Un campus verde y montañoso en Washington, D.C., alberga dos departamentos de la Institución Carnegie para la Ciencia: el Laboratorio Geofísico y el pintorescamente llamado Departamento de Magnetismo Terrestre. Cuando se fundó la institución, en 1902, la medición del campo magnético terrestre era una necesidad científica apremiante para los fabricantes de mapas náuticos. Ahora, la gente que trabaja aquí -gente como Bob Hazen- tiene preocupaciones más fundamentales. Hazen y sus colegas utilizan las «bombas de presión» de la institución -cilindros metálicos del tamaño de una caja de pan que exprimen y calientan los minerales hasta alcanzar las altísimas temperaturas y presiones que se dan en el interior de la Tierra- para descifrar nada menos que los orígenes de la vida.
De esta historia
Hazen, mineralogista, investiga cómo se formaron las primeras sustancias químicas orgánicas -las que se encuentran en los seres vivos- y cómo se encontraron hace casi cuatro mil millones de años. Comenzó esta investigación en 1996, unas dos décadas después de que los científicos descubrieran los respiraderos hidrotermales, grietas en el fondo del océano donde el agua se calienta a cientos de grados Fahrenheit por la roca fundida. Los respiraderos alimentan extraños ecosistemas submarinos habitados por gusanos gigantes, camarones ciegos y bacterias que se alimentan de azufre. Hazen y sus colegas creían que el complejo entorno de los respiraderos de alta presión -con ricos depósitos minerales y fisuras que arrojan agua caliente al frío- podría ser el lugar donde comenzó la vida.
Hazen se dio cuenta de que podía utilizar la bomba de presión para probar esta teoría. El dispositivo (técnicamente conocido como «recipiente a presión de gas calentado internamente») es como una olla a presión de cocina súper potente, que produce temperaturas superiores a los 1.800 grados y presiones de hasta 10.000 veces la de la atmósfera a nivel del mar. (Si algo saliera mal, la explosión resultante podría arrasar buena parte del edificio del laboratorio; el operador maneja la bomba de presión desde detrás de una barrera blindada.)
En su primer experimento con el dispositivo, Hazen encerró unos pocos miligramos de agua, un producto químico orgánico llamado piruvato y un polvo que produce dióxido de carbono, todo ello en una diminuta cápsula hecha de oro (que no reacciona con los productos químicos del interior) que él mismo había soldado. Puso tres cápsulas en la bomba de presión a 480 grados y 2.000 atmósferas. Y luego se fue a comer. Cuando sacó las cápsulas dos horas después, el contenido se había convertido en decenas de miles de compuestos diferentes. En experimentos posteriores, combinó nitrógeno, amoníaco y otras moléculas plausiblemente presentes en la Tierra primitiva. En estos experimentos, Hazen y sus colegas crearon todo tipo de moléculas orgánicas, incluidos aminoácidos y azúcares, la materia de la vida.
Los experimentos de Hazen marcaron un punto de inflexión. Antes de ellos, la investigación sobre el origen de la vida se había guiado por un guión elaborado en 1871 por el propio Charles Darwin: «Pero si (y ¡oh! ¡qué gran si!) pudiéramos concebir en algún pequeño estanque cálido, con toda clase de amoníaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc., que se formara químicamente un compuesto proteínico listo para sufrir cambios aún más complejos….»
En 1952, Stanley Miller, un estudiante graduado de química en la Universidad de Chicago, intentó crear el sueño de Darwin. Miller instaló un recipiente con agua (que representaba el océano primitivo) conectado mediante tubos de vidrio a otro que contenía amoníaco, metano e hidrógeno, una mezcla que los científicos de la época pensaban que se aproximaba a la atmósfera primitiva. Una llama calentaba el agua, enviando vapor hacia arriba. En el matraz de la atmósfera, las chispas eléctricas simulaban un rayo. El experimento era tan arriesgado que el asesor de Miller, Harold Urey, lo consideró una pérdida de tiempo. Pero en los días siguientes, el agua se volvió de color rojo intenso. Miller había creado un caldo de aminoácidos.
Cuarenta y cuatro años más tarde, los experimentos con bombas de presión de Bob Hazen demostrarían que no sólo las tormentas eléctricas, sino también los respiraderos hidrotermales, podrían haber desencadenado la vida. Su trabajo no tardó en llevarle a una conclusión más sorprendente: resulta que las moléculas básicas de la vida pueden formarse en todo tipo de lugares: cerca de respiraderos hidrotermales, volcanes, incluso en meteoritos. Al abrir las rocas del espacio, los astrobiólogos han descubierto aminoácidos, compuestos similares a azúcares y ácidos grasos, y nucleobases que se encuentran en el ARN y el ADN. Así que incluso es posible que algunos de los primeros componentes básicos de la vida en la Tierra procedieran del espacio exterior.
Los hallazgos de Hazen llegaron en un momento propicio. «Unos años antes, se habrían reído de nosotros en la comunidad de los orígenes de la vida», dice. Pero la NASA, que entonces iniciaba su programa de astrobiología, buscaba pruebas de que la vida podría haber evolucionado en entornos extraños, como otros planetas o sus lunas. «La NASA justifica ir a Europa, a Titán, a Ganímedes, a Calisto, a Marte», dice Hazen. Si la vida existe allí, es probable que esté bajo la superficie, en ambientes cálidos y de alta presión.
De vuelta a la Tierra, Hazen dice que en el año 2000 había llegado a la conclusión de que «hacer los bloques básicos de la vida es fácil». Una pregunta más difícil: ¿Cómo se incorporaron los bloques de construcción adecuados? Los aminoácidos se presentan en múltiples formas, pero sólo algunos son utilizados por los seres vivos para formar proteínas. ¿Cómo se encontraron?
En un rincón con ventanas del edificio del laboratorio de la Institución Carnegie, Hazen está dibujando moléculas en un cuaderno y esbozando los primeros pasos en el camino hacia la vida. «Tenemos un océano prebiótico y en el fondo del océano hay rocas», dice. «Y básicamente hay moléculas aquí que están flotando en solución, pero es una sopa muy diluida». Para un aminoácido recién formado en el océano primitivo, debió de ser una vida realmente solitaria. La conocida frase «sopa primordial» suena rica y espesa, pero no era un guiso de carne. Probablemente se trataba de unas pocas moléculas aquí y allá en un vasto océano. «Así que las probabilidades de que una molécula de aquí chocara con esta otra y de que se produjera una reacción química para formar algún tipo de estructura mayor son infinitamente pequeñas», continúa Hazen. Piensa que las rocas -ya sean los depósitos de mineral que se amontonan alrededor de los respiraderos hidrotermales o los que se alinean en una piscina de mareas en la superficie- pueden haber sido los casamenteros que ayudaron a los aminoácidos solitarios a encontrarse entre sí.
Las rocas tienen textura, ya sea brillante y suave o escarpada y áspera. Las moléculas de la superficie de los minerales también tienen textura. Los átomos de hidrógeno vagan por la superficie de un mineral, mientras que los electrones reaccionan con varias moléculas de los alrededores. Un aminoácido que se acerque a un mineral podría ser atraído por su superficie. Los trozos de aminoácidos podrían formar un enlace; si se forman suficientes enlaces, se obtiene una proteína.
De vuelta al laboratorio Carnegie, los colegas de Hazen están estudiando el primer paso de ese cortejo: Kateryna Klochko está preparando un experimento que -cuando se combina con otros experimentos y muchas matemáticas- debería mostrar cómo se adhieren ciertas moléculas a los minerales. ¿Se adhieren fuertemente al mineral, o una molécula se adhiere sólo en un lugar, dejando el resto móvil y aumentando así las posibilidades de que se una a otras moléculas?
Klochko saca un estante, tubos de plástico y los líquidos que necesita. «Va a ser muy aburrido y tedioso», advierte. Pone una pizca de un mineral en polvo en un tubo de plástico de 10 centímetros, luego añade arginina, un aminoácido, y un líquido para ajustar la acidez. Luego, mientras un gas burbujea a través de la solución, espera… durante ocho minutos. El trabajo puede parecer realmente tedioso, pero requiere concentración. «Esa es la cuestión, cada paso es fundamental», dice. «En cada uno de ellos, si te equivocas, los datos se verán raros, pero no sabrás dónde te has equivocado». Mezcla los ingredientes siete veces, en siete tubos. Mientras trabaja, en la radio suena «The Scientist»: «Nooooobody saaaaid it was easyyyy», canta el vocalista de Coldplay Chris Martin.
Después de dos horas, las muestras van a un rotador, una especie de noria rápida para tubos de ensayo, para mezclarlas toda la noche. Por la mañana, Klochko medirá la cantidad de arginina que queda en el líquido; el resto del aminoácido se habrá adherido a las diminutas superficies del polvo mineral.
Ella y otros investigadores repetirán el mismo experimento con diferentes minerales y diferentes moléculas, una y otra vez en varias combinaciones. El objetivo es que Hazen y sus colegas puedan predecir interacciones más complejas, como las que pudieron tener lugar en los primeros océanos de la Tierra.
¿Cuánto tiempo se tardará en pasar de estudiar cómo interactúan las moléculas con los minerales a entender cómo empezó la vida? Nadie lo sabe. Por un lado, los científicos nunca han llegado a una definición de vida. Todo el mundo tiene una idea general de lo que es y de que la autorreplicación y la transmisión de información de generación en generación son la clave. Gerald Joyce, del Instituto de Investigación Scripps de La Jolla (California), bromea diciendo que la definición debería ser «algo así como ‘lo que es blandito'»
El trabajo de Hazen tiene implicaciones más allá de los orígenes de la vida. «Los aminoácidos que se pegan a los cristales están por todas partes en el entorno», dice. Los aminoácidos del cuerpo se adhieren a las juntas de titanio; las películas de bacterias crecen en el interior de las tuberías; en todos los lugares donde se encuentran las proteínas y los minerales, los aminoácidos interactúan con los cristales. «Está en todas las rocas, en el suelo, en las paredes de los edificios, en los microbios que interactúan con los dientes y los huesos, está en todas partes», dice Hazen.
En su refugio de fin de semana con vistas a la bahía de Chesapeake, Hazen, de 61 años, mira con prismáticos a unos patos blancos y negros que se balancean en círculos y agitan el agua, que por lo demás está quieta. Cree que están arreando peces, un comportamiento que nunca había visto antes. Llama a su mujer, Margee, para que venga a echar un vistazo: «Hay un fenómeno muy interesante con los cabezas de chorlito»
Las estanterías de la sala de estar contienen cosas que la pareja ha encontrado cerca: vidrio de playa, una cesta llena de minerales y percebes fosilizados, coral y dientes de tiburón blanco. Una mandíbula de ballena de 15 millones de años, descubierta en la playa durante la marea baja, está repartida en trozos en la mesa del comedor, donde Hazen la está limpiando. «Era parte de una ballena viva, que respiraba cuando esto era un paraíso tropical», dice.
Hazen remonta su interés por la prehistoria a su infancia en Cleveland, donde creció no muy lejos de una cantera de fósiles. «Recogí mi primer trilobite cuando tenía 9 ó 10 años», dice. «Me parecían geniales», dice sobre los artrópodos marinos que se extinguieron hace millones de años. Cuando su familia se mudó a Nueva Jersey, su profesor de ciencias de octavo grado le animó a investigar los minerales de los pueblos cercanos. «Me dio mapas, indicaciones y especímenes, y mis padres me llevaban a esos lugares», dice Hazen. «Después de asistir juntos a una clase de paleontología en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, Hazen y Margee Hindle, su futura esposa, empezaron a coleccionar trilobites. Ahora tienen miles. «Algunos son increíblemente bonitos», dice Hazen. «Hay trilobites por toda la oficina de Hazen y la habitación de invitados del sótano de su casa de Bethesda (Maryland): cubren estanterías y llenan cajones y armarios. Incluso hay obras de arte de trilobites realizadas por sus hijos ya mayores, Ben, de 34 años, que estudia para ser terapeuta de arte, y Liz, de 32 años, que es profesora. «Este es el trilobite más bonito», dice, metiendo la mano en un armario y sacando un Paralejurus. «¿Cómo no te puede gustar?»
Hazen se define como un «coleccionista natural». Después de que él y Margee compraran un marco de fotos que casualmente contenía una fotografía de una banda de música, empezaron a comprar otras fotos de bandas de música; finalmente escribieron una historia de las bandas de música -Music Men- y de una época en Estados Unidos en la que casi todas las ciudades tenían la suya. (Bob toca la trompeta profesionalmente desde 1966.) También ha publicado una colección de poemas de los siglos XVIII y XIX sobre geología, la mayoría de los cuales, dice, son bastante malos («And O ye rocks! schist, gneiss, whate’er ye/Ye varied strata, names too hard for me»). Pero la pareja tiende a no aferrarse a las cosas. «Aunque suene raro, como coleccionista nunca he sido adquisitivo», dice Bob. «Haber podido tenerlos y estudiarlos de cerca es realmente un privilegio. Pero no deberían estar en manos privadas». Por eso la Colección Hazen de Fotografías y Efemérides de Bandas de Música, ca. 1818-1931, está ahora en el Museo Nacional de Historia Americana. Harvard cuenta con la colección de minerales que él comenzó en octavo grado, y los Hazen están en proceso de donar sus trilobites al Museo Nacional de Historia Natural.
Después de considerar, durante algún tiempo, cómo los minerales pueden haber ayudado a la vida a evolucionar, Hazen está ahora investigando el otro lado de la ecuación: cómo la vida estimuló el desarrollo de los minerales. Explica que sólo había una docena de minerales diferentes -incluidos diamantes y grafito- en granos de polvo anteriores al sistema solar. Otros 50 aproximadamente se formaron al encenderse el sol. En la Tierra, los volcanes emitieron basalto y las placas tectónicas crearon minerales de cobre, plomo y zinc. «Los minerales se convierten en protagonistas de esta especie de historia épica de la explosión de estrellas y la formación de planetas y el desencadenamiento de las placas tectónicas», afirma. «Y luego la vida juega un papel clave». Al introducir el oxígeno en la atmósfera, la fotosíntesis hizo posible nuevos tipos de minerales -turquesa, azurita y malaquita, por ejemplo-. Los musgos y las algas subieron a la tierra, descomponiendo la roca y haciendo arcilla, lo que hizo posible plantas más grandes, que hicieron un suelo más profundo, y así sucesivamente. Hoy en día se conocen unos 4.400 minerales, de los cuales más de dos tercios surgieron sólo por la forma en que la vida cambió el planeta. Algunos de ellos fueron creados exclusivamente por organismos vivos.
Dondequiera que mire, dice Hazen, ve el mismo proceso fascinante: la complejidad creciente. «Se ven los mismos fenómenos una y otra vez, en las lenguas y en la cultura material, en la vida misma. Las cosas se vuelven más complicadas». Es la complejidad del entorno de los respiraderos hidrotermales -agua caliente que se mezcla con agua fría cerca de las rocas, y depósitos de mineral que proporcionan superficies duras donde podrían congregarse los aminoácidos recién formados- lo que lo convierte en un buen candidato como cuna de la vida. «Los químicos orgánicos llevan mucho tiempo utilizando tubos de ensayo, pero el origen de la vida utiliza las rocas, el agua y la atmósfera. Una vez que la vida se afianza, el hecho de que el entorno sea tan variable es lo que impulsa la evolución.» Los minerales evolucionan, la vida surge y se diversifica, y llegan los trilobites, las ballenas, los primates y, antes de que nos demos cuenta, las bandas de música.
Helen Fields ha escrito sobre el pez cabeza de serpiente y el descubrimiento de tejidos blandos en fósiles de dinosaurios para Smithsonian. Amanda Lucidon trabaja en Washington, D.C.
