciones tienen la forma de bucles muy extendidos en forma de lente que rodean las láminas de exsolución, de modo que aparecen en pares cuando se cruzan con las superficies de corte (Fig. 1). La separación entre los bucles de dislocación individuales depende del grosor local de las láminas de exsolución, en respuesta a la magnitud de las tensiones de coherencia locales (15). Las dislocaciones se forman en dos orientaciones en ángulo recto produciendo redes bidimensionales emparejadas (Fig. 2). Así, cuando el cristal alcanza las temperaturas superficiales, contiene una red autoorganizada de dislocaciones de borde con sus energías de deformación asociadas en el núcleo y en la periferia.

Cuando la disolución comienza en un entorno de meteorización, o diagenético (8), procede más rápidamente en los afloramientos de dislocaciones que en una superficie normal (6). El diferencial es más marcado cuando la superficie y la solución están cerca del equilibrio, como en los espacios confinados de los suelos o las rocas sedimentarias. En estas circunstancias, la contribución de las dislocaciones al cambio de energía libre en la disolución es proporcionalmente mayor que cuando la disolución se produce lejos del equilibrio. La tasa de disolución global de los feldespatos es principalmente una función del pH y la temperatura (18), pero no se ha investigado cómo estos factores afectan específicamente a la disolución en las dislocaciones. La superficie ilustrada (Figs. 1 y 2) ha estado expuesta a la meteorización durante algunos miles de años, desde el final de la última glaciación en Shap. Así, en condiciones postglaciales con una temperatura raramente superior a 283 K y un pH del agua del suelo ∼3,4 (7), las fosas de grabado se desarrollaron a una velocidad media mínima de 5 nm y-1. La disolución podría haber sido más rápida en la Tierra primitiva, dependiendo de las precipitaciones, el pH y la temperatura. Sin embargo, el avance hacia el interior de los tubos de grabado, que se estrechan hacia su base (7), está limitado en última instancia por la difusión de solutos en la muy confinada «zona interna» del cristal (19). No se necesitan disolventes orgánicos para producir los tubos de grabado, que se pueden visualizar fácilmente mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) tras 50 s de exposición al vapor de HF (20), y que son detectables, mediante microscopía de fuerza atómica, tras ∼140 días en HCl de pH 2 a 298 K (7). Cualquiera que sea la temperatura exacta y la química del disolvente en el Arcaico temprano, parece probable que las superficies alveoladas se desarrollaran rápidamente en los feldespatos alcalinos y fueran tan comunes como lo son ahora.

El potencial de las redes de fosas de grabado para actuar como superficies catalíticas es obvio. Las superficies de clivaje (001) y (010) contienen intersecciones con ∼2-3 ×106 picaduras por mm2. Los tubos individuales orientados de forma normal a la superficie del grano suelen tener una anchura de 0,4-0,6 μm, mientras que los orientados de forma paralela a la superficie son más estrechos, normalmente de 0,2 μm de anchura. Un cálculo geométrico asumiendo una capa de 50 μm de espesor muestra que un 1 mm2 nominal de feldespato alcalino meteorizado tiene una superficie real de ∼130 mm2. Aunque muchos otros tipos de defectos de escala de grano a escala atómica ocurren en y entre los minerales de las rocas de grano grueso, no conocemos ninguna otra característica que se acerque a los panales de feldespato alcalino en su contribución al área de superficie, o que tenga una regularidad similar.

Crucial para la hipótesis de que el feldespato puede proporcionar un sustrato para el ensamblaje catalítico de polímeros es la naturaleza de la superficie a nivel atómico. Al igual que la mayoría de los silicatos, la mayoría de las superficies de feldespato no modificadas son hidrofílicas y organofóbicas. Sin embargo, algunas zeolitas ricas en sílice, como la silicalita sintética/ZSM-5 (la mutinaita es el equivalente mineral portador de Al), tienen superficies Si-O eléctricamente neutras, que adsorben fuertemente las especies orgánicas sobre el agua (3). Está bien establecido experimentalmente que la lixiviación ácida de los feldespatos da lugar a superficies ricas en sílice (21, 22), aunque todavía no se ha demostrado que tales superficies existan en feldespatos meteorizados naturalmente en ausencia de meteorización bioquímica. Sin embargo, se ha detectado una capa rica en sílice en las interfaces entre los líquenes y los feldespatos en las caras de cantera erosionadas del granito Shap (23). Es posible que la sílice amorfa o las superficies similares a la zeolita formen revestimientos discontinuos en los feldespatos y en las paredes de los tubos de grabado (24-25). Por razones geométricas, las superficies angulares, por ejemplo donde se cruzan los tubos (Fig. 2), podrían tener enlaces topológicos que se asemejan a las paredes de los canales internos de la silicalita. Estos sitios tendrían automáticamente un carácter periódico en la escala de unas decenas de nanomolares a micromolares. Los feldespatos contienen comúnmente una amplia gama de inclusiones minerales en escalas de decenas de nanómetros a unos pocos micrómetros, en concentraciones ≪1% por vol, que pueden ser relevantes para la catálisis y la biogénesis, muchas de las cuales ocurren en microporos primarios (26, 27). Las inclusiones reportadas son minerales de arcilla, el mineral de fosfato apatita, halita, fluorita, carbonatos, un compuesto de Ba, y óxidos y sulfuros de varios metales incluyendo Pb, Sn, Fe, Ag, Ti y Mn. Algunos microporos contienen antiguos fluidos con halógenos (28). Debido a la gran superficie de los panales, y a la abundancia de feldespato en la Tierra primitiva, sólo una pequeña proporción de las superficies de feldespato necesita tener las propiedades catalíticas y químicas apropiadas para llegar a ser altamente significativas para las reacciones prebióticas.

Por último, consideramos el papel organizativo de estos panales. En alguna parte de la Tierra prebiótica, las áreas de feldespato alcalino parcialmente disuelto deben haber estado en el contacto con las sopas orgánicas acuosas que contienen las moléculas orgánicas sencillas. Los feldespatos podrían estar en la superficie en contacto con la atmósfera o dentro de rocas sedimentarias porosas que contienen agua. Cualquiera de ellos podría haber estado cerca de manantiales calientes, que han sido postulados en varios tratamientos recientes de la vida más temprana (5, 29). Las temperaturas de la superficie debieron ser muy variables, como en la Tierra actual, debido a muchas causas relacionadas con la latitud, la altitud, la hora del día, los sistemas meteorológicos, etc. Las cenizas volcánicas que contenían cristales de feldespato habrían caído en lagos y océanos, y las mareas lunares habrían sido más altas que ahora, provocando un intenso chapoteo. En cada mm2 de superficie de feldespato meteorizado, habría habido 106 microrreactores catalíticos, abiertos por difusión al depósito dinámico de moléculas orgánicas de las sopas primordiales, pero protegidos de los efectos dispersivos del flujo y la convección en un sistema totalmente abierto y de la radiación ultravioleta. La desecación periódica habría provocado fuertes concentraciones de moléculas orgánicas, minimizando la posibilidad de hidrólisis. Los reactores normales a la superficie se habrían comunicado lateralmente a través de los tubos de conexión más estrechos (Fig. 2), de modo que moléculas poliméricas cada vez más complejas, ensambladas catalíticamente en las zonas ricas en sílice de las paredes de los tubos, habrían podido extenderse por la zona del panal. Tal vez, en el entorno protegido y autoorganizado del panal, en unos pocos reactores conectados entre sí de los aproximadamente 1018 que habría en un afloramiento de granito de 2,5 km2, se habrían ensamblado las moléculas complejas necesarias para el primer polímero autorreplicante. Alimentándose en las sopas concentradas en los reactores adyacentes, el polímero habría colonizado la superficie del feldespato, haciendo finalmente el paso difícil a los feldespatos adyacentes por la superficie o la difusión del grano-límite.

El carácter organizado, celular del panal ofrece una solución posible al problema del desarrollo de una pared celular (5). Es concebible que, una vez iniciada la evolución biológica, se desarrollaran en los tubos de grabado sistemas bioquímicos autoorganizados progresivamente más complejos, comportándose cada uno de ellos como una única «célula», que comunicaba su material genético a las células adyacentes a través de los estrechos tubos de conexión. Posiblemente se desarrolló una tapa protectora de lípidos a lo largo de la boca de los tubos, para estabilizar la química en su interior o protegerla de la desecación. Alimentadas por los nutrientes, las tapas se habrían extendido hacia la sopa suprayacente, lo que finalmente condujo al desprendimiento del sustrato mineral y a la aparición de la primera vida unicelular verdaderamente independiente. ¿Es una pura coincidencia que las dimensiones de los tubos verticales, especialmente cerca de sus bocas, y la anchura de los surcos en las superficies de feldespato altamente erosionadas, coincidan exactamente con las dimensiones de la mayoría de las bacterias modernas del suelo (Fig. 1b)? ¿O son las dimensiones de estos organismos excesivamente abundantes un eco lejano de los reactores en los que evolucionó la primera vida?

Aceptado el 23 de octubre de 1998.