(Spanish version below)
Paleontologist Peter Ward and geophysicist Joseph Kirschvink have suggested that the epoch of greatest species diversity on our planet was about 3.9 to 4 billion years ago with a thriving ecosystem full of living forms and forms evolving toward life. Among other forms even more difficult to imagine, they envision organisms with RNA and protein; others with RNA and DNA; protein protocells; protocells inside a lipid envelope; and viruses with RNA or with DNA (1). Except for viruses, there are no known remains of them so, if they existed, all these forms were the first species that disappeared from the planet.
Ward and Kirschvink have proposed a tree of life on our planet in which there would be a superdomain they call Dominion Ribosa (RNA life). In it, starting from a non-biological synthesis of RNA, encapsulated forms of RNA would have evolved that developed enzymatic capacity. With them, self-replication would have appeared, giving rise to life based on RNA, and from which RNA viruses would have separated after losing their catalytic capacity. Life would have continued to evolve toward Dominion Terroa (Earth life or Cell Life), first with cellular forms possessing a lipid envelope, then with a lipid double layer, and finally appearing cells with DNA. The most primitive or Last Universal Common Ancestor (LUCA) is the organism from which all living beings on Earth share a universal descent—a common ancestor of all current life on Earth.
From the evolutionary line generated by LUCA evolved three branches of life forms. First evolved a branch that resulted in the bacteria and then another branch giving rise to the archaea. The Archaea evolved from an hyperthermophilic ancestor that lived at very high temperatures, above 80 ºC. Bacteria and archaea were the only living beings in our planet until about 2.2 billion years ago. The last branch produced the first cells with nuclei—the first eukaryotes—from the combination of specific bacteria and archaea (2). Bacteria, archaea, and eukaryotes form the three current domains of recognized life forms. DNA viruses would derive from this evolutionary line after losing cellular components and the ability to replicate independently (1).
Charles Darwin suggested that the origin of life could be found in small tidal pools on the seashore where substances were concentrated and sunlight provided heat and energy. However, Darwin did not have our current information about the real conditions of the planet at the time life appeared. Although getting to know exactly how life occurred on our planet is practically impossible, this mystery is of great interest among scientists who have proposed numerous theories as new findings have accumulated.
One of these theories, supported by laboratory experimentation, suggests that the first life-forms could have appeared in underwater hot springs. About 4.1 billion years ago the oceans must have had very different characteristics from today due to the lack of oxygen, very high temperatures in certain areas, and an abundance of dissolved carbon dioxide. High concentrations of minerals (compounds of sulfur, iron, nickel, etc.) and gases (carbon monoxide, hydrogen sulfide, oxygen, etc.) would have provided a large availability of energy sources. Microscopic pores in rocks would have generated a protected, partially watertight environment favorable to catalysis when different molecules came into contact with mineral surfaces (3,4). The first "cell wall" could have been of mineral origin, like the walls of many homes.
Video of a Hydrotermal vent in the Marianas Trench:
The hypothesis of the origin of life in underwater hot springs could explain why life may have appeared more than 4.1 billion years ago (5), despite the great bombardment of meteorites and comets that occurred at that time. However, an aquatic world presents difficulties for the synthesis of ribose, the sugar component of RNA, and of RNA itself, which is very unstable in water, especially at high temperatures (1). We still have many questions pending answers about the origin of life on our planet.
The comparatively short time that elapsed from the formation of Earth to the appearance of life is striking. Stromatolites, layered sedimentary formations, are the oldest fossils. They are deposits made by anaerobic bacteria (those not dependent on oxygen) about 3.7 billion years ago (1,6). A good place to observe these signs of early living organisms is Shark Bay in Western Australia, a World Heritage Site of scientific significance,where one can also see living stromatolites formed by photosynthetic bacteria (1). Living stromatolite formations have also been found in the Cave of El Soplao in Cantabria, Spain. They are possibly the only known stromatolites formed in an underground environment, in the absence of light, by microbes capable of obtaining energy by oxidizing manganese.
Stromatolites at the Natural History Museum in Gothenburg, Sweden.
Stromatolites are illustrative of the most frequent life-forms on Earth until just over 600 million years ago; for well over half of the planet's existence conditions for the development and survival of complex life-forms did not exist (1).
It seems evident that the generation of these first fossil records must have occurred well after the first humble, isolated cell, that is the first living organism, appeared. Molecular clocks place the origin of the potential last universal common ancestor—LUCA—more than 400 million years before the first stromatolites (5).
Versión en español:
El paleontólogo Peter Ward y el geofísico Joseph Kirschvink han sugerido que la época de mayor diversidad de especies en nuestro planeta fue hace unos 3.900 a 4.000 millones de años con un ecosistema próspero lleno de seres vivos y formas que evolucionaban hacia la vida. Entre otros organismos aún más difíciles de imaginar, existirían formas con ARN y proteínas; otras con ARN y ADN; protocélulas proteicas; protocélulas dentro de una envoltura lipídica; y virus con ARN o con ADN (1). A excepción de los virus, no se conocen restos de estas formas por lo que, si existieron, fueron las primeras especies que desaparecieron del planeta.
Ward y Kirschvink han propuesto un árbol de la vida en nuestro planeta en el que habría un superdominio que llaman Ribosa (vida de ARN). En él, a partir de una síntesis no biológica de ARN, habrían evolucionado formas encapsuladas de ARN que desarrollaron capacidad enzimática. Con ellos habría aparecido la autorreplicación, dando lugar a una vida basada en el ARN, de la que los virus del ARN se habrían separado tras perder su capacidad catalítica. La vida habría seguido evolucionando hacia el superdominio Terroa (vida terrestre o vida celular), primero con formas celulares que poseían una envoltura lipídica, luego con una doble capa lipídica, y finalmente apareciendo células con ADN. Al más primitivo o primer ancestro común podríamos llamarle PACO (en inglés Last Universal Common Ancestor, LUCA). PACO sería el organismo del cual descenderían todos los seres vivos en la Tierra, nuestro ancestro común.
De la línea evolutiva generada por PACO evolucionaron tres ramas de la vida. Primero evolucionó una rama que dio lugar a las bacterias y luego otra rama que dio lugar a las arqueas. Las arqueas evolucionaron a partir de un ancestro hipertermófilo que vivió a temperaturas muy altas, por encima de los 80 ºC. Las bacterias y las arqueas eran los únicos seres vivos en nuestro planeta hasta hace unos 2.200 millones de años. La última rama produjo las primeras células con núcleos, los primeros eucariotas, a partir de la combinación de determinadas bacterias y arqueas. Las bacterias, las arqueas y los eucariotas forman los tres dominios actuales de las formas de vida reconocidas. Los virus de ADN derivarían de esta línea evolutiva después de perder componentes celulares y la capacidad de replicarse de forma independiente (1).
Charles Darwin sugirió que el origen de la vida podría encontrarse en pequeñas piscinas de marea en la orilla del mar donde se concentraban sustancias y la luz solar proporcionaba calor y energía. Sin embargo, Darwin no tenía nuestra información actual sobre las condiciones reales del planeta en el momento en que apareció la vida. Aunque conocer exactamente cómo se produjo la vida en nuestro planeta es prácticamente imposible, este misterio es de gran interés entre los científicos que han propuesto numerosas teorías a medida que se han ido acumulando nuevos hallazgos.
Una de estas teorías, apoyada por experimentación de laboratorio, sugiere que las primeras formas de vida podrían haber aparecido en las aguas termales submarinas. Hace unos 4.100 millones de años, los océanos deben haber tenido características muy diferentes a las actuales debido a la falta de oxígeno, las temperaturas muy altas en ciertas áreas y la abundancia de dióxido de carbono disuelto. Las altas concentraciones de minerales (compuestos de azufre, hierro, níquel, etc.) y gases (monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, oxígeno, etc.) habrían proporcionado una gran disponibilidad de fuentes de energía. Los poros microscópicos en las rocas habrían generado un ambiente protegido y parcialmente estanco, favorable a la catálisis cuando diferentes moléculas entraron en contacto con superficies minerales (3,4). La primera "pared celular" podría haber sido de origen mineral, como las paredes de muchos hogares.
Video de un respiradero hidrotermal en la Fosa de las Marianas:
La hipótesis del origen de la vida en las fuentes termales submarinas podría explicar por qué la vida pudo haber aparecido hace más de 4.100 millones de años (5), a pesar del gran bombardeo de meteoritos y cometas que se produjo en ese momento. Sin embargo, un mundo acuático presenta dificultades para la síntesis de ribosa, azúcar componente del ARN, y del ARN mismo, ya que es muy inestable en el agua, especialmente a altas temperaturas (1). Todavía tenemos muchas preguntas pendientes de respuesta sobre el origen de la vida en nuestro planeta.
El tiempo comparativamente corto que transcurrió desde la formación de la Tierra hasta la aparición de la vida es sorprendente. Los estromatolitos, formaciones sedimentarias en capas, son los fósiles más antiguos. Son depósitos hechos por bacterias anaeróbicas (aquellas que no utilizan el oxígeno) hace unos 3.700 millones de años (1,6). Un buen lugar para observar estos restos de organismos primitivos es Shark Bay en Australia Occidental, donde también se pueden ver estromatolitos vivos formados por bacterias fotosintéticas (1). También se han encontrado formaciones vivas de estromatolitos en la Cueva de El Soplao en Cantabria, España. Son posiblemente los únicos estromatolitos conocidos formados en un ambiente subterráneo, en ausencia de luz, por microbios capaces de obtener energía oxidando el manganeso.
Estromatolitos en el Museo de Historia Natural de Gotemburgo, Suecia.
Los estromatolitos son ilustrativos de las formas de vida más frecuentes en la Tierra hasta hace poco más de 600 millones de años; ya que más de la mitad de la existencia del planeta no existían condiciones para el desarrollo y la supervivencia de formas de vida complejas (1). Parece evidente que la generación de estos primeros registros fósiles debe haber ocurrido mucho después de que apareciera la primera célula, es decir, el primer organismo vivo. Los relojes moleculares sitúan el origen del potencial primer ancestro común universal (PACO) más de 400 millones de años antes de los primeros estromatolitos (5).
Image / Imagen:
Stromatolites at the Natural History Museum in Gothenburg, Sweden. Author / Autor: Gunnar Creutz. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stromatolite_(fossil)_at_Göteborgs_Naturhistoriska_Museum_8899.jpg. CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons.
References / Referencias:
1 Peter Ward and Joseph Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origins and Evolution of Life on Earth. Bloomsbury Publishing, London, 2015.
2 Carlos Briones, José Mª Bermúdez de Castro and Alberto Fernández Soto. Orígenes. El universo, la vida, los humanos. Editorial Planeta, Barcelona, España, 2015.
3 Preiner, M., Igarashi, K., Muchowska, K.B. et al. A hydrogen-dependent geochemical analogue of primordial carbon and energy metabolism. Nat Ecol Evol 4, 534–542 (2020). https://doi.org/10.1038/s41559-020-1125-6.
4 Steffens, L., Pettinato, E., Steiner, T.M. et al. High CO2 levels drive the TCA cycle backwards towards autotrophy. Nature 592, 784–788 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03456-9.
5 Battistuzzi, F.U., Feijao, A. and Hedges, S.B. A genomic timescale of prokaryote evolution: insights into the origin of methanogenesis, phototrophy, and the colonization of land. BMC Evol Biol 4, 44 (2004). https://doi.org/10.1186/1471-2148-4-44.
6 Robert M. Hazen. Symphony in C. Carbon and the Evolution of Almost Everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.