Cada organismo vivo utiliza pequeñas cantidades de metales para llevar a cabo funciones biológicas, como respirar, transcribir ADN, convertir alimentos en energía o cualquier número de procesos esenciales para la vida.

La vida ha utilizado los metales de esta manera desde que los organismos unicelulares flotaban en los primeros océanos de la Tierra. Casi la mitad de las enzimas—proteínas que realizan reacciones químicas en las células—dentro de los organismos requieren metales, muchos de los cuales son metales de transición nombrados por el espacio que ocupan en la tabla periódica.

Ahora, un equipo de científicos de la Universidad de Michigan, el Instituto de Tecnología de California y la Universidad de California, Los Ángeles, sostiene que el hierro fue el primer y único metal de transición de la vida. Su estudio se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Hacemos una propuesta radical: el hierro fue el metal de transición original y único de la vida, dijo Jena Johnson, profesora asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la Universidad de Michigan. Argumentamos que la vida solo dependía de los metales con los que podía interactuar, y el océano rico en hierro primitivo haría que otros metales de transición fueran esencialmente invisibles.

Para explorar esta idea, Johnson se unió a la profesora de UCLA Joan Valentine y al investigador de Caltech Ted Present.

Valentine, una química bioinorgánica, se interesó en cómo la vida más temprana evolucionó de ser microscópica a la proliferación de organismos complicados que existen hoy en día. Específicamente, se preguntó qué metales se incorporaron en las enzimas durante los primeros momentos de la vida para que los organismos pudieran llevar a cabo los procesos vitales necesarios. Repetidamente, escuchó a otros investigadores decir que durante la primera mitad de la historia de la Tierra, los océanos estaban llenos de hierro.

Antiguos fósiles marinos
Antiguos fósiles marinos de la época de la Gran Oxidación. Crédito: wollertz / depositphotos.com

Tienes que entender que en mi campo de la bioquímica y la química bioinorgánica, en la medicina y en la vida, el hierro es un oligoelemento. Son elementos que están presentes solo en pequeñas cantidades, dijo Valentine. Cuando estos chicos me dijeron que el hierro no era un oligoelemento, me dejó boquiabierta.

Johnson, cuyo grupo estudia formaciones de hierro y la biogeoquímica de los océanos primitivos, y Present estaban familiarizados con la evidencia geológica que sugiere que los primeros océanos eran ricos en hierro—específicamente, un ion de hierro llamado Fe(II). El Fe(II) puede disolverse fácilmente en agua y habría sido el metal principal encontrado en los océanos durante el Eón Arcaico, un período geológico que comenzó hace unos 4 mil millones de años y terminó hace unos 2.5 mil millones de años.

El final del Eón Arcaico estuvo marcado por algo llamado el Gran Evento de Oxidación. En ese momento, la vida evolucionó hasta ser capaz de realizar la fotosíntesis productora de oxígeno. Según los investigadores, durante los siguientes mil millones de años, el océano de la Tierra se transformó de un mar rico en hierro y anóxico al cuerpo de agua oxigenado que tenemos hoy. Esto también oxidó el Fe(II) a Fe(III), volviéndolo insoluble.

Aunque Johnson y Present dijeron que los geólogos sabían de la ubicuidad del hierro en la Tierra durante ese tiempo, no fue hasta que comenzaron a hablar con Valentine que se dieron cuenta del gran impacto que el hierro podría haber tenido en la vida temprana.

Para examinar el impacto potencial, Present diseñó un modelo que actualizó las predicciones de las concentraciones de ciertos metales, incluyendo hierro, manganeso, cobalto, níquel, cobre y zinc, que podrían haber estado disponibles en los océanos de la Tierra cuando comenzó la vida. El grupo pudo estimar la concentración máxima y la disponibilidad de estos elementos para la vida más temprana.

Primer plano de una formación de hierro con bandas de magnetita en Sudáfrica
Primer plano de una formación de hierro con bandas de magnetita en Sudáfrica. Crédito: Jena Johnson / University of Michigan

La cosa que cambió más dramáticamente cuando ocurrió el Gran Evento de Oxidación no fue realmente la concentración de estos otros oligoelementos, dijo Present. Lo que cambió más dramáticamente fue una disminución en las concentraciones de hierro disuelto. Las implicaciones de lo que eso significaba para la vida y cómo ‘ve’ los elementos en el agua no se habían enfrentado realmente.

Una vez que el grupo determinó qué metales estaban disponibles en los primeros océanos, exploraron a qué metales se unirían las biomoléculas simples en estas soluciones ricas en hierro.

Nos dimos cuenta de que el hierro tendría que hacer casi todo, dijo Johnson. Las biomoléculas podrían capturar magnesio y hierro, pero el zinc no entra—tal vez el níquel puede entrar en algunas biomoléculas en las circunstancias adecuadas, pero el zinc no es competitivo. El cobalto es invisible. El manganeso es bastante invisible. Esta diferencia de orden de magnitud en la concentración de hierro en los océanos tuvo este efecto realmente tangible en lo que las biomoléculas pueden ‘ver’ y unir del medio ambiente.

Para determinar si el hierro funcionaría en metaloenzimas que actualmente dependen de otros metales, Valentine y Johnson profundizaron en la literatura científica para averiguar cómo la vida usa ciertos metales hoy. En cada instancia, encontraron ejemplos de cómo el hierro o el magnesio podrían ser sustituidos en su lugar. Aunque una metaloenzima pueda usar un tipo específico de metal, como el zinc, encontraron que eso no significa que sea el único metal que la enzima puede usar.

El zinc y el hierro son un ejemplo realmente dramático porque el zinc es absolutamente esencial para la vida ahora, dijo Valentine. La idea de la vida sin zinc fue realmente difícil para mí de pensar hasta que profundizamos en esto y nos dimos cuenta de que mientras no haya oxígeno alrededor para oxidar tu hierro de Fe(II) a Fe(III), el hierro a menudo es mejor que el zinc en estas enzimas.

Present dijo que una vez que el hierro se oxidó y ya no estuvo tan biológicamente disponible como antes del Gran Evento de Oxidación, la vida tuvo que encontrar otros metales para incorporar en sus enzimas.

La vida, frente a órdenes de magnitud más de hierro que de otros metales, no podía saber cómo evolucionar hacia una forma tan sofisticada de manejarlos, dijo Present. La caída de la abundancia de hierro obligó a la vida a gestionar estos otros metales para sobrevivir, pero eso también permitió nuevas funciones y la diversidad de vida que tenemos hoy.

FUENTES

University of Michigan

Jena E. Johnson, Theodore M. Present, Joan Selverstone Valentine, Iron: Life’s primeval transition metal. PNAS, September 9, 2024, 121 (38) e2318692121. doi.org/10.1073/pnas.2318692121

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