Apatito, magnesio, Darwin y el origen de la vida

El fosfato es fundamental para la vida. Es un componente esencial en la estructura del ADN y ARN y en el metabolismo de las células vivas y forma parte de nuestros huesos y dientes. Sin fosfato, la vida no habría sido posible. Sin embargo, los científicos llevan más de 50 años preguntándose ¿de dónde salió el fosfato que dio comienzo a la Evolución? Ahora, un grupo de investigadores dirigidos en Estados Unidos por el científico español Cesar Menor Salvan ha respondido a ésa pregunta. Los científicos encontraron inspiración en los extraordinarios cristales de struvita (fosfato de magnesio y amonio) recogidos en una fosa de purines en Maçanet de la Selva (Gerona). La struvita se forma por descomposición de la urea, componente de la orina de animales, en presencia de fosfato y magnesio.

Fig. 1

Cristal de 0.5 cm de struvita recogida en una fosa de purines de Maçanet de la Selva (Gerona). Los cristales alcanzaron los 2 cm (más información: Menor-Salvan, C. y Calvo, M. (2015). Formación de cristales de struvita en una fosa de purines. Revista de Minerales, 6 (1), 66-67).

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Este mineral está asociado a la descomposición de materiales de origen biológico y se encuentra en el guano en cavernas de murciélagos, en sedimentos lacustres muy ricos en materia orgánica en descomposición, cadáveres y en latas de conservas de pescado. También constituye un serio problema de salud, pues se forma en los riñones y puede dar lugar a cálculos renales. El estudio de los cristales de struvita suscitaba varias cuestiones: ¿por qué precipita struvita prácticamente pura y no se forman apenas fosfatos de calcio, más insolubles en agua? ¿Es un mineral únicamente asociado a material biológico que, como pensaban antes los científicos, no pudo formarse en la Tierra primitiva antes de que hubiera vida?

El equipo de investigación partió de una hipótesis basada en unir las condiciones ideales para formar struvita en un depósito de purines con una idea que Charles Darwin expresó en una famosa carta de 1871 al botánico Joseph Hooker: quizá la vida pudo formarse en pequeños estanques de agua muy rica en urea y materia orgánica y con una fuente de fosfato. Esos primitivos estanques no debieron ser muy diferentes de las actuales fosas de purines, con la diferencia de que la urea y materia orgánica pudo proceder de cometas, meteoritos o de la síntesis en la propia atmósfera terrestre. De hecho, se cree que la urea debió ser abundante hace más de 3800 millones de años, cuando se originó la vida.

Así, en un primer experimento demostraron que la struvita se forma sin necesidad de orina o restos de animales en pequeños estanques ricos en urea y en un mineral muy común: la epsomita (sulfato de magnesio).

Fig. 2

Cristales de struvita sintética formada tal como pudo hacerlo en la Tierra primitiva.

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Fig. 3

Cristales de struvita sintética formada tal como pudo hacerlo en la Tierra primitiva. Los cristales aparecen recubiertos de otros más pequeños del mineral newberyita, un fosfato de magnesio formado por alteración de la struvita.

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Dos hallazgos fueron fundamentales para conectar la struvita con el origen de la vida. El primero de ellos sorprendió a los investigadores: los apatitos (fosfatos de calcio), minerales muy insolubles, se alteran en presencia de urea y epsomita, convirtiéndose en una mezcla de struvita y yeso.

Fig. 4

Masas de cristales de yeso formados por alteración de hidroxiapatito en un 'lago' simulado rico en urea y epsomita. En el centro de la imagen se aprecia un cristal de newberyita.

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Fig. 5

Masas de cristales de yeso formados por alteración de hidroxiapatito en un 'lago' simulado rico en urea y epsomita.

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El segundo hallazgo de los investigadores fue que la struvita (o el mineral relacionado newberyita) o una mezcla de apatito y epsomita, en un lago en desecación rico en urea, promueve la síntesis del AMP (monofosfato de adenosina), el UMP (monofosfato de uridina) y moléculas formadas por la unión de varias unidades de ellos, todos componentes del ARN, en lo que pudo ser un primer paso hacia la vida impulsado por minerales y en una curiosa ironía natural: el mismo mineral que representa el final de la vida, formado en la descomposición de materia orgánica, pudo estar presente en su origen.

Por su importancia, este trabajo ha sido portada de la prestigiosa revista Angewandte Chemie:

Fig. 6

Portada diseñada por Santiago Isaac Rodriguez Valcarcel y Cesar Menor Salvan para Angewandte Chemie Int. Edition.

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La portada muestra el papel central de la epsomita (el mineral que ocupa el centro de la imagen) en las transformaciones minerales que pudieron promover cómo el fosfato del apatito se incorporó a la evolución, con Darwin añadiendo urea a su idea del 'pequeño estanque caliente' ('warm little pond'). Un paso más para conocer el Origen de la Vida, en el que los minerales jugaron un papel fundamental.

Artículo original:

Bradley Burcar et al. Darwin's Warm Little Pond: A One-Pot Reaction for Prebiotic Phosphorylation and the Mobilization of Phosphate from Minerals in a Urea-based Solvent, Angewandte Chemie International Edition(2016).
DOI: 10.1002/anie.201606239.

Press release:
https://eu.wiley.com/WileyCDA/PressRelease/pressReleaseId-127684.html