Articulos cientificos en español by Cesar Menor-Salvan

Trabajos científicos en Español

César Menor Salván Mayo 2015

Contenido El presente volumen incluye los trabajos publicados por el Dr. César Menor Salván en lengua española en revistas con comité de revisión externo. No se incluyen los trabajos de divulgación en mineralogía que, por su extensión, se incluyen en otro volumen.

Divulgación de la Química

La química del origen de la vida César Menor-Salván Resumen: La biogénesis es una cuestión pendiente de respuesta por la ciencia actual y un tema apasionante por sus derivadas sociales y filosóficas. Dado que la vida tal como la conocemos tiene una base química, ésta ciencia ha jugado un papel esencial en la investigación de cómo los seres vivos surgieron en nuestro planeta. Este viaje a los orígenes ha llevado al nacimiento de nuevas ramas como la química prebiótica y la química de sistemas. En este artículo realizaremos un recorrido histórico y conceptual por la química de los orígenes de la vida. Palabras clave: Abiogénesis, química prebiótica, química de sistemas, autocatálisis, origen de la vida. Abstract: How life begun on Earth is one of the frontiers of modern science, with strong social and philosophical implications. In the interdisciplinary approach to the biogenesis issue, the chemistry plays a central role. Also, the research in biogenesis leads to the emergence of the new branches prebiotic chemistry and systems chemistry. In this paper, we briefly review the chemistry involved in the study of the origins of life. Keywords: Abiogénesis, prebiotic chemistry, systems chemistry, autocatalysis, origins of life.

Introducción ¿Qué es la vida? y ¿Cuál fue su origen? Cuando planteamos estas preguntas, la respuesta que se suele dar a la segunda es: a) somos fruto de un diseño inteligente o b) los avances en química nos han llevado a resolver el problema: moléculas orgánicas en la Tierra primitiva se organizaron de tal modo que la vida emergió. La respuesta a) queda fuera del ámbito de la ciencia; la b) se ha instaurado, irónicamente, como una creencia popular, a pesar de que carecemos de una teoría sobre el origen de la vida. La obtención de esta teoría constituye un problema epistemológico cuya resolución podría considerarse, siendo optimistas, un trabajo en curso y que nos conecta con mi primera pregunta: ¿Qué es la vida?. A pesar del avance de la biología molecular y la bioquímica, la vida carece de una definición formal, como ya sugería Wittgenstein,1 advirtiéndonos de que la definición de la vida desde la propia vida es inaccesible y la resolución de su enigma no compete a las ciencias naturales. Así, el intento de definición de vida se reduce a una mera caracterización fenomenológica que ha ido evolucionando conforme se iban desvelando sus mecanismos moleculares y se iba accediendo a una visión sistémica, que ahora forma parte de las ciencias de la complejidad. Lazcano, una de las autoridades sobre biogénesis, suele referirse a la dificultad de definir la vida citando una frase de Nietzsche: “Hay conceptos que pueden ser definidos, mientras que otros sólo tienen historia”.2

Si citamos la réplica que Krosellek da a Nietzsche un siglo después: “Los conceptos como tales contienen historia, pero no tienen historia. Sólo pueden envejecer y afirmar algo que ya no sea acertado. Lo que cambia es el contexto”,3 el contexto en el que abordamos el problema de la biogénesis ha ido cambiando y, con él, nuestra estrategia para resolverlo. Así, hemos aprendido que la respuesta a ¿Qué es la vida? no puede expresarse, por lo que tampoco cabe expresar la pregunta, que reformulamos como ¿Qué características se encuentran en un organismo, de las que carece la materia inanimada?. Dado que no podemos investigar el origen de algo que no podemos definir, la pregunta ¿Cuál fue el origen de la vida? carece de sentido y se transforma en: ¿cómo se asociaron esas características en los objetos que llamamos organismos?.4 Como expresó Oparin,5 uno de los pioneros en el estudio de la biogénesis, “el problema de la naturaleza de la vida y el problema de su origen se han hecho inseparables”. Una de las características que posee la vida tal como la conocemos es que se trata de vida química. Es, entonces, lógico afirmar que la química a nivel experimental juega un papel central en el proceso que nos llevará a obtener un modelo sobre la biogénesis. Este abordaje, que revisaremos en sus puntos fundamentales a nivel histórico, constituye la parte central del programa de investigación de la química prebiótica y la química de sistemas.

Reduccionismo químico

C. Menor-Salván

Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) INTA-Ctra. Torrejón-Ajalvir km 4, 28850, Torrejón de Ardoz C-e: menorsc@cab.inta-csic.es Recibido: 30/03/2013. Aceptado 06/06/2013.

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Distribuyendo los fenómenos en niveles jerárquicos, el reduccionismo consiste en tratar de explicar un fenómeno en un nivel superior mediante los fenómenos subyacentes. Una célula viva es un catálogo de moléculas orgánicas, por lo que, bajo el enfoque reduccionista, el estudio del origen de los componentes moleculares de la vida tal vez podría explicarnos la biogénesis. Así, podemos centrar la investigación en la búsqueda de hipótesis comprobables acerca del origen de los precursores orgánicos de la célula y, una vez obtenidos éstos, crear un modelo para su organización. Para encontrar las raíces de la biogénesis in situ mediante procesos químicos, a partir de precursores inorgánicos (abiogénesis) como contraposición a ideas creacionistas o basadas

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en la panspermia, debemos remontarnos al siglo XIX. Darwin propuso que la vida evolucionó partiendo de “una forma simple”, abriendo el concepto del primer ancestro común: la especie celular de la que han evolucionado todas a lo largo de la historia de la Tierra. Sin embargo, nunca abordó la cuestión de cómo surgió esa primera forma simple, delineando la idea del origen químico de la célula en una carta escrita en 1871 al botánico J. Hooker, en la que propone que la acción de fuentes de energía en una solución con precursores inorgánicos, como amoniaco y fosfato, pudo conducir a la primera forma viva.6 Fueron los biólogos Haeckel y Huxley quienes comienzan a elaborar esta idea, proponiendo que la célula puede reducirse a una mezcla química, denominada protoplasma, que pudo generarse por combinación de derivados orgánicos formados a partir de dióxido de carbono o nitrógeno.7 El investigador mexicano Herrera, desde finales del siglo XIX hasta los años 40 del siglo XX, lleva a cabo un abordaje experimental de su teoría de la plasmogénesis, primero con emulsiones de hidrocarburos, para modelizar el comportamiento de las estructuras celulares. Después sintetizó materiales poliméricos de color intenso a partir de mezclas de formaldehído y tiocianato amónico, que tomó erróneamente como pigmentos fotosintéticos, sugiriendo que el primer ente biológico pudo ser fotoautótrofo.8 Más influyente en el desarrollo de la química de la biogénesis fue el escenario propuesto independientemente por Oparin9 y Haldane.10 Aunque hay algunas diferencias entre los dos planteamientos, la base de este escenario, llamado la teoría de la sopa prebiótica, es la síntesis de compuestos orgánicos a partir de una atmósfera reductora. La concentración de estos compuestos orgánicos en agua líquida pudo dar lugar a los coacervados, precursores de la primera célula. Esta primera célula sería heterótrofa, es decir, utilizaría los compuestos orgánicos generados abióticamente como primer alimento. Los coacervados son acúmulos con algunos atributos de las células, como la capacidad de crecimiento y la absorción de material orgánico de su entorno. Si bien el planteamiento de la fase final del proceso que conduce de los coacervados al protobionte está poco definido, en coherencia con la época (la propuesta de un primer organismo heterótrofo, por ejemplo, era lógica, dado el limitado conocimiento de la bioquímica de las vías autótrofas) y responde más a un impulso por dar una explicación materialista del origen de la vida que por buscar una verdadera teoría, la fase inicial invita a la experimentación. Esta surgió gracias al modelo de Urey de una atmósfera reducida de la Tierra primitiva, rica en metano, amoniaco e hidrógeno, que motivó el célebre experimento de Miller11 (ver apartado siguiente). El planteamiento de Oparin-Haldane-Urey-Miller, nos lleva a definir la química prebiótica como una rama de la química orgánica basada en la búsqueda de síntesis robustas de los “ladrillos” moleculares de la célula (aminoácidos, metabolitos simples, lípidos, azúcares, purinas y pirimidinas). Una diferencia importante entre la síntesis orgánica y la química prebiótica es que, en este caso, las reacciones se consideran exitosas aun con rendimientos ínfimos para lo habitual en síntesis y se basan en simulaciones de ambientes plausibles desde un punto de vista geoquímico o astroquímico. La química prebiótica nos muestra una sorprendente coincidencia entre los componentes orgánicos obtenidos en diferentes simulaciones © 2013 Real Sociedad Española de Química

geoquímicas, los que componen nuestro catálogo molecular básico, y los observados en astroquímica y meteoritos ricos en materia orgánica (condritas carbonáceas).12 En palabras de Eschenmoser,13 “la coincidencia apoya fuertemente la noción de una simplicidad intrínseca en la generación de los ladrillos moleculares de la vida”. Este material, originado en una variedad de condiciones ambientales, ¿es relevante en el proceso de abiogénesis?, ¿puede implicar que la bioquímica tal como la conocemos es universal? o ¿fueron posibles varios orígenes de la vida diferenciados? Carecemos de respuesta, lo que implica que el gran problema al que se enfrenta la química prebiótica es el salto entre un sistema multicomponente, en equilibrio o próximo al equilibrio termodinámico, y la bioquímica: un sistema altamente organizado que exhibe procesos de autoorganización molecular, homeostático y en un estado lejos del equilibrio, gracias a una intrincada red de obtención de energía y de regulación. Observada como sistema químico, las dos características fundamentales de la vida son, primero y en palabras de Bernal, que “la vida contiene un componente diferente de un sistema físico. Un componente histórico”.4 Este componente histórico, a nivel molecular, requiere de un replicador, que transfiera la información del sistema: los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Segundo, que el sistema de replicación está soportado por una red química cooperativa y estable. La necesidad de replicador nos lleva a una redefinición del concepto de estabilidad. A diferencia de una mezcla de hidrógeno y oxígeno, que es estable cinéticamente de modo estático, mientras no exista un factor externo que la active y la dirija hacia un estado de equilibrio termodinámico (formación de agua al reaccionar la mezcla de hidrógeno y oxígeno), un sistema vivo mantiene estabilidad cinética en condiciones lejanas al equilibrio termodinámico de modo dinámico. La caracterización de la vida como un sistema con estabilidad cinética dinámica fue elaborada por Pross,14 proponiendo que es la renovación de la población de moléculas replicativas la que mantiene la estabilidad cinética del sistema (como una carrera de relevos). En su búsqueda de la raíz molecular de la evolución biológica, Pross sugiere que el proceso evolutivo comienza cuando una entidad replicativa simple (que es posible que nunca identifiquemos) emerge en el mundo prebiótico.15 Así, el proceso evolutivo se dirige hacia su máxima estabilidad cinética dinámica, ya sea un sistema no vivo (evolución química) o un sistema vivo (evolución darwiniana). La evolución a nivel químico es un proceso divergente en el que hay múltiples caminos para incrementar la estabilidad cinética dinámica del sistema. Esta divergencia conduce al incremento de complejidad, visto como el establecimiento de una red cooperativa de reacciones que mantiene al sistema en un estado estacionario: el metabolismo.16 Un sistema gobernado termodinámicamente, por el contrario, es convergente y conduce a un estado único que Pross define como sumidero termodinámico. Si dividimos la vida en tres subsistemas: el subsistema replicativo (ácidos nucleicos), el subsistema metabólico y el subsistema de celularización (membranas), la idea de la acción cooperativa hacia la máxima estabilidad cinética, convierte en obsoleta la discusión clásica acerca de cuál fue el primer subsistema en establecerse.17 La única presencia de moléculas replicativas, como ARN, no conduce

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La química del origen de la vida

a un aumento de complejidad y no evoluciona hacia su mayor estabilidad cinética. Y un sistema de reacciones complejo, sin un sistema de replicación, no puede mantener su estabilidad cinética, entrando en el régimen termodinámico. Este hecho nos introduce en la diversidad funcional, subyacente a nivel molecular en una célula viva y que diferencia a un sistema químico con capacidad evolutiva. En el núcleo de la propuesta de Pross se encuentra el concepto de autocatálisis, central para entender el funcionamiento de la vida a nivel químico y, por tanto, para entender su origen. La autocatálisis se puede definir como la catálisis de una reacción mediante uno o más de sus productos:

existente, son seis: el ciclo de Arnon, el ciclo de CalvinBenson, el ciclo del dicarboxilato/hidroxibutirato, el ciclo del 3-hidroxipropionato, el bi-ciclo del 3-hidroxibutirato y la ruta de Wood-Ljungdahl.24 Es interesante que, salvo el ciclo de Wood-Ljungdahl, el resto son autocatalíticos y todos incluyen pasos o componentes relevantes desde el punto de vista de la química prebiótica. O HS

HO HO

A+B

Se puede experimentar un proceso de este tipo acercando un micrófono a un altavoz en el mismo sistema de sonido. El desagradable chirrido que se produce es resultado de la amplificación autocatalítica. En una célula, la generación de nuevas moléculas replicativas es autocatalítica, así como la reproducción de la membrana. Sin embargo, la autocatálisis no puede mantener estabilidad cinética por sí misma: una molécula de ácido nucleico autorreplicándose conduciría a un aumento parabólico de su concentración, de tener un aporte ilimitado de precursores.18 Pero estos subsistemas se encuentran integrados en una red autorregulada, que contiene un sistema metabólico cuyo núcleo es un sistema de ciclos de moléculas pequeñas, además de los sistemas formados por los componentes macromoleculares. Algunos son ciclos simples19 y podemos expresarlos de manera general como: A+X $ B+X Un ejemplo de ciclo simple es el ciclo de Krebs, en el que X es una molécula de oxalacetato, A es un grupo acetilo (acetil-coenzima A) y B es dióxido de carbono. El ciclo está presente, ya sea de forma cerrada o en forma abierta e incompleta, en todos los organismos vivos. Esta forma incompleta es útil en la generación de intermedios metabólicos y el estudio de la filogenia procariótica sugiere que pudo estar así presente en los primeros organismos vivos.20 Esto es coherente con la idea que estamos estudiando, ya que para que el sistema se sostenga en estado cinéticamente estable, la estructura metabólica requiere de un núcleo autocatalítico, formado por ciclos que podemos expresar de modo general como: A + X $ B + 2X Un ejemplo de este tipo es el ciclo de Krebs reverso, reductor o ciclo de Arnon, que forma parte del metabolismo autótrofo de ciertas bacterias y que pudo estar presente como mecanismo de fijación de carbono desde el primer ancestro común.19 El ciclo fija el dióxido de carbono (A) como oxalacetato (X) (Esquema 1). La necesidad de un núcleo metabólico autocatalítico está bien establecida y es central en modelos teóricos acerca de la construcción del sistema vivo a nivel molecular, como la teoría del quimiotón de Gánti,21 la autopoyesis de Maturana y Varela,22 y la moderna teoría de sistemas (M,R) de Rosen.23 Los ciclos metabólicos de fijación de CO2 en nuestro planeta y responsables de toda la biomasa An. Quím. 2013, 109(2), 121–129

O HO O

PPi

CO2

OH O

O O Ácido Oxalacético

CO2

Ácido Isocítrico

FeS

CO2

OH O

Ácido Cítrico

X+Z

OH O

O O

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Ácido a-cetoglutárico

O Ácido Pirúvico

R FeS

CO2

OH O Ácido Málico

H 2O

PPi

O HO

OH O

Ácido Fumárico

FeS

S R O Succinil-tioaéster

OH O

Ácido Succínico

Esquema 1. Esquema simplificado del ciclo de Arnon o ciclo de Krebs inverso. FeS designa los enzimas que implican clusters de hierro-azufre, cuyo papel en la biogénesis pudo ser fundamental. Este ciclo pudo ser el núcleo metabólico primordial en los primeros pasos de la vida.

El proceso evolutivo comienza con el establecimiento de una red: un producto de un ciclo autocatalítico se integra en otra reacción sucesiva y esta subred se integra con los subsistemas de replicación o compartimentalización (Figura 1). La aparición de la catálisis cruzada, la retroalimentación y la autocatálisis reflexiva (debida a la red en su conjunto más que debida a reacciones individuales) parecen ser los pasos básicos. Pero ¿cómo tuvo lugar la formación del primer sistema químico con capacidad evolutiva? ¿Qué catalizadores permitieron el nacimiento de una red autocatalítica y cómo se originaron? La bioquímica se sustenta en los enzimas, pero no podemos responder a la cuestión de cómo se llegó a nuestro sistema enzimático. Sin embargo, existen diversas propuestas basadas en la deconstrucción de la bioquímica actual. Por ejemplo, llama la atención el hecho de que la promiscuidad catalítica de los enzimas implicados en el metabolismo central es mayor que en el metabolismo secundario, considerado un producto biológico.25 Además, el metabolismo central esta conservado a lo largo de toda la evolución y para autores como Harold Morowitz, estos hechos nos dan una pista básica acerca de la biogénesis, proponiendo que ciclos como el de Arnon son fósiles vivientes que constituyen una prueba en sí mismos de cuál fue el primer paso de la vida. Así, es posible que el metabolismo se inicie en un pequeño repertorio de enzimas sencillas poco específicas y/o dotadas de promiscuidad que dieron lugar al núcleo del sistema.

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Fase T

Química Atmosférica HCN y derivados Compuestos simples de carbono y nitrógeno

Fase K

Evolución Química

Replicador

Química Prebiótica Nuevas moléculas orgánicas Catalizadores

Astroquímica Moléculas orgánicas aportadas por meteoritos y cometas

Inhomogeneidad Homoquiralidad Diversidad funcional Catálisis cruzada

Autocatálisis (protometabolismo)

Protobionte

Membrana Geoquímica Metales, fósforo, azufre. Condiciones fisicoquímicas Evolución Biológica

Progenota

Figura 1. Posibles fases en el origen de la vida celular. La fase T representa la zona de estabilidad termodinámica. En la fase K aparecen los sistemas lejos del equilibrio y se corresponde con la fase de estabilidad cinética dinámica. La gran cuestión pendiente de la abiogénesis es cómo sobrepasar la barrera entre las dos fases: de un sistema de reacciones multicomponente en equilibrio a una red cooperativa lejos del equilibrio.

Análogamente, la importancia de cofactores basados en complejos de metales de transición, cuya existencia prebiótica es plausible, y en heterociclos nitrogenados puede indicar un origen prebiótico para ellos. La conexión entre las estructuras químicas de muchos cofactores heterocíclicos y los nucleótidos con los que se construyen los ácidos nucleicos podría sugerir un escenario común en su origen.26 Hablando sobre las dificultades para definir un modelo sobre el origen de la vida basado en un protometabolismo, Orgel señala que si encontramos un sistema de ciclos análogo a un metabolismo, que pudiera haber operado en la Tierra prebiótica y que pudiera generar nucleótidos, la mayor parte de los obstáculos para la construcción de un modelo sobre la abiogénesis desaparecerían.27 El reduccionismo de la química prebiótica y su visión no evolutiva de la abiogénesis, nos ha permitido averiguar cómo se forman los componentes, pero no da pistas para la comprensión de cómo emergen las propiedades del sistema vivo. Para alcanzar una visión holística, surge la química de sistemas,28 cuyo objetivo es la búsqueda de los primeros ciclos autocatalíticos prebióticos y la integración de los subsistemas metabólico, replicativo y celular en el origen de la vida, buscar la raíz química de la evolución darwiniana y el origen de las propiedades exclusivas de la vida como sistema químico: • Estabilidad cinética dinámica y diversidad funcional, sustentadas por una red química autocatalítica. • Teleonomía, entendida como intencionalidad orientada al mantenimiento de la estabilidad cinética, y, en consecuencia, falta de finalidad del sistema (en términos aristotélicos, presenta causa eficiente pero carece de causa final). • Ruptura de la simetría enantiomérica (homoquiralidad) y de la simetría espacial (inhomogeneidad física y química). • Sistema lejos del equilibrio termodinámico.

Dos reacciones químicas inspiradoras Es curioso que las dos reacciones químicas que revolucionaron el estudio de la abiogénesis, no tengan conexión con la bioquímica y los componentes químicos implicados no tienen relación alguna con la química prebiótica. Sin embargo, posiblemente sean dos de las reacciones químicas más importantes del siglo XX y sin duda han contribuido decisivamente al nacimiento de la moderna química de sistemas y al estudio del origen de la vida: la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ) y la reacción de Soai. La primera de ellas, desarrollada por el bioquímico soviético Belousov en 195129 en su búsqueda de un análogo in vitro del ciclo de Krebs, consiste en la oxidación del ácido malónico por bromato, catalizada por cerio: 2BrO3- + 3CH2 _COOH i2 + 2H+ " 2BrCH _COOH i2 + 3CO2 + 4H2 O Esta ecuación es la suma de una red de unas 18 reacciones acopladas con un motor autocatalítico: 2Ce3+ + BrO3- + HBrO2 + 3H+ " 2Ce4+ + 2HBrO2 + H2 O Si se llava a cabo la reacción sin agitar, en una placa Petri y añadiendo un indicador rédox (ferroína), rojo en presencia de Ce(IV) y azul en presencia de Ce(III), se observa la formación de un patrón de bandas (Figura 2). Este patrón muestra una ruptura de la simetría espacial: desaparece la homogeneidad química de la disolución, con la aparición espontánea de morfología y cooperatividad a nivel molecular: orden. Esta aparente contradicción con la termodinámica del equilibrio se resuelve considerando que el sistema está lejos del equilibrio y da lugar a la formación de lo que Prigogine denominó estructura disipativa:30 un orden que surge de la fluctuación, temporal, dinámico y que se mantiene mientras disipa energía

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eléctricas (Figura 3), simulando las tormentas, obteniendo una abundante cantidad de materia orgánica. La mayor parte de la materia orgánica obtenida de este modo es un material macromolecular, muy variable, estable químicamente, llamado tholin.32 Sin embargo, Miller separó por cromatografía en capa fina una serie de aminoácidos, sobre todo glicina y alanina.

Figura 2. Ruptura espontánea de la homogeneidad: formación de patrones de bandas durante la reacción BZ.

química. ¡La reacción BZ nos estaba mostrando una de las características químicas de la vida!. La segunda reacción fue desarrollada por el grupo del químico japonés Soai en los años 1990.31 Consiste en la síntesis autocatalítica de 5-pirimidin-alcanoles por adición de diisopropilzinc a pirimidin-5-carbaldehídos (Esquema 2). Si se inicia utilizando un 5-pirimidil-alcanol quiral con un leve exceso enantiomérico, conduce a un producto prácticamente homoquiral, en un proceso de amplificación de la fluctuación previa. Estamos ante otro caso de ruptura de simetría provocado por un sistema autocatalítico y otra de las características químicas de la vida. Estas reacciones llevaron a pensar que las propiedades de la vida, como la homoquiralidad, la teleonomía o la diversidad son propiedades emergentes: propiedades que surgen asociadas a la complejidad del sistema. ee = 0.0005%

Figura 3. Experimento de Miller modificado. Las descargas a través de la “atmósfera” hacia el “mar” provocan la acumulación de materia orgánica en el agua.

Análisis realizados con medios modernos muestran que en los experimentos basados en el diseño de Miller se genera una nutrida biblioteca de aminoácidos e hidroxiácidos. La clave de la reacción es el cianuro de hidrógeno (HCN), producido en gran cantidad en las atmósferas ricas en metano y nitrógeno. La formación de los aminoácidos e hidroxiácidos tiene lugar por la síntesis de Strecker y la vía de la cianhidrina (Esquema 3).33

H N

+ R

OH N N

H2O

cianhidrinas

a-hidroxiácidos

ee = 99.5%

H2 O

Esquema 2. Reacción de Soai. Amplificación autocatalítica de un pequeño exceso enantiomérico (ee) previo del producto.

CH4 + NH3 + H2

La química prebiótica comenzó como tal en el año 1953, cuando Miller simuló la que, según los modelos de la época, era la atmósfera terrestre antes del origen de la vida, hace más de 4000 millones de años: una mezcla de metano, amoniaco, hidrógeno y vapor de agua. Sometió la atmósfera a descargas An. Quím. 2013, 109(2), 121–129

H2O (g)

O R

NH3

Sin embargo, no tenemos evidencias experimentales que expliquen el origen de la homoquiralidad biológica y aún tenemos que encontrar pruebas que de que la vida es una propiedad emergente, es decir, que pueda surgir de un sistema químico complejo basado en la autocatálisis.

Química prebiótica: la química del triple enlace del carbono

Descargas eléctricas

O R

H2 O OH

NH2 a-aminoácidos

R NH2

a-aminonitrilos

Esquema 3. Síntesis de Miller de aminoácidos e hidroxiácidos.

Poco tiempo después, en la década de 1960, tres experimentos demostraron que el origen prebiótico de las bases nitrogenadas del ARN también es plausible: la síntesis de adenina de Oró y Kimball34 a partir de cianuro amónico, la síntesis de Ferris-Orgel35 de adenina por polimerización de HCN inducida por rayos ultravioletas, y la reacción de Ferris, Sanchez

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y Orgel,36 entre cianoacetileno (posiblemente presente en la atmósfera primitiva) y urea para producir citosina (Esquema 4). Estas reacciones dieron un papel esencial al HCN en el estudio de la biogénesis, a pesar de las críticas a este tipo de experimentos, centradas en la dificultad geoquímica para lograr suficiente concentración de los reactivos y en acceder a la fase cinética de la biogénesis (Figura 1). Gran parte del esfuerzo posterior se centró en superar las dificultades conceptuales y extender las posibilidades sintéticas del cianuro. Su interés sigue vigente, tanto desde el punto de vista de la biogénesis como el de la química de objetos del Sistema Solar, gracias a trabajos recientes, como el del grupo de Saladino y Di Mauro, en el que demuestran que la formamida, que se puede generar por hidrólisis del HCN, es un precursor prebiótico de nucleobases y aminoácidos, en especial con el concurso de catalizadores minerales.37 O H2N

NH2

citosina NH2

N HC

N H2N

NH2

H2O

cianoacetileno

4x HC

H N

urea

NH2

H N

adenina

diaminomaleonitrilo

Esquema 4. Síntesis de citosina de Ferris, Sánchez y Orgel y síntesis de Oró y Ferris-Orgel de adenina por polimerización de HCN.

En el español Centro de Astrobiología,38 demostramos que la urea, que puede generarse en importantes cantidades a partir de los tholines,39 es un eficaz precursor de purinas y pirimidinas en hielos bajo atmósferas ricas en metano. La síntesis prebiótica de las bases nitrogenadas estaba superada, pero la dificultad, sostenida 40 años, para encontrar la síntesis de los primeros nucleótidos, hizo surgir la necesidad de revisar la idea de un origen prebiótico para los ácidos nucleicos. Idea, sin embargo, revitalizada gracias a un experimento publicado en 2009 por el grupo de Sutherland,40 en el que obtienen directamente un nucleótido, la citidina-5’-fosfato, a partir de precursores prebióticos sencillos (Esquema 5).

La relevancia del triple enlace C≡N ha sido demostrada y sigue vigente, sobre todo gracias al papel del HCN en astroquímica. Sin embargo, el enlace C≡C ha tenido un papel secundario en la química prebiótica. Moléculas altamente insaturadas, como el acetileno, se producen por irradiación de atmósferas con metano y nuestro grupo ha demostrado que, mediante irradiación ultravioleta, el acetileno puede ser un eficiente precursor de purinas y pirimidinas, en un ambiente a baja temperatura.41 Este modelo de baja temperatura es relevante para entender la química presente en Titán, una de las lunas de Saturno, y el satélite joviano Europa, lugares en los que parece claro que coexisten el agua líquida y el hielo. También pudo ser clave en un posible periodo frío de la Tierra primitiva, durante el Hadeano (hace unos 4000 millones de años), según algunas hipótesis, que sugieren que la vida tuvo que surgir en un momento lo suficientemente frío como para asegurar la estabilidad de los recién formados ARN y membranas. Uno de los productos formados por irradiación ultravioleta de acetileno es el ácido glioxílico. Esta molécula puede ser un precursor prebiótico importante, como Eschenmoser propone en su “escenario del glioxilato”. En este escenario (Esquema 6) el glioxilato y su dímero, el dihidroxifumarato, pueden ser los precursores de azúcares, aminoácidos, bases nitrogenadas y componentes del metabolismo intermediario, bajo una clave conceptual que sobrepasa la química prebiótica clásica: constituir el primer paso en el origen del primer sistema bioquímico.

En busca del origen de la bioquímica Durante más de un siglo, el único ciclo experimental abiótico y autocatalítico en el estudio de la biogénesis fue la síntesis de Butlerov o reacción de la formosa,42 que consiste en la polimerización del formaldehído a pH básico para formar azúcares (Esquema 7). La reacción es autocatalítica en su primer paso, la formación de glicolaldehído, que actúa como activador y catalizador. N

Cianoacetileno

O H

Ultravioleta

Cianoacetaldehido

NH2

Cianamida

Pirimidin nucleótidos

Glicolaldehído

H2O H

NH2

Cianamida

Hielo-agua

Glicolaldehído

H2 N

H Descargas electricas

CH4 + N2 NH2

Urea

Hielo-agua

N O

Cianoacetileno

NH2

PIRIMIDINAS

N N

NH2

Formamida

PURINAS UV

O O

NH2

Aminoácidos

O OH

Esquema 5. Síntesis prebiótica de un nucleótido de citosina.

C2H2

Tholines

H2 O

NH2

Urea

Minerales

Fosfato

Citidina -5´ -fosfato

H2N

H2O NH3

O O

HCN

H2O

OH Acido Glioxílico

Azúcares

Esquema 6. Mapa de las rutas principales de la química prebiótica basada en el triple enlace del carbono.

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La química del origen de la vida

Esta reacción fue descubierta casualmente por Butlerov a finales del siglo XIX, debido a que utilizó formaldehído impuro en un experimento sobre la reacción de Cannizzaro; la presencia fortuita de glicolaldehído derivó en una serie de tetrosas, aldopentosas y hexosas, entre otros compuestos. Al llevar a cabo la reacción en solución acuosa, la degradación de los azúcares es muy rápida, dando lugar a hidroxiácidos y un rendimiento muy bajo en pentosas y hexosas. Sin embargo, en un interesante experimento llevado a cabo por el grupo de Davis,43 se demuestra que si llevamos a cabo la reacción de Butlerov encapsulada en liposomas, en los que la difusión de los azúcares a través de la membrana (previa formación de complejo con borato) actúa como regulador, el rendimiento en la formación de aldopentosas aumenta significativamente. Este experimento tiene dos lecturas: ejemplifica la fuerza de la unión de un núcleo autocatalítico con un medio de control y un sistema de encapsulamiento y, por otro lado, muestra una interesante preferencia por las pentosas. ¿Es posible que el papel de la ribosa (una pentosa) del ARN sea jugado por ésta debido a la preferencia en su síntesis prebiótica? O H

OH Glicolaldehído

H O

Pentosa

GiceraldehÍdo O

OH OH

OH O

OH H

Tetrosa

Esquema 7. Reacción clásica de la Formosa o de Butlerow.

Morowitz44 sugiere que el encapsulamiento (celularización) debe ser un paso temprano en el origen de la vida y es posible que, previamente a la primera célula, no hubiera un sistema protometabólico aislado ni una molécula replicadora sin los otros subsistemas, sino una protocélula. La capacidad de auto-reproducción de las vesículas lipídicas fue puesta de manifiesto por el grupo de Luisi con un experimento sencillo:45 la hidrólisis de anhídridos de ácidos grasos, como los de los ácidos caproico u oleico, es muy lenta debido a su insolubilidad; pero si se hidroliza el anhídrido en presencia de vesículas formadas por su ácido, la hidrólisis es muy rápida y tiene lugar el auto-ensamblado y la replicación de las vesículas siguiendo un mecanismo autocatalítico. Este resultado llevó a sugerir que una primera protocélula con capacidad reproductiva se puede conseguir con una maquinaria de síntesis de precursores de la membrana, encapsulada en vesículas lipídicas. Así, surge un nuevo programa de investigación en biogénesis destinado a crear células artificiales y modelos de protocélulas que han ido mostrando resultados prometedores46 y que se integra en la biología sintética. ¿Cuál pudo ser el motor autocatalítico en torno al cual se organiza el sistema bioquímico? Para Morowitz,47 el metabolismo intermediario transporta en sí mismo una información que debería poderse trazar hasta el protometabolismo: un An. Quím. 2013, 109(2), 121–129

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sistema metabólico autótrofo basado en el ciclo de Krebs inverso y en la energía química aportada por el pirofosfato. La paradoja es que se requieren enzimas para producir el sistema metabólico y, a su vez, se requiere éste para producir los enzimas. Esta paradoja podría resolverse utilizando como catalizadores a complejos de metales de transición junto con catalizadores orgánicos de baja especificidad. Esta aproximación, basada en la bioquímica comparada, se conecta con la de De Duve,48 que propone un metabolismo preparatorio o protometabolismo, basado en la formación de los multímeros, estructuras poliméricas de naturaleza peptídica y baja especifidad, como catalizadores en un sistema dominado por la química de los tioésteres, (fundamentales en el metabolismo, como el acetil coenzima A), en una forma primordial del ciclo de Krebs. Sin embargo, para De Duve, el proceso evolutivo comienza con la formación del RNA, con lo que el metabolismo preparatorio debe ser robusto en las condiciones ambientales originarias. Esta idea es interesante desde el punto de vista de la universalidad bioquímica: el metabolismo preparatorio de De Duve no da lugar a catalizadores ni a un núcleo metabólico concreto entre muchos caminos divergentes, sino que está constreñido por las limitaciones de las reglas químicas, con lo que las estructuras peptídicas, el metabolismo central y los primeros ácidos nucleicos son la única alternativa químicamente viable. Durante la última década, la hipótesis de un origen quimioautotrófico del metabolismo, elaborada por Wächtershäuser49 ha ganado interés. Influido por la filosofía de la ciencia de Popper, de quien fue alumno, Wächtershäuser observó que el planteamiento epistemológico de la química prebiótica era erróneo y no podría conducir a enunciar una teoría de la abiogénesis, sino a una mera acumulación de síntesis de aminoácidos y otras moléculas, basadas en justificaciones geoquímicas y astroquímicas. Como alternativa, plantea una hipótesis según la cual el protometabolismo se inicia mediante la fijación reductiva del carbono en superficies de sulfuros metálicos en un entorno hidrotermal, asociado a actividad volcánica. El impulso energético y reductor podría haber sido la reacción de formación de pirita: FeS + H2S " FeS2 + H2 + calor Los sulfuros de hierro favorecerían la formación de metanotiol a partir de CO o CO2. La carbonilación del metanotiol produciría el metiltioacetato, el análogo más simple de la acetil coenzima A, que alimentaría una forma primitiva del ciclo de Krebs inverso (Esquema 8). Las ideas de Wächtershäuser se consideraron provocativas; sin embargo, poco a poco las evidencias experimentales han mostrado que su propuesta es plausible, aunque el paso primordial de reducción de CO2 no ha podido demostrarse. Wächtershäuser cierra el círculo, posteriormente, incorporando el HCN en el conjunto de su modelo, en forma de complejos con metales de transición (Co y Ni), como fuente de carbono. Propone que las metaloenzimas de la bioquímica actual son reminiscencias del pasado prebiótico, en el que su papel lo jugaban complejos metálicos, que incluían complejos cianurados y complejos organometálicos, en superficies de minerales. La formación de catalizadores formados por complejos organometálicos lleva a un proceso autocatalítico denominado aceleración de ligandos

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César Menor-Salván

que conlleva la expansión del sistema orgánico.50 Así, un medio hidrotermal rico en metales de transición y usando como nutrientes de un carbono a los óxidos de carbono, COS, HCN, y CH3SH podría haber sido el escenario del origen del metabolismo celular. H2

CO2 FeS /FeS2 CH 3 SH

FeS /FeS2

Esquema 8. Propuesta inicial de Wachtershauser, comprobada experimentalmente. El tioéster podría servir de puerta de entrada al protometabolismo.

Si el papel del sulfuro de hierro fue visto por Wächtershäuser por deconstrucción de la bioquímica, el modelo quimioautótrofo que Russell comenzó a elaborar en los años 199051 observa al sulfuro de hierro, además, bajo una perspectiva químico-física e incorpora un sistema de celularización y de generación de gradientes, esencial en el mantenimiento de una estructura disipativa y, por tanto, de un sistema metabólico. El contacto entre un fluido de una surgencia hidrotermal submarina, a pH elevado y rico en sulfuro y otras moléculas reducidas, con el agua de mar, a pH bajo, rica en hierro y otros metales lleva a la precipitación de la mackinawita (sulfuro ferroso). El precipitado, coloidal o membranoso contiene complejos metálicos y clústers Fe-S similares a los que se encuentran en metaloproteínas actuales, en particular a las ferredoxinas. En este medio, propone Russell, es donde tiene lugar la reducción de CO2 por una vía análoga a la ruta de Wood-Ljundahl, gracias a la energía proporcionada por la disipación del gradiente electroquímico a ambos lados de la membrana. Las proto-ferredoxinas, complejos solubles hierro-azufre estabilizados con ligandos orgánicos, como tioles alquílicos, podrían promover reacciones clave en el desarrollo de un sistema proto-metabólico, como por ejemplo la fijación de carbono mediante carboxilación reductiva. Si bien se discute la viabilidad geoquímica del modelo de Russell, constituye un sistema prometedor si consigue acumular evidencias experimentales de que pueden alcanzarse condiciones lejos del equilibrio, procesos de autoorganización y expansión de la diversidad de moléculas orgánicas a partir de CO2. El posible papel de los sulfuros metálicos en el origen del metabolismo ha inspirado diversas aproximaciones experimentales, cuyos resultados invitan a seguir explorando esta vía. Actualmente, nuestro grupo de investigación estudia el potencial de sulfuros de hierro reducidos naturales (como la pirrotita) para promover reacciones relevantes en el protometabolismo y sabemos que puede inducir la carboxilación reductiva de un tioester (como análogo prebiótico del acetil-Coenzima A) a piruvato, actuando como una proto-ferredoxina.52 La lucha por entender el origen del subsistema metabólico se une al trabajo realizado para entender el origen de los componentes macromoleculares de la célula, como péptidos y ácidos nucleicos, aún en un estado temprano de desarrollo experimental y cuyo tratamiento excede el propósito del presente trabajo. © 2013 Real Sociedad Española de Química

A pesar de los avances expuestos, apenas podemos responder a la mayor parte de las preguntas en torno a la biogénesis, como por ejemplo cual fue el papel del fosfato, cómo se originaron las primeras membranas lipídicas, cual es el origen de la homoquiralidad biológica o si el primer metabolismo fue quimioautótrofo, fotoautótrofo o heterótrofo. ¿Es posible que la química experimental pueda acercarnos a la respuesta al misterio de la biogénesis? No por sí sola, pero aún necesitamos trabajar más para saber si la respuesta se halla dentro del laboratorio.

Conclusiones Es una posibilidad a considerar que la comprensión del origen de la vida no sea accesible a través de la química experimental y ya tenemos claro que la resolución de esta cuestión pasa por abandonar el reduccionismo y dirigirnos hacia un enfoque sistémico y transdisciplinar que engloba múltiples campos. A pesar de ésta limitación, la investigación de la abiogénesis nos ha permitido obtener una perspectiva global de la base química que sustenta la célula viva, modelar nuestra visión filosófica de la vida, comprender la naturaleza de la vida como fenómeno, nos permite entender mejor la química de lugares fuera de la Tierra y ha dado lugar al nacimiento de nuevas ramas, como la química de sistemas. El problema de la vida y su origen pone a prueba los límites de nuestra metodología de pensamiento científico y es en el viaje hacia su resolución donde encontramos su mayor aporte para el pensamiento humano, independientemente de dónde o cuando se encuentre ésta.

Agradecimientos A Isabel Robledo, por su asistencia en la preparación del manuscrito y a los revisores anónimos, cuyos interesantes comentarios invitan a escribir mas. Sería justo agradecer al SEPE (Servicio Público de Empleo Estatal) su subsidio de desempleo, sin el que no habría sido posible este trabajo.

Nota del editor Este artículo ha sido galardonado con el Premio Senent 2013 concedido por el Grupo de Didáctica e Historia de las Reales Sociedades Españolas de Física y de Química

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La química del origen de la vida

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Investigación Química

Teoría de la evolución química. Tholins: materia orgánica ubicua en el universo. Marta Ruiz Bermejo y César Menor Salván Resumen: En todo el Universo es posible encontrar unas sustancias orgánicas complejas conocidas con el nombre genérico de tholins. Estas sustancias se obtienen por irradiación de mezclas de gases (excluyendo el O2). El análisis de los tholins revela que en ellos es posible encontrar los constituyentes principales de las proteínas y de los ácidos nucleicos. Se cree que los tholins, cuya naturaleza aún no está completamente determinada, pudieron jugar un papel muy importante en la aparición de la vida en la Tierra. La Teoría de la Evolución Química parte de este tipo de sustancias para explicar como pudo surgir el primer organismo vivo. Palabras clave: Tholin, aminoácidos, bases nucleicas, evolución química, química prebiótica. Abstract: In the whole Universe it is possible to find organic complex substances known with the generic name of tholins. These substances are obtained by irradiation of several gas mixtures (excluding the O2). The analysis of the tholins indicates that they can release important bio organics present in proteins, nucleic-acid bases and so on. It has been proposed that the tholins could play an important role in the appearance of life on the Earth. The Chemical Evolution Theory parts from this type of substances to explain as the first living organism could arise. Keywords: Tholin, amino acids, nucleic-acid bases, chemical evolution, prebiotic chemistry.

1. Introducción ¿Cómo surgió la vida en la Tierra? ¿Es posible encontrar vida fuera de nuestro planeta? Estas dos preguntas actualmente, desde un punto de vista científico, no tienen respuesta. Sin embargo, tomando como "patrón" las formas de vida terrestres parece evidente que para la aparición de vida son necesarias la presencia de agua líquida y una fuente de carbono. La hipótesis más aceptada de cómo pudo surgir la vida en la Tierra es la Teoría de la Evolución Química. Esta teoría se basa en la idea de que moléculas orgánicas sencillas reaccionaron entre sí dando lugar a sistemas cada vez más complejos capaces de autoensamblarse y autoorganizarse resultando finalmente en el primer ser vivo. El primer paso para demostrar esta teoría es comprobar si los componentes que forman parte de las proteínas y de los ácidos nucleicos, es decir, aminoácidos, bases púricas y pirimidínicas así como azúcares, pudieron originarse a partir de fuentes inorgánicas de carbono. Una de las mejores aproximaciones para resolver este problema consiste en simular las condiciones en las que la vida pudo originarse. El modelo típico consiste en una fuente de energía externa (descargas eléctricas, radiación ultravioleta, partículas aceleradas de alta energía…) capaz de excitar una mezcla de gases que simule la atmósfera de la Tierra primitiva, la atmósfera de otros planetas o el medio interestelar y analizar el producto formado. La mezcla compleja de compuestos orgánicos que se generan en este tipo de experimentos se conoce comunmente con el nombre de tholins y lo que se ha denominado como Química Prebiótica

M. Ruiz

C. Menor

Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). Ctra. Torrejón-Ajalvir, Km. 4,2. E-28850 Torrejón de Ardoz. C-e: ruizbm@inta.es Recibido: 04/09/2006. Aceptado: 27/10/2006.

se centra básicamente en la preparación, análisis y caracterización de este tipo de sustancias, así como en la síntesis, en condiciones abióticas, de las primeras moléculas orgánicas que se consideran fundamentales para la aparición del primer ser vivo.

2. Experimentos pioneros en química prebiótica. Experimento de Miller Algunos de los experimentos pioneros para sintetizar moléculas orgánicas a partir de una mezcla de gases y una fuente de energía externa fueron los realizados por Löb, en 1913,[1] en el que a partir de una mezcla gaseosa de CO + NH3 + H2O y descargas eléctricas, como fuente de energía, sintetizó glicina. Groth y Suess, en 1938,[2] sintetizaron formaldehído y un polímero de composición desconocida a partir de CO2 + H2O y luz ultravioleta. Algo más tarde, Garrison et. al., en 1951,[3] obtienen pequeñas cantidades de ácido fórmico y formaldehído a partir de CO2 + H2O empleando iones de He+2 de 40 Mev. Pero el verdadero desarrollo de la Química Prebiótica comienza a partir del famoso experimento de Miller.[4] En 1953, Stanley L. Miller, (por aquel entonces doctorando del Premio Nobel de Química en 1934, Harold C. Urey), demostró que era posible obtener algunos de los aminoácidos presentes en las proteínas, además de glicina (Miller desconocía el experimento realizado, años atrás, por Löb)[5] a partir de una fuente inorgánica de carbono. Miller, basándose en las teorías de Urey y Bernal sobre la composición de la atmósfera de la Tierra primitiva,[6] sometió a descargas eléctricas una mezcla de CH4, NH3, H2 y vapor de H2O, durante una semana, obteniendo finalmente una disolución de color rojizo (Figura 1b). Tras el análisis cromatográfico de esta disolución (TLC, cromatografía en capa fina, en dos dimensiones), Miller encontró glicina, alanina, β-alanina, ácido aspártico y ácido β-aminobutírico y otras sustancias que no pudo llegar identificar pero que estimó podrían ser β- y γaminoácidos. Con este experimento quedó demostrado que era posible obtener algunos de los compuestos orgánicos presentes en los organismos vivos a partir de un sistema completamente inorgánico. www.rseq.org

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modo general, los tholins pueden definirse como sólidos orgánicos complejos, generalmente marronáceos (ver Figura 2), obtenidos por radiación de atmósferas reductoras (entendiendo en este caso como atmósferas reductoras aquellas libres de O2).[8] No son sustancias claramente poliméricas, sus propiedades dependen de la fuente de energía utilizada y de la abundancia de los precursores y generalmente, presentan una absorción considerable en el azul que puede ser debida a la presencia de polienos conjugados, H (CH=CH)nH (n >6).[7] A

Figura 2. Tholins obtenidos a partir de una mezcla de CH4+N2+H2, agua líquida y descargas eléctricas. a) Tholin hidrofílico. b) Tholin hidrofóbico.

3.1. Mezclas de gases utilizadas en la preparación de tholins

Figura 1.a) Esquema del equipo utilizado por S. L. Miller, en 1953, en su primer experimento de síntesis de aminoácidos en las supuestas condiciones prebióticas de la Tierra primitiva. b) Disolución rojiza obtenida tras una semana de descargas eléctricas sobre una mezcla de gases (CH4+NH3+H2+H2O) en condiciones similares a las utilizadas por S. L. Miller en 1953.

3. Síntesis de Tholins. Experimentos de simulación en condiciones prebióticas Después del experimento de Miller se realizaron muchos otros variando las mezclas de gases así como la fuente de energía. B. Khare y C. Sagan durante la década de los 70, del pasado siglo, realizaron numerosos experimentos utilizando distintas mezclas de gases presentes en el medio interestelar (CH4, CH3-CH3, NH3, H2O, H2S y formaldehído) y empleando como fuentes de energía descargas eléctricas o radiación ultravioleta. En todos los casos obtenían una sustancia marrón-amarilla, pegajosa y de difícil estudio según los métodos analíticos estándar. Khare y Sagan comienzan a denominar a este tipo de sustancias orgánicas complejas, hasta entonces nombradas como "polímeros intratables", como tholins (del griego θολòζ , tholos, barro, lodo, limo).[7] Estos autores son los primeros en sugerir que estas sustancias estuvieron presentes en el océano de la Tierra primitiva (y por tanto pudieron ser relevantes en el origen de la vida), que son los principales componentes de los aerosoles de color rojo que se observan en la atmósfera de Titán (una de las lunas de Saturno), que están presentes en cometas, condritas carbonáceas (meteoritos con un alto contenido en carbono) y en las nebulosas preplanetarias, además de ser uno de los principales constituyentes del medio interestelar. Por tanto, de un An. Quím. 2007, 103(3), 14−22

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¿Qué mezclas de gases se utilizan y se han utilizado para simular escenarios prebióticos? En el caso de las simulaciones de la atmósfera de la Tierra primitiva se ha trabajado con distintas mezclas de gases según han ido evolucionando las teorías sobre la composición de la misma.[9] Entre 1950−1970 se suponía que la atmósfera primitiva era altamente reductora compuesta principalmente por CH4, NH3, H2 y vapor de agua.[6] Entre 1970 y 1985 se propuso una atmósfera ligeramente oxidada formada por CO2, N2 y agua, posteriormente se sugirió la existencia de una atmósfera neutra constituida por CO, N2 y agua.[10,11] Sin embargo, recientemente se ha indicado que la atmósfera de la Tierra primitiva podría contener hasta un 30% de H2[12] además de CO2, CO, CH4 (en proporción variable, según los autores),[13] N2 y vapor de agua. Pero también es posible simular las atmósferas de otros planetas. Se han realizado experimentos simulando las atmósferas de Júpiter (CH4 + NH3 + H2O),[14] Urano (CH4 + H2),[15] Tritón (CH4 +N2)[16] y Titán (CH4 + N2 + H2,[17] CH4 + N2[18] ). Es importante destacar el gran interés que ha suscitado, en los últimos años, el estudio de Titán (satélite de Saturno, figura 3) como análogo terrestre para el estudio del origen de la vida, debido a su densa atmósfera de nitrógeno y metano y a su color rojizo. Según los primeros análisis, mediante espectrometría IR, este color rojo se debe a la presencia de grandes cantidades de tholins que contienen hidrocarburos (que incluyen hidrocarburos policíclicos aromáticos, alquenos, alquinos) y oxi-especies.[19] La aparente complejidad de Titán y su estudio como laboratorio para investigar el origen de la vida fue una de las motivaciones del envío de la misión Cassini-Huygens. En septiembre de 2004 la nave Cassini entró en la órbita de Saturno, comenzando un estudio exhaustivo de sus satélites, incluyendo Titán. En enero de 2005, Cassini liberó la sonda Huygens, destinada al estudio in situ

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V. Martínez, F. López

de la atmósfera y la superficie de Titán. Los datos enviados por la sonda Huygens (Figura 3b) permitieron descubrir que la superficie del satélite esta formada por hidrocarburos helados sobre agua y amoniaco y confirmar la presencia de una niebla (aerosol) de tholin que le confiere el característico color rojizo. A

telar (H2O + CH3OH + CO + CO2 + NH3)[21] o hielo cometario (H2O + CH3OH + CO2 + CH3-CH3).[22]

3.2. Fuentes de energía empleadas en la preparación de tholins Las fuentes de energía disponibles en la Tierra primitiva pudieron ser radiación ultravioleta, descargas eléctricas (provenientes de los relámpagos de las numerosas tormentas que se creen existieron en la Tierra primitiva), calor proveniente de erupciones volcánicas, radiactividad, rayos cósmicos y la energía desprendida en el impacto de meteoritos (ver Tabla 1). Por otra parte, cuando se simulan las condiciones del medio interestelar se utilizan como fuentes de energía radiación ultravioleta y radiación de partículas cargadas de alta energía (como protones o electrones) para simular los rayos cósmicos.

Figura 3. Titan. a) Magnifica perspectiva, captada por la sonda Cassini, donde se observa el satélite gigante de Saturno, Titán, y la luna helada Encelado, el cuerpo más brillante del sistema solar. b) Imagen de la superficie de Titán captada por la sonda Huygens. Las "rocas" en primer plano son de tamaño centimétrico y están formadas por hidrocarburos sólidos.

Posteriormente, en sucesivas aproximaciones, la nave Cassini ha investigado Titán mediante radar, imágenes en visible, IR y UV y espectrometría, permitiendo descubrir una compleja "hidrología" de metano: lluvia, lagos y ríos de metano líquido que discurren de un modo muy similar a como lo hace el agua en la Tierra. Se ha comprobado que existe una compleja química orgánica sobre la superficie y la atmósfera del satélite (Figura 4). Actualmente muchos de los trabajos de investigación en Química Prebiótica están enfocados a la simulación de las condiciones de Titán. De hecho, hoy en día, la denominación tholin hace referencia, casi exclusivamente, al material orgánico producido en este tipo de simulaciones. Por otra parte, también se han realizado simulaciones del medio interestelar y se han llevado a cabo experimentos sobre mezclas de gas interestelar (H2O + CO + NH3),[20] hielo interes-

Tabla 1. Fuentes de energía disponibles en la Tierra primitiva.[14b] a Rendimiento de glicina al utilizar una mezcla 1:1 de CO y N2 como productos de partida. b Valor de 1.5 keV Rayos-X blandos. c 0 − 1.0 km de profundidad sobre la superficie de la Tierra. d Simulación empleando un plasma de alta temperatura utilizando un "magnetoplasma dynamic arc-jet". S. Miyakawa, Ph. D. Thesis, Tokyo Institute of Technology, 1999. Fuente de Energía

Radiación Solar Total λ< 200 nm λ< 150 nm λ< 110 nm Descargas eléctricas

AB Ref. Rendimiento /molécula de Gly /molécula m-2 año-1 eV-1 (B)a

Flujo estimado /eV m-2 año-1 (A)

6.8 x 1028 2.2 x 1025 9.1 x 1023 4.2 x 1022 1.8 x 1022 ~ 1.0 x 1024 Calor de Volcanes 3.4 x 1022 Radioactividad c 2.0 x 1023 Rayos Cósmicos 2.9 x 1021 Impacto de Meteroritos 1.0 x 1022

[23]

~0 ~0 [23] ~0 [24] < 8 x 10-5 b < 3 x 1017 [25] 7 x 10-9 1 x 1013 [23] ~ 7 x 1015 [23] ~0 [23] ~0 [24] 2 x 10-4 6 x 1017 [23] (2 x 10-7) d (2 x 1015) [23]

4. Compuestos orgánicos con interés biológico detectados en tholins

Titan/T0 : Comparison of emission observed with CIRS FP3 and model 7 10 -7

C2H2

Model

6 10 -7 lat=50-70°S

Radiance (W sr-1 cm-2/cm-1)

5 10 -7

4 10 -7

3 10 -7

HCN C3H8

2 10 -7

C4H2

1 10 -7

CO2 C3H4

0 620

640

660

680 700 Wavenumber (cm-1)

720

740

760

Figura 4. Análisis mediante el instrumento CIRS (Compound Infrared Spectrometry, en sus siglas inglesas), equipado en la sonda Cassini, de la superficie de Titán. El acetileno es un componente importante en el suelo y la niebla de Titán y parece ser el precursor de los hidrocarburos aromáticos hallados en la luna de Saturno. (Espectro cedido por Athena Coustenis/Paris-Meudon Observatory).

Considerando todas las posibles atmósferas y las fuentes de energía disponibles, las condiciones de síntesis de los tholins son inmensas y por tanto el número de tholins diferentes que se pueden obtener, y que se han obtenido, en el laboratorio es enorme. Sin embargo, todos los tholins tienen una característica común: en todos ellos se puede detectar la presencia de aminoácidos, tanto en los provenientes de las simulaciones en laboratorio como de los que forman parte de las condritas carbonáceas y sólo en unos pocos casos rinden bases y otros compuestos orgánicos. En los experimentos de simulación se ha observado que la diversidad y el rendimiento en aminoácidos y en otros compuestos orgánicos depende de la mezcla de gases utilizada (fuentes de C y de N) y de la fuente de energía. Por tanto, la presencia de compuestos orgánicos con interés biológico en los tholins depende directamente de las condiciones prebióticas en las que se hayan formado. www.rseq.org

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4.1. Aminoácidos

fenilalanina, el triptófano y la tirosina aún no han sido detectados en experimentos de simulación empleando una fuente externa de energía. Los aminoácidos básicos se forman en muy raras ocasiones y la lisina y la histidina sólo han sido detectados en experimentos de radiolisis de disoluciones acuosas de NH4CN.[28] En la bibliografía sólo se recoge un caso de formación de aminoácidos que contienen azufre en condiciones prebióticas.[27ª] El análisis de los tholins provenientes de condritas carbonáceas, como el meteorito de Murchinson (actualmente es el meteorito mejor estudiado en cuanto a su composición en moléculas orgánicas[29] y nombrado así por caer en Australia en el lugar del mismo nombre en 1969), indican que de alguna forma en las condiciones del espacio exterior es posible formar fenilalanina y tirosina[29] sin embargo, no se han detectado en él, hasta la fecha, aminoácidos con azufre. Considerando el análisis en aminoácidos de los tholins "sintéticos" y de los presentes en condritas carbonáceas hay aminoácidos naturales que no han sido detectados en ningún caso: metionina, triptófano, asparagina, glutamina, hidroxilisina y arginina. Hay que tener en cuenta que el análisis de aminoácidos en este tipo de sistemas se realiza, siempre, tras hidrólisis ácida de las muestras (generalmente HCl 6M/24h/110ºC, condiciones estándar de hidrólisis de proteínas), porque generalmente los aminoácidos no se encuentran libres en los tholins sino como parte de precursores desconocidos. Sin embargo, hay que indicar que bajo las condiciones de hidrólisis mencionadas los enlaces amidas presentes en la

En los experimentos de simulación en condiciones prebióticas se obtienen tanto aminoácidos naturales (α-aminoácidos presentes en las proteinas) como aminoácidos no naturales (α-,β, γ- y δ- aminoácidos) en proporciones similares a las encontradas en condritas carbonáceas. Sin embargo, como ya se ha mencionado el rendimiento en aminoácidos depende de las condiciones experimentales. En experimentos en los que se emplean descargas eléctricas las mezclas que contienen CH4 dan lugar a un mayor rendimiento y diversidad en aminoácidos que las que contienen CO o CO2 pero para mezclas con relaciones H2/CO2 y H2/CO iguales a uno o mayores el rendimiento en aminoácidos es aproximadamente el mismo que el de las mezclas con CH4.[26] En cambio si se utilizan partículas cargadas de alta energía (H+ 2.5 - 4 Mev, H+ 40 Mev, He2+ 65 Mev, e- 400 Mev, e- 1 Gev), la cantidad de glicina obtenida no depende de la fuente de carbono empleada (CH4, CO2 o CO) sino de la cantidad total de energía suministrada al sistema, y por tanto en estos casos el rendimiento en aminoácidos no depende ni de la temperatura ni de la presión de vapor del agua.[24] En el caso de simulaciones en las que se emplea radiación UV sólo es posible obtener aminoácidos si la fuente de nitrógeno es NH3 o bien si se emplean radiaciones con longitudes de onda inferiores a 110 nm (Rayos X blandos) en el caso del N2.[27] A pesar del gran número de experimentos realizados la

Aminoácidos ácidos y sus amidas

Aminoácidos presentes en las proteinas

Aminoácidos que contienen S Aminoácidos alifáticos

H2N

Cisteina

O Glicina (Gly)

O OH

H2N

Cistina (Cys-Cys) HO

Alanina (Ala)

H2N

NH2 HO

OH O

O NH2

O Glutamina (GluNH2) H2N

Aminoácidos aromáticos Fenilalanina (Phe)

O H2N

O Tirosina (Tyr)

Isoleucina (Iso)

NH2

HO NH2 O

Ácido glutámico (Glu)

Leucina (Leu)

Asparagina (AspNH2)

NH2

Meteonina (Met)

OH H2N

H2N Valina (Val)

NH2

H2N

OH O

O O

NH2

Ácido aspártico (Asp) HO

Aminoácidos básicos Lisina (Lys)

H2N

O OH

NH2 H2N

Hidroxiaminoácidos

H2N

H N

Histidina(His)

Aminoácidos secundarios

OH NH2

HN HO

Prolina (Pro) OH

Arginina(Arg)

Hidroxiprolina O

OH OH

Treonina (Thr)

H2N

Serina(Ser)

Hidroxilisina (HyLys)

Triptófano (Try)

NH2

OH NH

N H

H2N

H N NH

NH2 OH O

Figura 5. Aminoácidos presentes en las proteínas. Se destacan en azul aquellos aminoácidos, que hasta la fecha, no se han podido sintetizar en experimentos de simulación bajo condiciones prebióticas. An. Quím. 2007, 103(3), 14−22

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asparagina y en la glutamina también se hidrolizan por lo que no es de extrañar que estos aminoácidos no se hayan detectado, al igual que el triptófano que se destruye en las condiciones indicadas. Por otra parte, es interesante indicar que el triptófano y la meteonina son los aminoácidos que se encuentran en menor proporción en las proteinas (del orden de 1 en 600), hecho que quizá esté relacionado con la dificultad de su síntesis en condiciones abióticas. El problema de la síntesis prebiótica de aminoácidos no está completamente resuelto y además hay que considerar otro factor no menos importante: el mecanismo de formación de los aminoácidos en estas condiciones. Existen varios modelos para explicar la formación de aminoácidos a partir de fuentes inorgánicas de carbono y una fuente externa de energía pero ninguna de ellas está completamente demostrada y además parece que el mecanismo de formación depende directamente de las condiciones en las que se lleve a cabo el experimento. Por ejemplo, parece que en los experimentos con descargas eléctricas el mecanismo de formación de aminoácidos sigue la misma ruta que la síntesis de Strecker (en este tipo de experimentos la formación de HCN y NH3 se produce con relativa facilidad).[30] Otros autores han propuesto la polimerización de HCN, en disoluciones saturadas, como la vía más probable de formación de aminoácidos (modelo de Matthew)[31] (Esquema 1). También se han propuesto mecanismos alternativos a partir de reacciones de RCN con otros compuestos saturados y especies radicalarias[32] y modelos en los que la presencia de HCN no es necesaria.[33] Otro de los grandes enigmas en la síntesis prebiótica de aminoácidos es el origen de la homoquiralidad. Todos los aminoácidos presentes en las proteínas son L y en todos los experimentos de simulación siempre se obtienen mezclas racémicas. ¿Cómo pudo originarse la ruptura de simetría? En el meteorito de Murchinson se ha detectado hasta un exceso del enantiómero L de la isovalina del 15% [34] y en el meteorito de Murray se han detectado excesos enantioméricos del 8.4%, 9.1%, 1.2% y 2.2% en isovalina, DMPA (Ácido 2amino-2,3-dimetilpentanoico), alanina y valina, respectivamente.[35] Se ha sugerido que el exceso enantiomérico observado en meteoritos se debe a fenómenos diagenéticos, tales como la exposición de los aminoácidos a luz circularmente polarizada emitida por estrellas de neutrones, pudiendo resultar en una destrucción preferencial de uno de los enantiómeros.[36] En este sentido se han realizado experimentos con leucina en disolución y se ha observado que la luz polarizada induce fotolisis asimétrica.[37] Recientemente, se ha realizado el primer experimento empleando luz UV circularmente polarizada (167 nm) sobre una mezcla de agua, metanol y amoníaco simulando las condiciones del hielo interestelar, obteniéndose ligeros excesos enantioméricos en alanina y ácido 2,3-diaminopropanoico, pero el exceso se puede considerar dentro del margen de error del límite de detección de la técnica empleada, GC-MS (Cromatografía de Gases-Espectrometría de Masas).[38] Otra de las teorías sobre la ruptura de simetría se basa en la violación del principio de paridad.[39] Las fuerzas electrodébiles determinan la homoquiralidad de los núcleos de los átomos y como consecuencia los dos enantiómeros no son energéticamente equivalentes. Esta diferencia es muy pequeña y podría atribuírsele un papel secundario en la evolución abiótica, pero algunos autores sugieren que la adsorción preferencial de uno de los enantiómeros sobre cuarzos

A) Síntesis de Strecker RCH(NH2)CN

RCHO + HCN + NH3

H2O

RCH(NH2)CONH2 H2O RCH(NH2)COOH

B) Modelo de Matthew HCN H

NH HCN C C N

H H2N C C N C N Aminomalononitrilo

H NH H NH HCN HN C C HN C C C R´ n n N Heteropoliamidina Poliaminomalononitrilo ¿Polímeros de HCN?

H2O H O HN C C R´ n Heteropolipéptido ¿Proteína primordial?

Esquema 1. Mecanismos de formación propuestos en las síntesis prebiótica de aminoácidos. Los aminoácidos en los tholins no se encuentran como tales, sino formando parte de precursores que trás hidrólisis ácida dan lugar a su formación.

quirales o caolinitas podría haber incrementado la diferencia energética entre ambos.[40] Recientemente se ha propuesto que las fuerzas electrodébiles podrían haber jugado un papel importante en el origen extraterrestre de la homoquiralidad. Los antineutrinos, producidos en las explosiones de las supernovas, podrían haber proporcionado un posible mecanismo de ruptura en las nubes interestelares.[41] Otras teorías se basan en las influencias de campos eléctricos y magnéticos,[42] o en la influencia de fuerzas mecánicas quirales de rotacióntraslación (por ejemplo: vórtices hidrodinámicos).[43] Además de las indicadas, existen otras teorías sobre el origen de la homoquiralidad como las propuestas por Frank[44] y Calvin[45] que sugirieron que reacciones autocatalíticas asimétricas podrían haber jugado un papel determinante en la generación sesgada de la asimetría molecular.

4.2. Bases púricas y pirimidínicas Obtener aminoácidos en condiciones prebióticas es relativamente fácil, se forman en multitud de condiciones y es relativamente sencillo detectarlos en condritas carbonáceas. Sin embargo, no sucede lo mismo con las bases púricas (adenina, guanina) y pirimidínicas (citosina, uracilo y timina) presentes en los ácidos nucléicos. En la bibliografía sólo se recoge un ejemplo de formación de bases púricas y pirimidínicas utilizando descargas eléctricas como fuente de energía.[46] Hay que indicar que en este experimento, el rendimiento en bases es tres órdenes de magnitud menor que el rendimiento en aminoácidos (ver Figura 6). Por lo tanto no puede extrañar que la detección de bases, en este tipo de experimentos, no comenzase a ser recogida en la bibliografía hasta la década de los ochenta, en la que las técnicas cromatográficas estaban ya lo bastante desarrolladas, alcanzando límites de detección lo suficientemente bajos como para hacer posible este tipo de análisis. Más recientemente, Miyakawa et al. consiguen obtener citosina y uracilo a partir de una mezcla de CO+N2 (1:1), vapor de agua y descargas sobre un plasma a alta temperatura.[47] Los autores no observan formación de bases púricas, resultado que inter-

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Teoría de la evolución química. Tholins: materia orgánica ubicua en el universo O H2N

H2O(L) (50 mL) CH4 + C2H6 + NH3 (3 : 1 : 4) Descargas eléctricas 48h, 25-28 ºC (25 experimentos)

OH O

Leucina

Ácido glutámico Rendimiento total de aminoácidos 1.8% O N H N N HN N N N H N H2N NH2 Adenina

Guanina NH2

NH2

N O

N NH2 H Isocitosina

Fracción 1 : 1.5M HCl O HN

HN O

N H

Figura 6. Único ejemplo recogido en la bibliografía [46] de formación de bases púricas y pirimidínicas, en experimentos de simulación en condiciones prebióticas utilizando descargas eléctricas como fuente de energía. El rendimiento en bases es del orden de mil veces menor que en aminoácidos y fue necesario repetir el experimento 25 veces para poder acumular suficiente cantidad de tholin, con el fin de que la concentración en bases fuese lo suficientemente alta para ser detectada con los equipos de GC-MS (Cromatografía de GasesEspectrometría de Masas) disponibles en 1984.

pretan como consecuencia de la baja relación N/C (0.71) en el grueso del tholin obtenido. Para comprobar este hecho, repiten el mismo experimento aumentando la cantidad de N2 introducido en el sistema, CO+N2 (1:9).[48] En este caso, obtienen un tholin con una relación N/C más alta (1.8) y detectan guanina, además de citosina y uracilo. Sin embargo, los mismos autores, al utilizar la misma relación inicial CO/N2 (1:1) pero cambiando la fuente de energía, en este caso protones de alta energía que simularían rayos cósmicos, son capaces de detectar mayor número de bases pirimidínicas, pero además de guanina, también detectan adenina (ver figura 7).[49] Entonces, ¿cuáles son las mejores condiciones de formación de las bases de los ácidos nucleicos en condiciones prebióticas? ¿Cuál es al mecanismo de formación de bases en experimentos de simulación? Este es otro de los problemas aún no resuelto. Como puede verse la formación de bases parece depender directamente de las condiciones experimentales y en este tipo de síntesis "irracionales" determinar las especies intermedias que se forman no es sencillo. Además, hay que considerar que siempre es necesario hidrolizar las muestras en condiciones ácidas para detectar este tipo de bases, es decir, en este caso también se encuentran como un precursor desconocido en el tholin. Sin embargo, se ha sugerido, que como en el caso de los aminoácidos, la presencia de HCN es crucial para la síntesis prebiótica de bases nucleicas. Oró, en 1966, demostró que es posible obtener adenina por calentamiento de una disolución concentrada de NH4CN.[50] Actualmente se sugiere que la formación de bases púricas, en condiciones prebióticas, se debe a reacciones de polimerización de HCN.[51] Por otra parte, en las condiciones del espacio exterior, si se forman bases púricas con interés biológico. Adenina, guanina, hipoxantina y xantina han sido encontradas en distintas contritas carbonáceas[52] y también se han detectado pirimidinas con y sin interés biológico.[53] Otro hecho bastante destacable es que se ha encontrado timina (en concentraciones del orden de www.rseq.org

NH N H

5-Hidroxiuracilo (0.00055%)

Fracción 2 : 2.5M HCl O

OH Ácido nicotínico (0.00043 %)

4,5-Dihidroxipirimidina (0.000036 %)

Fracción 3 : 6M HCl N

Rendimiento total de bases 0.0023%

Ácido orótico (0.0016%)

O N H

Hidrólisis ácida (HCl 6M, 100ºC, 24h)

Uracilo (0.0011%)

N H

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Tholin 3 h / 24º C

Separación en fracciones con resina de intercambio iónico Dowex 50 (H+)

NH2 NH2

Alanina

CO + N2 + H2O (L) (1 : 1)

Valina

H+ 2.5 -3.0 Mev

O OH

NH2 O Ácido aspártico

Glicina

H2N

NH2

HN Adenina N (< 0.000045%) N H2N H

H N N

Guanina (< 0.000045%)

Figura 7. Bases púricas y pirimidínicas obtenidas en un experimento de simulación a partir de una atmósfera neutra, posible en la Tierra primitiva, y radiación con protones de alta energía (rayos cósmicos). El tholin obtenido es hidrolizado, posteriormente se separa en fracciones utilizando una resina de intercambio iónico, y finalmente se analiza el contenido en bases de cada una de las fracciones por GCMS (Cromatografía de Gases- Espectrometría de Masas) y HPLC con un detector de fotodiodos (Cromatografía Líquida de Alta Presión). Cada una de las bases es identificada en GC-MS como su trimetilsilil- derivado y por HPLC por su espectro UV-vis. [49]

nanogramo por gramo de muestra) en varios meteoritos como Murchinson, Allende, Murray o Orgueil, cuando en ningún experimento de simulación ha sido posible detectar esta base. Por tanto, existen aún condiciones prebióticas no ensayadas, o desconocidas, en las que es posible sintetizar este tipo de bases con mayores rendimientos y diversidad a los alcanzados actualmente en el laboratorio. Sin embargo, no se ha detectado citosina en ninguno de los meteoritos estudiados.[54]

4.3. Azúcares La síntesis de azúcares en condiciones prebióticas es aún mucho más compleja que la de las bases nucleicas. Algunos autores sugieren la reacción de la formosa o reacción de Butlerow (1861) (Esquema 2) como el mecanismo más probable de formación de carbohidratos en la Tierra primitiva.[55] Esta reacción autocatalítica del formaldehído en medio básico, implica distintos procesos como condensaciones aldólicas del formaldehido, hidroxialdehidos, e hidroxicetonas, transposiciones de Lobby de Bruyn-van Ekenstein, mutarotaciones y reacciones de Cannizzaro. La reacción de la formosa da lugar a mezclas complejas de azúcares ramificados y no ramificados de al menos hasta ocho átomos de carbono.[56]

O C

Ca(OH)2 H

Calor

Mezcla compleja de azúcares

Esquema 2. Reacción de Butlerow o reacción de la formasa. ¿Síntesis más probable de formación de azúcares en la Tierra primitiva?

En la bibliografía sólo se recoge un estudio de detección de azúcares en un "tholin sintético" obtenido en un experimento con descargas eléctricas.[57] Sin embargo, en los meteroritos de Murchinson y Murray se han detectado compuestos relacionados con azúcares, como dihidroxiacetona, azúcares alcohólicos, azúcares mono- y di- ácidos, y deoxiazúcares ácidos (ver figura 8).[58] © 2007 Real Sociedad Española de Química

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Azúcares

Azúcares alcohólicos

Azúcares ácidos

CH2OH C O CH2OH

CH2OH H C OH CH2OH

CO2H H C OH CH2OH Ácido glicérico

Dihidroxiacetona

Glicerol

CH2OH H C OH H C OH

CO2H H C OH H C OH

CH2OH

CH2OH Ácidos eritrónico y treónico

Eritrol y Treitol

CH2OH H C OH H C OH

CO2H H C OH H C OH

H C OH CH2OH

Ribitol e isómeros

Ácido ribónico e isómeros

CH2OH H C OH HO C H 6C

CO2H H C OH HO C H

Azúcares diácidos

Deoxiazúcares

CO2H H3C C OH CH2OH

CO2H H C OH HO CH CO2H Ácidos tartárico y mesotartárico

CO2H H C OH H C OH

CO2H H C OH H C H

CO2H H C OH H C OH

CH3 CH2OH CH2OH Ácido Ácido Ácido 2,4-dihidroxibutírico 2,3-dihidroxibutírico 3,4-dihidroxibutírico y diasteroisómeros

Ácido 2-metil glicérico

CO2H H C H H C OH

CO2H H C OH HO C H

H C OH CH2OH

H C OH CO2H Ácido 2,3,4-Trihidroxi pentanodioico

Ácido 2-deoxipentanoico

CO2H H C OH HO C H

CO2H H C H H C OH

CO2H H C OH H C H

H C OH H C OH CH2OH

H C OH H C OH CO2H

H C OH H C OH CH2OH

Glucitol e isómeros

Ácido glucónico e isómeros

Ácido glucárico e isómeros

Ácido 2-Deoxihexanoico

Ácido 3-Deoxihexanoico

Figura 8. Azúcares y compuestos derivados encontrados en los meteoritos de Murchinson y Murray. La detección de estos compuestos se realizó mediante análisis de sus t-BDMS (t-butil-dimetil silano) y TMS (trimetil silano) derivados por GC-MS.[58]

5. "Mundos PRE- ARN"

Base

El descubrimiento de la actividad catalítica del ARN[59] (ácido ribonucleico) supuso la aceptación del ARN como primer material genético. Sin embargo, la dificultad para sintetizar azúcares bajo condiciones abióticas, la inestabilidad de la ribosa y de otros azúcares,[60] la enorme dificultad en la formación prebiótica de los enlaces glicosídicos presentes en los nucleótidos[61] y la imposibilidad para lograr una polimerización no enzimática[62] son factores que cuestionan seriamente si el ARN pudo ser el primer material genético. Como alternativa se ha propuesto que el ácido nucleico peptídico (ANP) pudo ser un posible precursor del ARN.[63] El ANP estaría constituido por N-(2-aminoetil)-glicina (AEG) y los ácidos N-acéticos de adenina, uracilo, guanina y citosina (Figura 9). Aunque aún no se ha demostrado que los ANP pudiesen estar presentes en un escenario prebiótico es posible obtener directamente AEG por medio de descargas eléctricas y una mezcla de CH4, N2, NH3 y H2O. Empleando descargas eléctricas también es posible obtener etilendiamina, así como polimerizaciones del NH4CN, que darían lugar a todos los componentes de los ANP.[64] Sin embargo, existen otras alternativas al mundo ARN. La facilidad con la que se obtienen aminoácidos en condiciones prebióticas y la formación de enlaces peptídicos en medios salinos acuosos[65] hace probable la existencia de un mundo peptídico[66] en el que sería factible la hipótesis del PIW (mundo de interacción de proteinas, en sus siglas inglesas).[67]

Base

N OH

O P

O n Ácido nucleico peptídico (ANP)

-O O Ácido ribonucleico (ARN)

n N

NH2

N N N O Ácido acético-N9-adenina

O HO

N HO

Ácido acético-N1-uracilo

N O

N Ácido acético-N9-gu

(ARN)

)

NH2

O N

N HO

O N Ácido acético-N9-guanina O

O co-N1-uracilo

O HO

N O

N NH2

Ácido acético-N1-citosina

Figura 9. Los ácidos peptídicos nucleicos (ANP) son posibles precursores del ARN, constituidos por N-(2-aminoetil)glicina (AEG) y los ácidos N-acéticos de adenina, uracilo, guanina y citosina. En los ANP el enlace ribosa-fosfato es reemplazado por un enlace poliamida de N-(2-aminoetil) glicina.

6. Conclusiones Los tholins son sustancias orgánicas complejas obtenidas por irradiación de mezclas de gases exentas de oxígeno pero con un aporte significativo de carbono. Este tipo de sustancias parece estar presente en todo el Universo y es muy probable que desempeñasen un papel fundamental en el origen de la vida en la Tierra. Su composición química y propiedades dependen directamente de las condiciones en las que se hayan obtenido pero su estructura aún permanece sin determinar. El desarrollo de técnicas analíticas y de caracterización estrucwww.rseq.org

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Teoría de la evolución química. Tholins: materia orgánica ubicua en el universo tural cada vez más sofisticadas y sensibles ha proporcionado un gran avance en la determinación de la naturaleza de los tholins. En ellos es posible encontrar casi todos los constituyentes de las proteínas y de los ácidos nucleicos. Sin embargo, hay muchas cuestiones aún sin responder. Por ejemplo, ¿cuál es el origen de la homoquiralidad?, ¿por qué en las proteínas sólo se observan algunos de los aminoácidos que sabemos se pueden obtener en condiciones prebióticas? ¿por qué otros, como aquellos que contienen azufre, no se han detectado?¿cómo se formaron los primeros péptidos? ¿cómo fue posible que se formarán y acumulasen azúcares, en condiciones prebióticas, a pesar de su baja estabilidad? ¿cuál fue el primer material genético? Por tanto, la hipótesis de la Evolución Química es uno de los problemas aún no resueltos y más fascinantes de la ciencia actual.

Agradecimientos Los autores agradecen al Centro de Astrobiología (CAB) en cuyas instalaciones se ha realizado este trabajo, con fondos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial "Esteban Terradas" (INTA). A Juan Pérez-Mercader y Sabino Veintemillas por iniciarnos en el estudio de la Química Prebiótica y a Susana Osuna por su constante ayuda.

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La composición molecular del ámbar de El Soplao-Rábago como biomarcador paleobotánico C. Menor-Salván1 Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). Ctra. Torrejón-Ajalvir, km 4. 28850 Torrejón de Ardoz.

INTRODUCCIÓN El estudio científico de las resinas fósiles no es una temática de reciente invención y, tradicionalmente, se ha centrado en el aprovechamiento de la extraordinaria preservación de los materiales biológicos incluidos en ellas. Menos detallado y conocido, sin embargo, es el estudio de la composición molecular del ámbar, que puede aportar información acerca de su origen botánico y del destino geológico de los terpenos biológicos, además de constituir una prueba directa del metabolismo de plantas que vivieron hace millones de años. El uso de los terpenoides contenidos en el ámbar como marcadores moleculares taxonómicos y paleobotánicos constituye un área en desarrollo y las conclusiones obtenidas a partir de ellos están sujetas a la sistematización e identificación de nuevas moléculas en los ámbares y las resinas actuales. En este aspecto, el hallazgo de un extraordinario depósito de ámbar en el término de Rábago, en la carretera de acceso a

El Soplao, constituyó un hecho significativo para nuestro conocimiento del ámbar a nivel molecular, debido a su abundancia, estado de conservación y al encontrarse acompañado de abundantes restos fósiles. El ámbar de éste yacimiento se encuentra en un nivel de una potencia de 1,5 a 2 metros de lutitas negras, limolitas y areniscas con acumulaciones decimétricas de material vegetal (Fig. 1). Los fragmentos de ámbar son tanto subaéreos como subterráneos y su rango de tamaño va desde microscópico (resinita) hasta masas decimétricas. El depósito es de edad Albiense (112-110 Ma), incluído en la formación Las Peñosas (Najarro et al., 2010). Como aclaración terminológica, consideraremos que ámbar y resinas fósiles son términos sinónimos desde un punto de vista geoquímico y que los podemos definir como aquellos materiales sólidos orgánicos discretos y macroscópicos, encontrados en el registro sedimentario y derivados de resinas de plantas superiores (Anderson et al. 1992). El térmiFig. 1.- Ámbar del yacimiento de El Soplao-Rábago, encajado en lutita y fotografiádo in situ con luz natural, bajo la cual el ámbar de éste depósito muestra una bella y única coloración azulada.

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Avances en la investigación geológica de la cueva El Soplao y su entorno

Fig. 2.- Exudado resinoso de un árbol del género Cupressus, compuesto mayoritariamente por los diterpenos ferruginol, totarol y ácidos dihidroagátólico y pimárico.

no resinita, que algunos autores como Anderson consideran sinónimo de resina fósil o ámbar, lo consideraremos únicamente para definir los materiales de éste tipo que se observan a nivel microscópico.

kincense o los mucílagos (Langenheim, 2003). Los exudados de coníferas, o resinas (también oleorresinas cuando aún no han solidificado), son líquidos viscosos, normalmente incoloros o amarillentos, que se endurecen al cabo de días o semanas. Son muy solubles en disolventes clorados y parcialmente solubles en hexano, hidrocarburos aromáticos y metanol. Estos exudados son materiales altamente resistentes a la degradación y a los procesos biogeoquímicos, que tienen lugar tras la deposición del material biológico en el suelo. La resina, al contrario que los tejidos vegetales, puede mantenerse inalterada durante periodos de cientos a miles de años. En periodos mayores y bajo circunstancias favorables en el medio geológico, tienen lugar procesos de polimerización que endurecen el material y lo hacen más resistente a la degradación, pudiendo mantenerse inalterada durante decenas de millones de años. Esta resina, polimerizada y estabilizada en el medio geológico se conoce como resina fósil o ámbar.

Así, en éste capítulo pondremos la composición del ámbar en su contexto bioquímico, a través de los componentes químicos de las resinas y su transformación diagenética, introduciremos los términos químicos más relevantes, para que los lectores menos formados en Química puedan entender de qué está compuesto el ámbar y describiremos la composición molecular del ámbar de El Soplao, cuyo análisis detallado e interpretación condujeron a la tesis de que su origen puede ser la familia extinta de coníferas Cheirolepidiaceae (Menor-Salván et al., 2010).

Los terpenos son importantes productos metabólicos presentes en todos los órdenes biológicos y desempeñan una gran variedad de funciones. Moléculas tan conocidas como el colesterol o muchas hormonas como la testosterona, pertenecen a ésta familia molecular. Para la planta son vitales, en tanto que actúan como mediadores esenciales en procesos de polinización y defensa contra infecciones y ataques de parásitos. Químicamente, los terpenos son polímeros del hidrocarburo isopreno (2-metil-1,3-butadieno), y se clasifican en grupos según el número de unidades de isopreno que los forman:

ORIGEN DEL ÁMBAR: LOS TERPENOS

– Monoterpenos: Formados por dos unidades de isopreno. Están muy extendidos en todo el reino vegetal y son responsables de aromas muy conocidos. Su interés geoquímico es limitado debido a su volatilidad.

Todas las coníferas producen secreciones resinosas (Fig. 2), compuestas de una familia de moléculas llamadas terpenos, apreciadas por sus aromas característicos y muy utilizadas tradicionalmente como adhesivos, para la obtención de disolventes (aguarrás, obtenido por destilación de la resina y compuesto básicamente por el hidrocarburo pineno), obtención de pinturas y barnices, obtención de aromas o como conservantes. Las resinas de coníferas forman parte de un grupo general conocido como exudados, que incluye, además de las resinas de coníferas, productos de angiospermas, como la goma arábiga, mirra, la resina fran-

Sesquiterpenos: Formados por tres unidades de isopreno. Pueden ser lineales, mono, bi y tricíclicos y se pueden clasificar en 6 grupos según su precursor estructural: acíclicos, bisabolanos, cadalanos, himachalanos, germacranos y humulanos. En las plantas juegan un importante papel como semioquímicos. También son precursores del color azul o violáceo de algunos hongos y flores.

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

tendidos en todas las coníferas y la mayor parte de los ámbares son producto de polimerización de estas estructuras (Lambert et al., 2008). Así pues podemos considerarlos biomarcadores genéricos de coníferas. Su síntesis bioquímica tiene lugar a partir del geranilgeraniol (Fig. 5).

Fig. 3.- Ejemplos de monoterpenos muy conocidos. El pineno es uno de los principales responsables de la fluidez de las resinas de coníferas frescas. Su evaporación conlleva el endurecimiento de éstas.

Su interés quimiotaxonomico es limitado debido a su amplia distribución en todas las plantas, briofitas y hongos. La presencia de esqueletos carbonados de sesquiterpenos, en especial derivados de cadinano, en petróleos y rocas sedimentarias constituye un biomarcador de plantas terrestres. Por el momento, el mayor interés se centra en algunos derivados del bisabolano, el cedrol y cupareno y moléculas relacionadas, considerados biomarcadores específicos de Cupressaceae (cipreses). Asimismo, los derivados del germacrano, presentes en todas las coníferas (Otto y Wilde, 2001), pueden tener importancia como precursores de los derivados de azuleno, encontrados en las muestras de ámbar y hojas fósiles de El Soplao. Los sesquiterpenos y monoterpenos son moléculas ligeras y las responsables del aroma de las coníferas (el característico “olor a pino”) y otros aromas vegetales. Diterpenos: formados a partir de cuatro unida-

Diterpenos tricíclicos: Dentro de estos podemos encontrar un tipo muy importante desde un punto de vista geoquímico: las moléculas con el esqueleto del abietano (Fig. 4). Estas moléculas se sintetizan a partir del copalil fosfato por dos vías principales: la vía del isopimaradieno, que conduce a los abietanos fenolicos y al acido pimarico, y la vía del abietadieno, que conduce al ácido abiético. Aunque todas las coníferas presentan derivados de abietano, la presencia de los ácidos abietanoicos (ácido abiético y su producto de oxidación, ácido dehidroabiético) es mayoritaria en las resinas de Pinaceae (Hautevelle et al., 2008) y rara en otros tipos, como las Cupressaceae. En efecto, el hecho de que constituyen dos vías metabólicas diferenciadas se evidencia en el contenido en ferruginol en coníferas de la familia Cupressaceae y la ausencia de estos últimos con presencia mayoritaria de acido abietico en resinas de Pinaceae. Otro tipo estructural importante desde un punto de vista geoquímico y taxonómico es el de los derivados de totarano. La presencia de este esqueleto descarta el origen botánico Pinaceae y Araucariaceae (Cox et al. 2008), hecho de gran importancia en el estudio de la paleoflora. La biosíntesis de los terpenoides con esqueleto de totarano no está elucidada.

Fig. 3.- Ejemplos de sesquiterpenos.

des de isopreno. Son excelentes biomarcadores de coníferas, ya que son los constituyentes principales de sus resinas y tejidos (Simoneit, 1986). Están muy diversificados e incluyen hidrocarburos insaturados, compuestos fenólicos y ácidos, los llamados ácidos resínicos. Los diterpenos pueden ser clasificados en: Diterpenos biciclicos: incluyen las moléculas basadas en el esqueleto del labdano (Fig. 4). Están ex-

Fig. 4.- Clasificación de los diterpenos más relevantes geoquímicamente, en función de la estructura del esqueleto carbonado de su hidrocarburo prototípico.

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Fig. 5.- Esquema general de la bioquímica del isopreno, con las principales rutas metabólicas diferenciadas (flechas azules) que conducen a las diferentes familias de terpenoides o isoprenoides.

Diterpenos tetracíclicos: Su biosíntesis sigue una vía alternativa a la de los diterpenos triciclicos, utilizando como precursor el ent-copalil difosfato, que conduce a los terpenoides de la familia del kaurano, extendidos en resinas de coníferas de las familias Araucariaceae, Pinaceae y mas raramente Cupressaceae. La vía del kaurano conduce a la síntesis de un tipo muy importante de diterpenoides: las gibberelinas. Estas moléculas son hormonas vegetales que regulan el crecimiento la germinación, floración y maduración del fruto. Desde un punto de vista quimiotaxonómico, la presencia de diterpenoides con el esqueleto de kaurano, filocladano o beyerano sugiere la familia Araucariaceae como fuente biológica de la resina (Hautevelle et al., 2006). Triterpenos: Formados por seis unidades de isopreno. Son moléculas muy importantes geoquímicamente dado que constituyen biomarcadores relevantes. Los esteroides como el colesterol o los

esteroles vegetales, pertenecen a ésta familia molecular. En coníferas, los triterpenos son poco comunes, siendo identificados sólo en algunas especies de Pináceas, en Criptomerias y algunas especies de Podocarpus. Sin embargo, en angiospermas, metazoos, hongos, bacterias y algas son muy frecuentes. Globalmente, las resinas de coníferas están constituidas fundamentalmente por una mezcla de diterpenos bi y tricíclicos, mono y sesquiterpenos y ocasionalmente, triterpenos (Otto y Wilde, 2001) sintetizados biológicamente por polimerización directa a partir de un derivado de isopreno, el isopentenil difosfato (Fig. 5). Aunque las coníferas sintetizan una enorme variedad de terpenos, con más de 7500 estructuras moleculares bien definidas cuyas rutas bioquímicas están lejos de ser elucidadas, se conocen relativamente bien las rutas principales que condu-

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

Fig. 6.- A: Perfil cromatográfico (GC-MS) de los componentes mayores de la resina de cedro blanco (Cupressus lusitanica, excluyendo ácidos). B: Perfil cromatográfico de los componentes mayores de la resina de kauri (Agathis australis, excluyendo ácidos). Las líneas punteadas indican componentes diterpénicos comúnes en ambas resinas: un derivado del kaurano y un pimarano.

cen a los principales terpenos vegetales (Fig. 5). El isopentenil difosfato es producido en plantas por dos vías: a partir de 1-desoxy-D-xilulosa en el cloroplasto, para producir mono y diterpenoides (ruta MEP/DOXP) y a partir de acetil coenzima A en el citosol, para producir sesquiterpenoides

por la vía del mevalonato. El resto de eucariotas y bacterias no expresan la vía MEP/DOPX, lo que expresa la gran diferencia existente entre las composiciones de terpenoides de plantas superiores y otros organismos. Desde un punto de vista quimiotaxonomico de coníferas nos interesan princi-

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palmente los sesquiterpenos y diterpenos. En coníferas, los triterpenos constituyen una contribución menor desde el punto de vista cuantitativo y, dado que no se han hallado en las muestras de ámbar objeto de este estudio, no los consideraremos en este artículo. Hay que advertir aquí que el estudio quimiotaxonómico esta aun en una fase muy temprana de desarrollo, por lo que los conocimientos son limitados y con el tiempo muchas moléculas verán disminuida su relevancia como biomarcadores, en tanto que aparecerán otras específicas. En cualquier caso, el estudio detallado de las composiciones de resinas actuales constituye una herramienta sumamente útil para la interpretación de los datos composicionales del ámbar. Esta herramienta es bidireccional: los datos contenidos en el ámbar pueden ayudar a reconstruir el árbol filogenético y trazar el proceso evolutivo que han seguido las coníferas. Podemos considerar como ejemplo el caso del ferruginol, por su relevancia en el estudio del ámbar del norte de España. El ferruginol es un diterpeno fenólico muy abundante en las resinas de las familias Cupressaceae y Podocarpaceae (Fig. 6). Sin embargo, está ausente en las resinas de la familia Araucariaceae y, a pesar de datos publicados que indican que algunas especies de ésta familia pueden contenerlo, nuestro laboratorio no ha podido hallarlos en ninguna resina de Araucaria o Agathis analizada. Así, en resinas se considera que el ferruginol es un biomarcador específico. Por otro lado, la presencia de diterpenos de la familia del kaurano se ha considerado tradicionalmente como indicativa de la familia Araucariaceae, al no estar presentes en otras familias de coníferas. Esta apreciación es incorrecta, ya que los kauranos se hallan también, aunque en cantidades inferiores, en las resinas de Cupressaceae y Podocarpaceae así como en algunas Pináceas. Sin embargo, esta información, obtenida del análisis del fenotipo de coníferas actuales, ¿es extrapolable al Cretácico? Es decir, ¿la presencia significativa de ferruginol en un ámbar y la ausencia o presencia muy minoritaria de kauranos implica que la fuente botánica no puede considerarse Araucariaceae?. Si tenemos en cuenta que las Podocarpaceae, en cuyas resinas es frecuente hallar ferruginol, y Araucariaceae eran monofiléticas, tal

vez nos encontrásemos ante una especie extinta perteneciente a la familia Araucariaceae cuya vía metabólica de síntesis de ferruginol estuviera activa. Por tanto, si bien la composición de las resinas actuales puede ser una orientación importante en el estudio del ámbar, las respuestas obtenidas no pueden considerarse definitivas.

GEOQUÍMICA ORGÁNICA DE LOS TERPENOS DE CONÍFERAS Podemos definir la diagénesis como todos los procesos químicos, bioquímicos, químico-físicos y estructurales que tienen lugar en los componentes, tanto minerales como orgánicos, de un sedimento durante el periodo de consolidación a roca sedimentaria. La diagénesis tiene lugar a presiones y temperaturas bajas desde el punto de vista geológico. Con el incremento de presión y temperatura, la diagénesis va terminando gradualmente, dando lugar a los procesos de metamorfismo. Durante la diagénesis, en el sentido de aplicación del término al ámbito de la geoquímica orgánica, las resinas de coníferas depositadas en el sedimento (suelo) se transforman gradualmente en el ámbar. La composición del ámbar resultante difiere de la resina original, generándose unos compuestos característicos que denominamos geoterpenos, para diferenciarlos de los bioterpenos o productos naturales (natural products) en la literatura en inglés, que constituyen sus antecesores biológicos. La correlación entre los geoterpenos y sus precursores constituye un problema complejo, debido a que un mismo geoterpeno puede proceder de diversos precursores, a la perdida de información que tiene lugar en la molécula durante su degradación y sobre todo a la falta de información quimiotaxonómica. Un ejemplo que ilustra este proceso es la formación del cadaleno, un importante biomarcador de plantas terrestres, y otras moléculas relacionadas, a partir de sesquiterpenos de la familia del cadineno (Fig. 7). La correlación entre los geoterpenos presentes en el ámbar y sus precursores se basa en el conocimiento preciso de la composición molecular de las resinas de árboles actuales. En el momento

117 en el que un geoterpeno es vinculado inequívocamente a un precursor biológico hallado en una muestra actual, el geoterpeno se convierte en un fósil molecular o biomarcador específico de la especie que sintetizó el precursor. Esto ocurre muy pocas veces, con lo cual la mayor parte de los geoterpenos son biomarcadores poco específicos de coníferas o inespecíficos de plantas superiores en general. A este problema hay que añadir el hecho de que existen geoterpenos derivados de géneros vegetales extintos, cuya bioquímica es desconocida, con lo que no se pueden vincular a un origen claro. En este problema, el ámbar constituye un elemento de gran valor, ya que en su estructura conserva biomoléculas que, una vez vinculadas con su origen biológico con ayuda del estudio de los fósiles asociados y las inclusiones, nos permite conocer las rutas biosinteticas activas en la planta original. Así, el estudio de la composición del ámbar puede aportar datos importantes a la paleobotánica y la filogenia. Otro factor esencial en la correlación de una resina fósil con su precursor biológico es el conocimiento de todos los procesos químicos que pueden tener lugar en el periodo de diagénesis. Estos procesos químicos incluyen reacciones redox y de desproporcion (Otto et al., 2007), perdida de ramificaciones y de dobles enlaces en medios anaeróbicos (Simoneit et al., 1986), ciclaciones, rupturas y aromatizaciones en medios aeróbicos, alteraciones químicas debidas a degradación bacteriana o presencia de ciertos minerales y combinaciones de todos los factores citados (Tavendale et al., 1997), que conducen en general a mezclas de productos muy complejas que dificultan la identificación y la obtención de conclusiones en cuanto al origen de las moléculas encontradas. La diagénesis de los diterpenos derivados del labdano es de especial relevancia en el ámbar. Uno de los primeros pasos que tienen lugar tras la deposición es la polimerización de los derivados del labdano (Fig. 8), que conduce a la formación de un copolímero de diversos labdanoides (ácido comúnico, biformeno, esclareno) con otros componentes presentes en la resina, como estireno o cadineno. La gran mayoría de los ámbares encontrados a nivel mundial tienen como estructura fundamental este copolimero de labdano, estructura que le confiere su dureza y características que motivan

Fig. 7.- Formación de geoterpenos derivados de sesquiterpenos vegetales por diagénesis reductiva y oxidativa (aromatización).

su uso ornamental. La alteración del polilabdano durante la diagénesis da lugar a componentes de menor peso molecular que son característicos de este tipo de ámbar. Los más importantes son: el alfa-ioneno y derivados con estructura terpenoide de 14 a 19 carbonos, considerados un indicador de este tipo de polímero. En conjunto, la degradación de la superestructura del ámbar da lugar a una amplia serie de derivados del naftaleno y la tetralina, que constituyen la fracción mayoritaria de los extractos orgánicos del ámbar (Otto y Simoneit, 2002). La composición y abundancias relativas de los productos biciclicos de 14 y 15 carbonos y de derivados biciclicos completamente aromatizados (naftalenos y tetralinas) son de importancia para conocer el grado de maduración del ámbar (Lambert et al., 1993).

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Avances en la investigación geológica de la cueva El Soplao y su entorno

La diagénesis de los diterpenos triciclicos derivados del abietano conduce a una serie de componentes comunes en los que se retiene el esqueleto original. Las principales reacciones diageneticas de estos bioterpenos implican desfuncionalizaciones como son la descarboxilacion, pérdida de

hidroxilo, la desmetilacion y las aromatizaciones (Fig. 9). La descarboxilacion y la pérdida de hidroxilo da lugar a uno de los principales geoterpenoides, considerado biomarcador de coníferas: el dehidroabietano. La desmetilacion del dehidroabietano conduce a la dehidroabietina. Estas dos

Fig. 8.- Diagénesis de los principales labdanos de resinas. La polimerización para dar lugar a un material polimérico compuesto, que implica el curado y endurecimiento de la resina, es el paso fundamental en la formación del ámbar. La alteración y ruptura de estas estructuras conduce a una completa colección de moléculas basadas en el naftaleno y tetralina. Todas las estructuras mostradas han sido halladas en el ámbar de El Soplao.

Fig. 9.- Esquema general de la diagénesis de diterpenos de la familia del abietano, que conduce a la formación de moléculas de gran importancia en geoquímica orgánica. En fuentes muy ricas de abietanos, como las resinas de Pináceas, donde el ácido abiético es dominante, la acumulación de sus geoterpenos derivados llega a ser muy significativa, como en el caso de la madera fósil del Holoceno en Fichtelgebirge (Alemania), donde la fichtelita alcanzó el estatus de especie mineral.

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

moléculas pueden evolucionar en medios oxidativos a simonellita y al derivado completamente aromatizado, el reteno. En medios anóxicos y reductores, o por reacción de desproporción, por el contrario, es más relevante la formación de los derivados completamente saturados, como el norabietano o la fichtelita. No obstante, estos procesos nunca tienen lugar aislados, sino que a lo largo de la maduración del ámbar, se suceden diversas fases oxidativas o reductoras, que conducen a una mezcla de componentes con diversos grados de aromatización (Otto y Simoneit, 2002), si bien en el ámbar es mas frecuente encontrar las formas reducidas, como la dehidroabietina, en tanto que en sedimentos u otros restos fósiles, es más habitual encontrar las formas aromatizadas, como el reteno, un biomarcador clásico de gimnospermas muy utilizado en petróleos para el cálculo de la contribución de materia orgánica de origen terrígeno. Un caso particularmente importante de estas vías de alteración diagenética es el de la formación de fichtelita en grandes cantidades en el bosque fosilizado de Fichtelgebirge (Bavaria, Alemania), en el que la madera de Pináceas, cuya resina está formada básicamente por ácido abiético, en un ambiente extremadamente reductor, condujo a la acumulación de masas de fichtelita, en lugar de la formación de ámbar

nomía experimental, que consiste en la simulación en laboratorio de los procesos de diagénesis que sufren los terpenos biológicos en el ámbar y los sedimentos, a fin de establecer correlaciones mas precisas entre las complejas mezclas encontradas en el material geológico y los posibles materiales de origen.

COMPOSICIÓN DE LOS ÁMBARES CRETÁCICOS DEL NORTE DE LA PENÍNSULA IBÉRICA. GENERALIDADES. Químicamente, el ámbar consta de dos fracciones fundamentales: una fracción macromolecular, polimérica, insoluble en disolventes orgánicos y una fracción extraíble en disolventes orgánicos y que constituye entre el 10 y el 30% del peso total. Esta fracción extraíble es muy compleja, ya que suele contener entre 600 y más de 2000 moléculas distintas, y su estudio e interpretación no están exentos de dificultades. Pero, como aspecto positivo, puede contener relictos

Un caso particular importante en el estudio de los ámbares del Cretácico es el ferruginol, que, como hemos visto, es un componente principal en la resina de las Cupresáceas. La estructura fenólica del ferruginol es especialmente resistente a la suave diagénesis que implica la formación del ámbar, por lo que éste bioterpeno, de estar en la resina original, se mantiene en cantidad significativa en la resina fósil resultante. Tan solo se observan procesos de aromatización, produciéndose una serie de derivados (Fig. 10), cuya determinación nos permite evaluar el contenido total original de ferruginol. El estudio de la composición molecular del ámbar nos permite, por tanto, establecer modelos de alteración química por diagénesis, que ayudan a entender el origen de hidrocarburos presentes en materiales orgánicos geológicos. Un campo de estudio en desarrollo, motivado por la complejidad química del ámbar, es la paleoquimiotaxo-

Fig. 10.- Ruta de alteración del bioterpeno ferruginol en el ámbar.

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de bioterpenos no modificados y, por tanto, nos puede aportar una información botánica directa. El análisis de la estructura molecular permite la categorización de los ámbares en diversas clases (I a V, Anderson et al. 1992) según las características de los monómeros que componen la estructura macromolecular, presencia o ausencia de ácido succínico y el grado de polimerización. El análisis de la composición molecular de la fracción extraíble, compuesta como hemos explicado por geoterpenos y relictos de bioterpenos, proporciona información específica del ámbar de cada yacimiento y permite evaluarlo como biomarcador en el estudio de la paleosistemática, quimiotaxonomía y filogenia, además de permitirnos mejorar nuestro conocimiento de los procesos químicos que sufren las moléculas biológicas en el ambiente geológico. De modo general, los ámbares cretácicos del norte de la Península Ibérica, cuyos yacimientos se extienden formando una faja que abarca desde la depresión Centro-Asturiana en el extremo occidental hasta la Cuenca del Maestrat, en el extremo oriental (Delclòs et al. 2007; Alonso et al., 2000), los podemos clasificar según su composición en dos grandes tipos: Tipo I

Contiene, en su fracción diterpénica, como componente mayoritario el 16,17,18-trisnorabieta8,11,13-trieno, además de cantidades significativas de dehidroabietina y ferruginol. Es rico en terpenos de la familia del abietico y en ácidos de la familia del labdano y el pimarano. El componente principal de éste tipo es un geoterpeno posiblemente derivado por diagénesis de los ácidos pimáricos, también presentes en el ámbar, (Fig. 11). Esta ruta diagenética ha quedado claramente establecida a partir del estudio en profundidad del ámbar de El Soplao, un ámbar del tipo I. Tipo II

El segundo grupo carece o contiene cantidades muy pequeñas de dehidroabietina y otros terpenos de la familia de los abietanos, carece o

Fig. 11.- Ruta de diagénesis de los ácidos pimáricos (pimárico e isopimárico, no mostrado) para formar el compuesto mayoritario en el extracto de los ámbares del primer tipo. Todas las moléculas mostradas han sido halladas en el ámbar de El Soplao, lo que ha permitido esclarecer ésta ruta diagenética.

contiene una proporción inferior de ferruginol y contiene proporciones muy bajas de pimaranos. La molécula dominante en este grupo es el hidrocarburo ambereno (1,6-dimetil-5-isopentil tetralina) descrito por primera vez por nuestro laboratorio gracias al estudio de la composición del ámbar de El Soplao. Este hidrocarburo puede provenir de la alteración de labdanos o bien de la diagénesis de algunas moléculas relacionadas con los clerodanos, como el ácido kolavénico. Esta posibilidad está motivada por la pre-

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

sencia significativa de clerodanos en este tipo de ámbar, concretamente de 15,20-bisnorkolavano y 15,20-bisnorkolav-3-eno y la relación directa entre la proporción de éstos y la de ambereno. Los kolavanos, asi como ambereno, también están presentes en los ámbares del tipo I, pero en una proporción inferior respecto de los pimaranos/abietanos. El ámbar de tipo II presenta una cantidad importante de un hidrocarburo de la familia del adamantano cuya estructura no ha sido elucidada todavía, y de un xilil-alcano. Ambos constituyen un indicador específico y que es especialmente abundante en los ámbares de la zona oriental de la Cuenca Vasco Cantábrica y de la Cuenca del Maestrat.

Estos datos abren una perspectiva paleobotánica muy interesante debido a dos motivos:

La distribución de ambos grupos composicionales a lo largo de la faja de ámbar de la Península sigue una tendencia claramente definida: si bien los ámbares del primer tipo se concentran en la Cuenca Vasco-Cantábrica, restringiéndose, según nuestros estudios, a Cantabria, los del segundo tipo están más extendidos a lo largo de la faja de yacimientos de ámbar, siendo especialmente abundantes en la Formación Escucha. Es posible que el primer tipo composicional este asociado a árboles ligados a zonas costeras con un alto grado de transgresión marina, posiblemente adaptados a suelos inundados y con mayor salinidad, similares a los actuales manglares.

Segundo, los datos analíticos de los ámbares Cretácicos del norte de la Península Ibérica indican que tienen al menos dos fuentes botánicas diferenciadas. Como hemos visto, las resinas del tipo II muestran una clara relación con las modernas coníferas del género Araucaria. Las resinas del tipo I, caracterizadas por la riqueza en abietanos, pimaranos, presencia de ferruginol y ambereno, constituye un caso único que apunta a una resina original distinta composicionalmente a las resinas de coníferas actuales, siendo las más próximas las de las familias Cupresáceas y Podocarpáceas, aunque sin un equivalente actual definido.

Yacimiento

Tipo

Primero, en plantas modernas, nuestro laboratorio ha localizado los clerodanos, incluyendo el ácido kolavénico, por primera vez en resinas del género Araucaria, pudiendo constituir un biomarcador específico de ésta familia. En algunas especies de Araucaria, como Araucaria bildwillii, los ácidos kolavénico e isokolavénico son componentes principales de la resina, junto con los ácidos labdanoicos (copálico, agático, comúnico) y los abietanos, siendo los kauranos muy minoritarios o inexistentes, a diferencia del género Agathis.

Terpenos extraíbles principales

El Soplao-Rábago (Cantabria)

Trisnorabietatrienos, ambereno, dehidroabietano, dehidroabietina, ferruginol, ácidos pimáricos.

Peñacerrada (alava)

Ambereno, kolavanos, ácidos labdanoicos

Sant Just (Teruel)

Ambereno, kolavanos, ácidos labdanoicos

Fonfría (Cantabria)

Ambereno, kolavanos, ácidos labdanoicos

Cuchía (Cantabria)

Ambereno, kolavanos, ácidos labdanoicos

Oreña (Cantabria)

El Caleyu (Asturias)

Ambereno, ácidos labdanoicos.

Reocín (Cantabria)

Ambereno, kolavanos, ácidos labdanoicos

Ruiloba (Cantabria)

Trisnorabietatrienos, dehidroabietano, dehidroabietina, ambereno, ferruginol, ácidos pimáricos.

1,5,8-trimetiltetralina, trisnorabietatrienos, ambereno, ácido bisnordehidroabiético, ferruginol.

Tabla 1.- Clasificación de algunos ámbares cretácicos del norte de la Península Ibérica en función de sus componentes principales. El ámbar de Oreña (indicado con un asterisco) aunque pertenece al primer grupo, muestra una historia diagenética distinta revelada por sus productos de degradación, tal vez por circunstancias particulares del yacimiento.

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Avances en la investigación geológica de la cueva El Soplao y su entorno

La idea de una resina original distinta de las resinas actuales, posiblemente perteneciente a una especie extinta, se fortalece por el hecho de que en ámbares post-cenomanienses de la Península Ibérica, como es el caso del ámbar turoniense de Soto del Real (Madrid), tanto el ambereno como los clerodanos derivados del kolavano desaparecen, indicando un cambio paleobotánico importante. El estudio detallado de la resina fósil de El Soplao-Rábago, como modelo de este tipo de resina perteneciente a una especie no correlacionable con familias modernas de coníferas, así como el estudio de la composición molecular de fósiles vegetales asociados, apoya la idea de que podemos estar ante la resina de una familia extinta de coníferas cuyos equivalentes modernos más próximos son las familias de Cupresáceas y Podocarpáceas. La presencia de abundantes restos fósiles de Frenelopsis, un género de la extinta familia de coníferas Cheirolepidiaceae sugiere la hipótesis de que los ámbares del tipo I pueden ser resinas fósiles de ésta familia.

METODOLOGÍA ANÁLITICA. El análisis de la composición molecular del ámbar se lleva a cabo mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GCMS). Para ello se realiza una extracción con disolventes orgánicos (diclorometano/metanol) del ámbar, cuidadosamente seleccionado para que se encuentre libre de inclusiones que puedan añadir componentes ajenos a la resina y pulverizado. El extracto obtenido (Fig. 12) se analiza para obtener los componentes mayoritarios y, posteriormente, se somete a un complejo y laborioso proceso de separación en fracciones, obteniéndose inicialmente una fracción apolar formada por hidrocarburos y dos fracciones polares, una conteniendo compuestos fenólicos y otra formada por compuestos ácidos y que presentan el mayor interés, al contener los relictos de bioterpenos originales no alterados. La purificación de ferruginol, ambereno y 12-hidroxisimonellita mediante HPLC a partir de estas fracciones ha permitido confirmar estructuralmente éstas moléculas, subrayando la importancia de los terpenos fenólicos como indicadores paleobotánicos en el ámbar de El Soplao. Las fraccio-

Fig. 12.- Extracto crudo del ámbar de El Soplao. Este material, un aceite viscoso de agradable olor resinoso con un toque alquitranado, está formado por una mezcla compleja de terpenos y constituye el 16% del peso total del ámbar de éste yacimiento.

nes polares se analizan mediante GC-MS tras la transformación de los grupos alcohólicos y ácidos en sus derivados trimetil-sililados.

COMPOSICIÓN Y QUIMIOTAXONOMÍA DEL ÁMBAR DE EL SOPLAO El ámbar de El Soplao-Rábago presenta unas características únicas dentro de los ámbares cretácicos del norte de España. Afortunadamente, la gran abundancia, preservación y extraordinaria calidad de las muestras encontradas en el yacimiento han permitido el estudio profundo de su composición química, resultando ser definitorio de un tipo bien diferenciado desde un punto de vista químico y paleobotánico. El extracto del ámbar de El Soplao contiene algo más de 1200 especies moleculares, de las cuales 75 constituyen el 95% del peso total. El componente mayoritario es el 16,17,18-trisnorabieta8-11-13-trieno, que constituye un 8% del peso total del extracto (Fig. 13). Este compuesto, junto con ambereno, dehidroabietano, dehidroabietina, ferruginol y ácidos labdanoicos constituyen el 26% del total. Otro porcentaje similar se corresponde con hidrocarburos derivados de naftaleno y tetralina, de escaso valor taxonómico, procedentes de la ruptura de la estructura del ámbar. Estos componentes confieren olor característico y fluorescencia intensa al ámbar y dan una idea de la maduración térmica del ámbar: mayor contenido de hidrocarburos ligeros se asocia con mayor maduración térmica. Sin embargo,

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

Fig. 13.- Perfil cromatográfico total del ámbar de El Soplao (A), mostrando sus componentes más relevantes. A fin de comparación, se muestra el perfil cromatográfico de un ámbar de tipo composicional II: el ámbar de la cantera de Cuchía, en Cantabria (B).

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Avances en la investigaciรณn geolรณgica de la cueva El Soplao y su entorno

Fig. 14.- A: Perfil cromatogrรกfico del producto de purificaciรณn parcial del ferruginol del รกmbar de El Soplao, que muestra la presencia de totarol, entre otros compuestos oxigenados. B: Perfil cromatogrรกfico de la fracciรณn รกcida del รกmbar de El Soplao, que contiene รกcidos preservados de la resina original junto con sus productos de alteraciรณn diagenรฉtica mรกs inmediatos.

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

este tipo de hidrocarburos no explican la peculiar coloración azul del ámbar de El Soplao, color especialmente intenso bajo la luz solar (Fig. 1). Esta coloración podría deberse a hidrocarburos derivados del azuleno, como el chamazuleno, de intenso color azul violáceo, especialmente bajo la luz solar, presentes en el ámbar. Sin embargo no podemos descartar que se trate de un efecto físico. La coloración azul del ámbar de El Soplao es fotosensible, decayendo rápidamente con el tiempo y la exposición al sol. En general, los datos moleculares confirman que el ámbar de El Soplao procede de una conífera, cuya resina original estaba dominada por abietanos ácidos y fenólicos, ácidos pimáricos y ácidos labdánicos, siendo los equivalentes modernos más próximos las resinas de Cupresáceas y Podocarpáceas. Bioterpenos del ámbar de El Soplao

El análisis de la fracción polar del extracto de ámbar muestra una serie de bioterpenos no transformados por diagénesis, que pueden aportar pistas importantes desde el punto de vista paleobotánico. Posiblemente, el más importante de éste tipo sea el ferruginol. Este se presenta inalterado, junto con la 12-hidroxisimonellita e isómeros del dehidroferruginol, un producto de oxidación habitual de aquel (Otto y Simoneit, 2001) sugieren que la concentración original de abietanos fenólicos debió ser elevada. Mas reveladora aún que la presencia de ferruginol es la purificación de éste compuesto a partir del extracto de ámbar (Fig. 14A). En efecto, al aislar y purificar la fracción de abietanos fenólicos presentes en el ámbar, el ferruginol se aísla junto con su isómero totarol, de características químicas similares y que pasa desapercibido en el análisis del extracto total. El totarol se considera un biomarcador específico de árboles actuales de las familias Cupressaceae y Podocarpaceae, aunque esté presente en cantidades a nivel de traza (Stefanova y Simoneit, 2008). Teniendo en cuenta que el ámbar está asociado a abundantes fósiles de Frenelopsis, conífera de la extinta familia Cheirolepidiaceae, y dado que ha quedado claro que el ámbar de El Soplao, del tipo composicional I, procede de una fuente botánica distinta de los ámbares del tipo II, más comunes, toma forma la hipótesis de que éste ámbar puede constituir una prueba

de que las coníferas extintas del género Frenelopsis expresaron vías biosintéticas similares a las actuales Cupressaceae y Podocarpaceae. La fracción ácida del extracto del ámbar de El Soplao (Fig. 14B) completa la información contenida en forma de bioterpenos preservados y sus productos de alteración más inmediatos. Esta fracción está compuesta fundamentalmente por ácidos de la familia de los labdanos, incluyendo varios isómeros del ácido agático, ácido agatólico y ácido dihidroagatólico. Estos ácidos, muy en especial éste último, identificado por vez primera por nuestro laboratorio, son abundantes en las resinas de las actuales Cupresáceas. Hasta la fecha no hemos hallado el ácido dihidroagatólico en resinas de otras familias de coníferas. La polimerización de éstos ácidos y otras moléculas altamente insaturadas, un proceso que tiene lugar durante los primeros 0.1-10 millones de años tras la deposición de la resina, conlleva la formación del ámbar a partir del copal, resina de conífera no fosilizada hallada en entornos geológicos. La falta de ácido abietico y dehidroabietico descarta la contribución por parte de árboles de la familia Pinaceae, en coherencia con el registro fósil. Sí que se han observado trazas de ácido callitrísico, un isómero de ácido abiético presente en algunas especies de Cupresáceas, en especial las de género Callitris. Los ácidos tricíclicos mayoritarios en la resina original que formó el ámbar de El Soplao eran el pimárico e isopimárico. Esto se puede deducir observando tanto la presencia de éstos ácidos, preservados sin transformar, como la de sus productos de alteración más inmediatos, como son los ácidos pimar-8-enoico e isopimar8-enoico. La presencia de cantidades importantes de estos ácidos en la resina original es coherente con la idea de una conexión entre las vías biosintéticas de Cheirolepidiáceas y Cupresáceas, ya que los ácidos pimáricos son componentes importantes de éstas últimas. Frenelopsis como progenitor fósil del ámbar de El Soplao.

Afortunadamente, el ámbar de El Soplao estaba acompañado por un abundante registro fósil con un grado de preservación muy elevado. Es inmediato entonces realizar un estudio detallado de la composición de los restos fósiles de la conífera Frenelopsis (Menor-Salván et al., 2010), de modo que se pueda establecer una relación directa con

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el ámbar del yacimiento. A pesar de que esperamos que la preservación de terpenos en las hojas y otro material vegetal fósil sea menor, la resinita presente en los restos puede haber preservado una representación molecular suficiente para dar un resultado positivo. En efecto, el análisis de los restos fósiles de Frenelopsis indica que la materia orgánica extraíble, una vez separada la fracción de hidrocarburos saturados lineales por filtración a través de un tamiz molecular de zeolita, está formada fundamentalmente por azufre, procedente de la alteración de la gran cantidad de pirita del yacimiento, biomarcadores generales de plantas superiores y terpenos. A pesar de que los compuestos aromatizados son más dominantes en los restos vegetales que en el ámbar, donde prevalecen los procesos reductores, hay una identificación clara entre los biomarcadores observados en Frenelopsis y en el ámbar, siendo los terpenos mayoritarios el 16,17,18-trisnorabieta-8,11,13-trieno, la dehidroabietina, simonellitas, reteno y ferruginol. Por tanto, existe una coherencia entre la composición molecular del ámbar de El Soplao y la de fósiles de Frenelopsis en el mismo yacimiento. Parece acertado afirmar entonces que el ámbar de éste yacimiento constituye la primera descripción de una resina fósil de una familia de coníferas extinguida. A pesar de existir diferencias, no pudiendo considerarse equivalentes, los resultados analíticos sugieren que las coníferas Cheirolepidiaceae y las modernas Cupresáceas tienen en común algunas vías metabólicas fundamentales en la síntesis de sus resinas, como son la formación de abietanos fenólicos, ácidos agáticos y pimaranos. Geoterpenos del ámbar de El Soplao.

Si nos centramos en la composición molecular correspondiente a los diterpenos de origen diagenético, el extracto orgánico del ámbar (Fig. 13A) está dominado por dos hidrocarburos: el ambereno y el 16,17,18-trisnorabieta-8,11,13-trieno. El origen del primero de ellos aún es objeto de estudio y puede provenir de los ácidos relacionados con el agático o bien, en una hipótesis que barajamos actualmente (Menor-Salván et al. 2014), pudiera provenir de la diagénesis del ácido kolavénico, presente en cantidad importante en algunas

resinas actuales de los generos Araucaria, Pinus y Cupressus. También es posible que se trate de un producto de ruptura de la estructura macromolecular del ámbar, junto con toda la colección de derivados del naftaleno y la tetralina. El compuesto mayoritario, 16,17,18-trisnorabieta-8,11,13-trieno, parece claro que es un derivado diagenético relacionado con los ácidos pimáricos, como hemos explicado anteriormente (Fig. 11). En cualquier caso, el establecimiento de rutas diagenéticas no es una tarea sencilla, ya que superponiéndose con las reacciones esperadas de desfuncionalización y oxido-reducción, tenemos isomerizaciones y otras reacciones de difícil predicción que incrementan notablemente la composición final del ámbar. Por ello, el estudio de los geoterpenos tiene un valor taxonómico o paleobotánico limitado, excepto en los casos en los que el esqueleto hidrocarbonado del bioterpeno original se ha mantenido intacto y en los casos donde se puede establecer una correlación entre la materia orgánica a fin de averiguar fuentes biológicas comunes. No obstante, sí que pueden encontrarse moléculas singulares en el registro de productos de diagénesis. Es el caso de los hidrocarburos relacionados con el azuleno, relativamente comunes en carbones. Se han encontrado cantidades significativas de guaiazuleno, camazuleno y 4,6,8-trimetilazuleno en los restos fósiles. En cantidad menor, también se encuentran en el ambar de El Soplao, pudiendo ser la causa de la coloración característica del mismo, para el cual se había propuesto en principio un origen basado en la presencia de hidrocarburos aromáticos policíclicos, como perileno, causante del color azulado en el ambar dominicano (Bellani y Giulotto, 2005), pero que en el caso de El Soplao debemos descartar tras estudiar su espectro de fluorescencia. El origen de los derivados del azuleno en una resina de conífera no está claro, aunque podrían provenir de la alteración diagenetica del guaieno y el guaiol, sesquiterpenoides presentes en las actuales Cupressaceae y Pinaceae (Otto y Wilde, 2001). Como ya comentamos anteriormente, no se puede descartar un origen físico para la coloración del ámbar de El Soplao. El ámbar pierde rápidamente su coloración por exposición a la luz solar y dado que su espectro de fluorescencia parece coherente con los naftalenos, mucho más abundantes, podemos

La composición molecular del ámbar de el soplao-rábago como biomarcador paleobotánico

considerar el origen de su particular coloración como una cuestión no cerrada. Un aspecto importante de la composición de geoterpenos del ámbar es la estimación de su maduración térmica, procesos de alteración y otras circunstancias particulares del yacimiento. Por ejemplo, el contenido en derivados de naftaleno, se incrementa con la edad y maduración térmica. Tradicionalmente, un indicador de campo del grado de maduración siempre ha sido la fluorescencia. Una resina o copal carece o muestra una fluorescencia débil, en tanto que el ámbar muestra fluorescencia más intensa y pasando de todos verdosos o amarillentos al blanco azulado según se incrementa el grado de maduración. Los procesos oxidativos o de meteorización implican un aumento de compuestos con oxígeno y pérdida de moléculas ligeras. En cambio, los incendios abiertos durante o tras la deposición del ámbar incrementarían la cantidad de aromáticos, como reteno, simonellita e hidrocarburos policíclicos aromáticos. En general, la interpretación de la composición molecular del ámbar debe considerarse un tema en desarrollo. El avance del nuevo campo de la paleotaxonomía molecular experimental, en el que con ayuda del laboratorio se podrán predecir las poblaciones moleculares derivadas por diagénesis y otros procesos naturales a partir diversas biomoléculas de partida, nos permitirá revisar y mejorar las conclusiones obtenidas a partir del análisis del ámbar.

CONCLUSIONES El estudio de la composición molecular de los ámbares cretácicos del Norte de la Península Ibérica nos muestra que pueden clasificarse en dos grandes grupos composicionales, procedentes de resinas de coníferas de origen botánico diferente. El primer grupo se caracteriza por la presencia de ferruginol y totarol, dominancia de ácidos pimáricos y sus derivados de diagénesis y de ácidos agáticos y sus derivados. Su origen es una conífera que no puede correlacionarse directamente con ninguna conífera actual, basándose únicamente en los datos quimiotaxonómicos. El segundo grupo se caracteriza por contener el hidrocarburo ambereno, una nueva molécula des-

crita a partir de los ámbares de la Cuenca VascoCantábrica, como componente principal, por la proporción inferior o ausencia de abietanos fenólicos, siendo los ácidos agáticos y sus derivados así como los derivados del kolaveno sus diterpenos más reseñables desde el punto de vista biológico. Su composición se correlaciona con las coníferas actuales del género Araucaria. El ámbar de El Soplao se engloba en el primer tipo composicional. Una característica distintiva es la excelente preservación de bioterpenos procedentes de la resina original, siendo rico en ferruginol y otros compuestos fenólicos y en ácidos resínicos. El estudio de estos terpenos preservados muestra proximidad con las composiciones de resinas actuales de las familias de Cupresáceas y Podocarpáceas. El estudio de la composición molecular de fósiles de Frenelopsis, asociados al ámbar en el yacimiento, sugieren que el ámbar de El Soplao puede ser resina fósil de éste género extinto de conífera. Así, el ámbar de El Soplao proporciona la primera descripción quimiotaxonómica de la extinta familia de coníferas Cheirolepidiaceae y el estudio detallado de su composición permite esclarecer las rutas diagenéticas de los diterpenos biológicos.

AGRADECIMIENTOS Al Prof. Bernd Simoneit, de la Oregon State University, quien me enseñó lo que necesitaba saber para estudiar la geoquímica orgánica del ámbar. Al Real Jardín Botánico de Madrid, sobre cuya colección de coníferas se ha estudiado la quimiotaxonomía de las resinas.

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Avances en la investigación geológica de la cueva El Soplao y su entorno

geosphere-II. Identification, classification, and nomenclature of resinites. Organic Geochemistry, 18, 829-841. Bellani, V., Giulotto, E., Linati, L., & Sacchi, D. (2005). Origin of the blue fluorescence in Dominican amber. Journal of Applied Physics, 97(1), 016101. doi:10.1063/1.1829395 Cox, R.E., Yamamoto, S., Otto, A., Simoneit, B.R.T. (2008). Oxygenated di- and tricyclic diterpenoids of southern hemisphere conifers. Biochemistry and Systematic Ecology 35, 342-362. Delclòs, X., Arillo, A., Peñalver, E., Barrón, E., Soriano, C., Del Valle, R. L., Bernárdez, E., Corral, C., Ortuño, V. M. (2007). Fossiliferous amber deposits from the Cretaceous (Albian) of Spain. Comptes Rendus Palevol, 6, 135–149. DePaiva, J., Campello, S., Ferreira Fonseca, C.J., Chang, E. (1975). Terpenes of Podocarpus lambertius. Phytochemistry 14, 243-248. Hautevelle, Y., Michels, R., Malartre, F., Trouiller, A. (2006). Vascular plant biomarkers as proxies for palaeoflora and palaeoclimatic changes at the Dogger/Malm transition of the Paris Basin (France). Organic Geochemistry, 37, 620-625. Lambert, J.B., Johnson, S.C., Poinar, G.O., Frye, J.S. (1993). Nuclear magnetic resonance characterization of Cretaceous amber. Geoarcheology, 8, 141-155. Lambert, J.B., Santiago-Blay, J.A., Anderson, K.B. (2008). Chemical signatures of fossilized resins and recent plant exudates. Angewandte Chemie International Edition, 47, 2-11. Langenheim, J.H. (2003). Plant Resins: Chemistry, Evolution, Ecology and Ethnobotany, Timber Press, Portland (USA). Menor-Salván, C., Najarro, M., Velasco, F., Rosales, I., Tornos, F., Simoneit, B.R.T. (2010). Terpenoids in extracts of Lower Cretaceous ambers from the Basque-Cantabrian basin (El Soplao, Cantabria, Spain): Paleo chemotaxonomic aspects. Organic Geochemistry, 41, 10891103. Menor-Salván, C., Simoneit, B.R.T., Ruiz-Bermejo, M., Lin, H. (2014). Structural identification of 1,6-dimethyl-5-alkyltetralins, new labdane biomarker family from Cretaceous ambers. Organic Geochemistry En prensa.

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El Control Microbiológico de las Paragénesis Secundarias del Depósito de Las Cruces / FERNANDO TORNOS (1*), FRANCISCO VELASCO (2), CESAR MENOR -SALVÁN (3), ANTONIO DELGADO (4), JUAN MANUEL ESCOBAR (5) (1) Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). Ctra Ajalvir km 4.5. 28850 Torrejón de Ardoz (España) (2) Dpto. Mineralogía y Petrología, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad del País Vasco UPV/EHU, 48080 Bilbao (España) (3) Geospectra Scientific Solutions. Jadraque 1207, 19174 Torrejón del Rey, Guadalajara (España) (4) Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT (CSIC-UGR). Avda. de las Palmeras, 4. 18100 Armilla, Granada (España) (5) Cobre Las Cruces S.A. 41860 Gerena, Sevilla (España)

INTRODUCCIÓN El depósito de cobre de Las Cruces es la mina más reciente de la Faja Pirítica Ibérica y una de las que tiene una mayor ley en cobre del mundo. Es también un depósito muy inusual con desarrollo de unas asociaciones minerales secundarias con muy pocos equivalentes a escala global. Hay diversos trabajos que describen distintos aspectos del depósito (Doyle, 1996; Knight, 2000; Doyle et al., 2003; Capitan et al., 2004; Blake, 2008; Conde et al., 2007; Miguelez et al., 2010, 2011; Tornos et al., 2013; Yesares et al., 2014). Todos ellos tratan la presencia de unas rocas poco comunes, formadas por siderita y galena y enriquecidas en metales preciosos, que se encuentran encima de la zona de cementación, que es la de mayor interés económico y la que actualmente se explota. Estas rocas, englobadas dentro de los mal denominados gossan rojo y negro, tienen un origen controvertido y casi todos los autores proponen un modelo evolutivo diferente. En este trabajo se discuten las características geológicas y geoquímicas de estas rocas y se propone que su origen es biológico; se han formado por una actividad microbiana sub-actual muy activa y que probablemente son el mayor ejemplo a escala mundial de un bioreactor subterráneo relacionado con un proceso metalogenético. ENCUADRE GEOLÓGICO El depósito de Las Cruces se encuentra palabras clave: sulfuros masivos, geomicrobiología, Faja Pirítica Ibérica resumen SEM 2014

en la prolongación oriental de la Faja Pirítica Ibérica bajo los sedimentos de la Cuenca del Guadalquivir. Estos están formados por una potente secuencia de marga de edad Tortoniense SuperiorMessiniense de unos 150 m de potencia. El contacto entre el basamento y la marga está jalonado por un nivel detrítico basal que contiene un acuífero dominado por aguas bicarbonatadas-cálcicas, alcalinas y ricas en sulfatos. El basamento discordante bajo la secuencia terciaria incluye una serie típica del Complejo Volcanosedimentario de la Faja Pirítica Ibérica, con una alternancia de (cripto-) domos riodacíticos y pizarra subóxica (Conde et al., 2007). Los sulfuros masivos se encuentran en el contacto entre una riodacita basal y una secuencia de pizarra con intercalaciones volcanoclásticas. Tienen un stockwork encajado en las rocas volcánicas pero los sulfuros masivos se encuentran remplazando a estas rocas o como niveles estratiformes en la pizarra. En detalle, la mineralización tiene un perfil vertical bien definido que incluye: (a) los sulfuros masivos primarios; (b) una potente zona de cementación formada por diversos tipos de calcocita, covellita, enargita y tennantita. La paragénesis de cementación aparece como venas y remplazamientos en la zona central del depósito y rellenando microfisuras en la zona externa; (c) una zona de pirita lavada y estéril; (d) un nivel discontinuo de una roca formada por galena, calcita y monosulfuros de hierro (greigita y smythita) (Roca Negra). Esta roca tiene cantidades menores de acantita, sternbergita, proustita-

alteración

secundaria,

xanthoconita, pearceita, jamesonita, cinabrio, y casiterita. El oro aparece como diversos tipos de amalgama intercrecidos con los carbonatos y la galena (Blake, 2008; Yesares et al., 2014); (e) una zona roja característica y situada directamente bajo la discordancia alpina. Esta Roca Roja es muy heterogénea e incluye abundante siderita y sílice con algo de galena. El cuarzo y la barita son minerales siempre presentes en las rocas roja y negra; (f) pequeñas zonas residuales dentro de la Roca Roja de un gossan similar al que se ha desarrollado en otros sulfuros masivos aflorantes de la Faja Pirítica Ibérica y que se interpreta como debido a la alteración subaérea de los sulfuros masivos (Velasco et al., 2013). Esta roca incluye goethita, hematites y cantidades variables de anglesita y jarosita. Hay relaciones de corte claras entre estas rocas. La Roca Negra remplaza a los sulfuros infrayacentes y la zona de cementación pero también a la Roca Roja suprayacente. Esta última también remplaza al gossan. RESULTADOS La geoquímica isotópica de las rocas Roja y Negra es muy característica. Los sulfuros están enriquecidos en 34S (δ34S de +11.9 a +25.9‰ en la galena y +16.3 a +19.5‰ para la greigitasmythita) si se comparan con los de la zona de cementación y sulfuros masivos primarios (≈-7 a +8‰). Son incluso algunas veces superiores a los de las aguas circulando a favor del acuífero (+6.3 a +15.2‰).

key words: massive sulphides, secondary alteration, geomicrobiology, Iberian Pyrite Belt * corresponding author: f.tornos@csic.es

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Los carbonatos tienen valores de δ13C muy variables que reflejan la mezcla entre el carbono inorgánico de las aguas del acuífero (δ13C > -9‰) y una fuente empobrecida en 13C con valores de δ13C inferiores a -42‰. El estudio mediante SEM de la Roca Negra revela la abundancia de microfósiles de procariotas en galena formados por agregados de unos 5-10 µm de longitud y menos de 1 µm de radio. Forman estructuras filiformes retorcidas y no fragmentadas situadas sobre los carbonatos. Estos agregados son morfológicamente muy similares a estructuras microbianas obtenidas en el laboratorio (Sanchez Andrea et al., 2012) o descritas en sistemas fósiles (Rasmussen 2000; Green & Slack, 2003). La ausencia de estructuras morfológicas externas sugiere que el sulfuro de plomo pudo precipitar en la sustancia exopolimérica, recubriendo externamente la célula procariótica en un proceso de biomineralización activa. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La geología y la geoquímica de las rocas Negra y Roja de Las Cruces indican que estas rocas solo pueden tener un origen biogénico, tal como ha sido propuesto por Blake (2008). Estas rocas se han formado con posterioridad al enterramiento bajo la secuencia terciaria, como lo evidencian la presencia de fragmentos de gossan en los sedimentos más groseros y la presencia de venas de galena en la marga (Yesares et al., 2014). Estas rocas ocupan la misma posición estratigráfica que el gossan, encima de los sulfuros masivos y de la zona de cementación, y tienen la misma asociación geoquímica, con un enriquecimiento en Pb, Ba, Hg, As, Sb, Ag y Au. La formación de estas rocas a partir del gossan implica la reducción de Fe3+ a Fe2+, un incremento de la fS2 con la estabilización de la galena y otros sulfuros y un incremento de la pCO2 para hacer la siderita estable. Estos procesos acoplados son difícilmente explicables por procesos abiogénicos. A las temperaturas estimadas es poco probable que los procesos de termoreducción abiótica del sulfato (TSR) tengan una importancia relevante (Machel, 2001). Por otro lado, los valores de δ13C son típicamente de procesos de oxidación biogénica de un

donante de electrones. Los valores de δ13C tan bajos sugieren que éste fue o bien metano o bien hidrocarburos ligeros. El receptor de electrones sería el sulfato y su fuente más posible, el agua del acuífero confinado y espacialmente relacionado con esta mineralización. En este contexto, los valores de δ34S tan elevados solo pueden explicarse como fruto de la reducción biogénica en un sistema cerrado al sulfato o debido a la actividad de procariotas que fraccionan poco el azufre (Rudnicki el al., 2000). El modelo que se propone implica la formación de un bioreactor actuando sobre el gossan; éste se formaría debido a la entrada de aguas ricas en sulfato por el acuífero y la acumulación de metano u otros hidrocarburos ligeros bajo la marga. El origen de estos hidrocarburos es desconocido pero podría ser la maduración de la serie paleozoica infrayacente. La actividad microbiana sería responsable de la reducción del sulfato/oxidación del azufre y reducción del sistema, dando lugar a la paragénesis observada. Según el modelo propuesto, el sistema de Las Cruces constituye un caso único en el que la actividad biológica es responsable de la modificación secundaria de una mineralización supergénica de varios millones de toneladas, formando un sistema único. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido realizado en el contexto del proyecto SEDI CGL201123207. Agradecemos a Cobre las Cruces su ayuda y apoyo en la realización de este trabajo, especialmente a C. Dominguez, J.C. Baquero, I. Carrasco y G. Obejero Igualmente, agradecemos la colaboración y sugerencias de J. Slack, N.G. Miguelez, C. Conde, J.C. Videira e I. Sánchez-Andrea. REFERENCIAS Blake, C., (2008): The mineralogical characterisation and interpretation of a precious metal-bearing fossil gossan, Las Cruces, Spain: . Tesis Doctoral, Cardiff University, 207 p. Capitan, M. A., Nieto, J. M., Saez, R., Almodovar, G. R. (2004): Mineralogia del gossan del yacimiento de Las Cruces (Sevilla): Macla, 2, 21-22. Conde, C., Tornos, F., Doyle, M. (2007): Geology and lithogeochemistry of the unique Las Cruces VMS deposit, Iberian Pyrite Belt, in: Digging Deeper. Proceedings of the 9th Biennial SGA Meeting. Andrew,

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Biomineralización de Piromorfita en Tuberías de Plomo " C$SAR (E*OR,SAL./* Centro de Astro7io9og;a (CSIC,I*TA)A CtraA TorreBCn,ABa9vir Em 4H I88KL,TorreBCn de ArdoM (EspaOa)

I*TRODQCCIR* El plomo en todas sus formas químicas constituye un problema medioambiental contra el que se ha luchado en las últimas décadas. El plomo metálico ha sido un componente esencial en la construcción desde la época romana hasta los años 1>?0-1>>0. El uso de conducciones de plomo para el suministro de agua potable cesó en España en 1>?0, con el fin de evitar el saturnismo. Sin embargo, aún muchos edificios construidos después de 1>?0 seguían usando tuberías de plomo en los desagFes y conducciones de aguas residuales. Se han estudiado ampliamente los fenómenos de corrosión en el plomo utilizado en sistemas de abastecimiento de agua potable y se han propuesto medidas para evitar su movilización hacia el agua de bebida, como por ejemplo la adición de fosfato en el agua de suministro para formar un recubrimiento de hidroxi-piromorfita o el tratamiento de las tuberías previo a su instalación (Davidson y col., 200M). Sin embargo, se sabe muy poco acerca del papel de la actividad biológica en la corrosión y movilización del plomo, la formación de biomineralizaciones y su significado en la geoquímica del metal así como los mecanismos de resistencia a la toxicidad de las comunidades biológicas asociadas a entornos ricos en plomo. En este trabajo se describe la primera descripción de piromorfita PbP(POM)RCl biomineralizada en el interior de tuberías de plomo. (QESTREO (I*ERAL

primero, se realiza una extensión directamente sobre un soporte de aluminio para SEM, que se fija y deshidrata con metanol. Una alícuota de 10 gramos de biofim se solubiliza en SDS 1X y se incuba con proteasas y polisacaridasas, separándose el material inorgánico por centrifugación.. RESQLTADOS S DISCQSIR* El biofilm presenta cristales aciculares (Fig. 1) de simetría hexagonal con las caras de prisma elongadas y terminaciones bipiramidales. Los tamaños cristalinos están comprendidos entre 1 y 20 [m. También se observan gránulos xenomórficos de tamaño inferior. La composición observada de estos cristales mediante espectrometría EDS se corresponde con la composición tipo de la piromorfita (Fig 2B), presentando usualmente pequeñas cantidades de calcio (entre el 0,P y 1,?X), siempre inferiores al 6X, por lo que se descarta la formación de

fosfohedyfana. La piromorfita se distribuye de modo uniforme en el biofilm, acumulándose los cristales de mayor desarrollo en conjuntos de grupos aproximadamente radialesA Como mineralizaciones acompañantes sólo se observa cerusita, en forma de gránulos de tamaño inferior a P [m. No hay evidencias de otras especies de plomo. El análisis por difracción de rayos X confirma el análisis realizado por EDS, observándose picos correspondientes a piromorfita y cerusita (Fig. 2A), sin poder determinarse ninguna fase cristalina acompañante. Recientemente, Rhee y cols. (2012), han publicado que algunos hongos en cultivo pueden movilizar el plomo metálico y formar biomineralizaciones de piromorfita. Sin embargo, no se han realizado hasta el momento observaciones en biofilms naturales, por

CARACTERITACIR*

El biofilm recogido en húmedo de diversas tuberías de plomo retiradas en domicilios de la Comunidad de Madrid se observa por microscopía convencional, constatando que posee naturaleza principalmente bacteriana. Tras ello, se somete a dos tratamientos:

Yig 1A Crista9es de piromorYita desarro99ados en e9 seno de un 7ioYi9m Yormado en e9 interior de una tu7er;a de p9omoA Imagen SE( con detecciCn de e9ectrones retrodispersadosA

pa9a7ras c9aveV Piromorfita, Plomo, Biomineralizacion, Biocorrosión resumen SEM/SEA 2012

EeW wordsV Pyromorphite, Biomineralization, Lead, Biocorrosion. b corresponding author: menorscccab.inta-csic.es

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pesados.

C P

Pb P P P

P P P

Cl P

Yig IA AV PatrCn de diYracciCn de raWos i de 9a Yase minera9iMada separada de9 7ioYi9m procedente de 9a muestra de conducciCn de p9omoA La maWor parte de 9os picos identiYicados se corresponden con piromorYita (P)A Se o7serva cerusita (C) W no se ha99an indicios de otros minera9es de p9omoA \V Espectro EDS de 9a piromorYita o7servada en 9a `igA 1A

lo que este trabajo constituye la primera observación de piromorfita formada en biofilms bacterianos. Como mineral relacionado, se ha citado la formación biogénica de hidroxipiromorfita por la bacteria del suelo \urEho9deria ceparia (Templeton y cols. 200R). La piromorfita es un mineral secundario común, formado en la zona de oxidación de yacimientos de plomo y en suelos contaminados por plomo. Su bajo producto de solubilidad (dse10-?M.M) y su estructura la convierte en la fase fosfatada de plomo mas estable. Siempre se ha considerado su formación por precipitación química, pero, fpuede la actividad bacteriana o fúngica favorecer la cristalización de piromorfita?. Las bacterias comunes en la ecología microbiana humana StaphW9ococcus aureus y Citro7acter Yreundii asi como la bacteria metaloresistente Cupriavidus meta99idurans desarrollan resistencia mediante la acumulación de gránulos de fosfato de plomo y la expulsión de Pb(II) a la matriz extracelular (Levinson y cols. 2006i Borremans y cols. 2001). Estos gránulos pueden actuar como gérmenes de cristalización que posibiliten el desarrollo de cristales desarrollados. Otro posible mecanismo de formación en el biofilm, alternativo a la acumulación intracelular, es a través de la fijación en exopolímeros o EPS (e^trace9u9ar po9Wmeric su7stances). Estos materiales, que actúan como protección del biofilm contra agentes tóxicos, pueden secuestrar el plomo en forma de complejos, formados tanto por captación de las disoluciones externas como por acumulación por exclusión del plomo intracelular. La acumulación de complejos de plomo en la matriz extracelular puede dar lugar a la formación de cristales de piromorfita

por crecimiento cristalino posterior. Estos mecanismos, tanto de resistencia y acumulación del metal en el biofilm como de precipitación y crecimiento cristalino de sales inorgánicas, están aún muy poco estudiados (Roane, 1>>>). A pesar de ello, es posible que la piromorfita sea un producto de corrosión del plomo asociado directamente con la actividad microbiológica (biocorrosión). La acumulación dominante de la piromorfita sobre la cerusita en el biofilm puede ser consecuencia de un proceso en varios pasos: en primer lugar, el plomo metálico se recubre rápidamente de una capa de corrosión pasivante formada por óxidos o carbonatos (cerusita). La formación del biofilm da lugar a la producción de metabolitos ácidos o complejantes (como el ácido acético) que movilizan estos minerales formados inicialmente. El plomo queda fijado en la matriz de polímeros extracelulares y/o forma gránulos intracelulares de fosfatos. Estos gránulos pueden actuar como gérmenes para el desarrollo cristalino posterior, que puede incluir fenómenos de disolución y recristalización que incrementen el tamaño de los cristales formados. La insolubilidad de la piromorfita puede ser un factor clave, pues puede prevenir la dispersión de plomo soluble como resultado de la actividad biológica sobre el metal. La formación de biominerales de plomo sugiere que sería conveniente el estudio detallado de las poblaciones bacterianas que componen el biofilm, con el fin de entender si existen mecanismos adaptativos de resistencia o bien hay una selección de especies resistentes. Solo se ha realizado un estudio detallado de la población bacteriana desarrollada en biofilms sobre tubería de plomo (White y cols., 2011), observándose la presencia de géneros con alta resistencia a metales

En conclusión, este trabajo constituye la primera observación de piromorfita en materiales de uso técnico por posible biocorrosión. El papel de la actividad microbiológica puede ser determinante en la geoquímica del plomo, en la formación de minerales secundarios y en los procesos de movilización del plomo. Este metal es utilizado en aplicaciones técnicas y se concentra? en entornos contaminados. Para ello, se requiere un estudio profundo en el mecanismo de resistencia a metales, bioacumulación de las fases inorgánicas y en la naturaleza de los taxones biológicos implicados en el procesamiento del plomo. A_RADECI(IE*TOS A D. Villoslada y M. A. Menor-Salván por el aporte de las muestras utilizadas en este estudio. Al Centro de Astrobiología (CSIC) en cuyas dependencias se han realizado los análisis y a los mmicromecenasn que han contribuido a su realización mediante una iniciativa de crowdYunding. RE`ERE*CIAS \orremansH \AH ao7manH bALAH ProvoostH AAH \rownH *ALAH van der Le9ieH DA (ILL1)V C9oning and Yunctiona9 ana9Wsis oY the p7r 9ead resistance determinant oY Ra9stonia meta99idurans Ca34A bA \acterio9A 183H KeK1,KeK8A DavidsonH CA(AH PetersH *AbAH \rittonH AAH \radWH LAH _ardinerH PAaAEAH LewisH \A (ILL4)V SurYace ana9Wsis and depth proYi9ing oY corrosion products Yormed in 9ead pipes used to supp9W 9ow a9Ea9initW drinEing waterH fater SciA Tecno9A 4gH 4g,K4A LevinsonH aASAH (ah9erH IAH \9acEwe9derH PAH aoodH TA (ILLe)V Lead resistance and sensitivitW in StaphW9ococcus aureusA `E(S (icro7io9A LettA 41KH 4I1,4IKA RheeH SA bAH ai99ierH SAH _addH _A(A (IL1I)V Lead transYormation to pWromorphite 7W YungiA CurrA \io9A IIH I3h,I41A RoaneH TA(A (1ggg)V Lead resistance in two 7acteria9 iso9ates Yrom heavW meta9 contaminated soi9sA (icro7 Eco9H ghH I18, II4A Temp9etonH AASAH TrainorH TAPAH SpormannH AA(AH *ewvi99eH (AH SuttonH SARAH Dohna9EovaH AAH _or7WH SAH \rownH _AEA (ILL3)V Sorption versus 7iominera9iMation oY P7(II) within \urEo9deria cepacia 7ioYi9msA EnvironA SciA Techno9A 3hH 3LL, 3LhA fhiteH CAH TancosH (AH LWt9eH DAAA (IL11)V (icro7ia9 communitW proYi9e oY a 9ead service 9ine removed Yrom a drinEing water distri7ution sWstemA App9A EnvironA (icro7io9A hhH KKKh,KKe1A

macla nº 11. septiembre ‘09 revista de la sociedad española de mineralogía

123

Quimiotaxonomía y Origen Botánico del Ámbar de El Soplao (Cantabria, España)

/ CÉSAR MENOR-SALVÁN (1,*), MARÍA NAJARRO (2), IDOIA ROSALES (2), FRANCISCO VELASCO (3), FERNANDO TORNOS (2) (1) Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), 28850 Torrejón de Ardoz, España (2) Instituto Geológico y Minero de España. Ríos Rosas 23. 28003 Madrid, España (3) Universidad del País Vasco, Dpto. Mineralogía y Petrología, Apdo. 644, 48080 Bilbao, España

INTRODUCCIÓN.

ENCUADRE GEOLÓGICO.

El ámbar es una resina fosilizada procedente de exudados de Coníferas y ciertas angiospermas. Además de su interés gemológico tradicional y de que ha permitido estudiar la anatomía de organismos fósiles, extraordinariamente bien conservados, el ámbar constituye una fuente de información paleobotánica, paleoclimática y geoquímica. Esta información puede obtenerse mediante el estudio de sus componentes orgánicos extraíbles.

Las muestras estudiadas pertenecen a la secuencia Cretácica del margen NO de la Cuenca Vasco-Cantábrica. Durante el Cretácico, su evolución estaba controlada por fracturas asociadas a la apertura del Golfo de Vizcaya y en ella se depositaron sedimentos marinos y continentales de potencia variable. En detalle, la zona de estudio se encuentra justo al N de la Falla de Cabuérniga. La secuencia incluye entre 200 y 800 m de rocas de edad Barremiense – Cenomaniense Inferior, que están solo ligeramente deformadas y son discordantes sobre un basamento de edad Carbonífera a Jurásica.

Químicamente, la mayoría de los ámbares estudiados a nivel mundial, están formados por un copolímero de terpenoides derivados del labdano (Yamamoto et al., 2006). Este proceso de polimerización comienza con la deposición de la resina y se prolonga durante la diagénesis, transformando el copal (resina depositada no polimerizada) en ámbar. Este polímero, químicamente muy refractario, protege de la degradación tanto a organismos incluidos en la resina como a parte de los componentes terpénicos de la resina original. Estos componentes terpénicos pueden aportar información sobre la flora originaria, tanto su identificación como su quimiotaxonomía (Marynowski et al., 2007; Peters et al., 2005). Típicamente, un ámbar de conífera contiene más de 700 hidrocarburos, derivados diagenéticos de los terpenos biológicos originales. En cambio, la preservación de estos bioterpenos va disminuyendo al aumentar la edad del ámbar, siendo raro encontrarlos en ámbar de edad cretácica, entre los cuales el encontrado en el yacimiento de El Soplao constituye una excepción. En este trabajo se presenta el primer estudio de los terpenoides preservados en el ámbar del yacimiento de El Soplao (Cantabria) así como su posible origen botánico.

El ámbar se encuentra en la Fm Las Peñosas, de edad Albiense Inferior y constituida por depósitos continentales a marinos transicionales (Najarro et al., 2009). La secuencia encajante consiste en 1.5-2 m de lutita y argilita carbonosas que alternan con arenisca y contienen niveles cm a dm enriquecidos en plantas y fragmentos de ámbar. Hay abundantes cutículas de plantas, generalmente de los géneros Frenelopsis y Mirovia con algunos restos de Nehvizdya y Pseudotorellia (Najarro et al., 2009). MÉTODO Y RESULTADOS.

El estudio quimiotaxonómico del ámbar de El Soplao se llevó a cabo mediante la extracción con solvente orgánico (CH2Cl2:CH3OH, 3:1) de 150 gramos de ambar especialmente seleccionado por su homogeneidad y ausencia de inclusiones. El extracto orgánico se somete a un fraccionamiento en columna de sílice, separándose cuatro fracciones mediante elución secuencial con n-hexano, n-hexano:diclorometano (3:1), diclorometano y metanol. Las dos primeras (A y B) contienen hidrocarburos saturados y aromáticos. La tercera (C)

palabras clave: Ámbar, Resina fósil, Terpenos, Cantabria, El Soplao, GC-MS, Biomarcadores, Quimiotaxonomía resumen SEM 2009

es una fracción polar formada por terpenoides fenólicos. La cuarta (D) contiene los terpenoides ácidos. Las fracciones C y D se derivatizan por sililación con N,O-bis-(trimetilsilil) trifluoroacetamida conteniendo 1% de trimetilclorosilano. Los trimetilsilil esteres resultantes se analizan mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. En paralelo se lleva a cabo el análisis de la fracción orgánica extraíble de hojas fósiles de Frenelopsis sp., conífera mayoritaria en el depósito de El Soplao. El análisis de la fracción polar C (Fig. 1) muestra la presencia en el ámbar de los terpenos fenólicos ferruginol, totarol y el derivado de oxidación del ferruginol, 6,7dehidroferruginol. Estas moléculas son biomarcadores específicos de las resinas de coníferas de las familias Cupressaceae y Podocarpaceae, siendo inexistentes en las familias Araucariaceae y Pinaceae (Cox et al., 2007). En concreto, la resina de Cupressaceae contiene mayoritariamente estos terpenos en una proporción relativa parecida. Así pues, la presencia de estos compuestos descarta la contribución de coníferas de la familia Araucariaceae (Araucaria y Agathis) al ámbar de El Soplao. El análisis de la fracción polar D muestra una compleja mezcla de terpenos altamente polares, dominada por el ácido 13-dihidroagatolico, terpeno de la familia del labdano. Este ácido es el constituyente mayoritario de los labdanos de la resina de Cupressus, en coherencia con el análisis de la fracción C. Otros ácidos encontrados en la fracción D son el pimárico, isopimárico y sus derivados diagenéticos, ácido 16,17bisnordehidroabiético y pimar-8-enoico. El proceso de diagénesis de estos compuestos conduce al componente mayoritario en la fracción extraíble del ámbar, el 16,17,19-trisnorabieta-

key words: Amber, Fossil resin, Biomarkers, Chemotaxonomy, GC-MS, Terpenoids * corresponding author: menorsc@inta.es

124

O O

Abundance O

Ferr uginol-TMS

3.6e+07 3.4e+07

Si O

2.8e+07 2.6e+07

Si O

2.4e+07

O O Si

e c 2e+07 n 1.8e+07 a d 1.6e+07 n u 1.4e+07 b a 1.2e+07 e 1e+07 iv t 8000000 la 6000000 e R 4000000 2.2e+07

e c 00n a 00d n 00u 00b a 00e 00v ti 00la 00e R 000

D eh ydr oa b ie to l -TM S

Pi m ar -8 -e n- 18 -o i c aci d -TM S

3e+07

TIC: C TMS.D\ data.ms

O Si

Pi m a ri c a ci d- TM S

3.2e+07

Isop i m ar i c aci d -TM S

TIC: B TMS.D\ data.ms

6,7-d ehyd rofe rruginolT MS

Si O

Totaro l-TMS

1 3- di h ydr oa g at ho l ic aci d -d i TM S

1 6 ,1 7 -Bi sn or de hyd ro a b ie ti c a ci d- TM S Si O

Si O

Hi n oki o l -d iTM S

2000000 0

40.00

42.00

44.00

46.00

48.00

50.00

52.00

Retention time

54.00

56.00

58.00 Time-->

42.00

44.00

46.00

50 48.00

50.00

52.00

54.00

56.0060

58.00

Retention t ime

fig 1. Terpenos polares (bioterpenos) contenidos en el ámbar de El Soplao separados en dos fracciones de diferente polaridad. La primera fracción está dominada por el ferruginol y la segunda por el ácido 13-dihidroagatolico. La composición encontrada descarta la contribución de coníferas de la familia Araucariaceae al ámbar, sugiriendo que su origen es de árboles del género Frenelopsis (Cheirolepidiaceae).

8,11,13-trieno. La falta de ácido abiático Yamamoto, S., Otto, enA., laKrumbiegel, G., y dehidroabiático fracción de Simoneit, B.R.T. (2006): The natural mayor polaridad del extracto de ámbar product biomarkers in succinite, glessite descarta completamente la contribución and stantienite ambers from Bitterfield, PinaceaePalynol. (Otto 140, et al., deGermany. resinas Rev. de Paleobot. 272007). Asimismo, la presencia y 49. proporción de los ácidos mencionados implica una relación en composición con la resina de las actuales Cupressaceae. Sin embargo, entre el abundante material fósil asociado al ámbar en el yacimiento no se encuentran restos de arboles de la familia Cupressaceae. Estos restos fósiles están dominados por arboles de la extinta familia Cheirolepidiaceae, en concreto el género Frenelopsis. Los estudios morfológicos proponen una relación genética entre la Cheirolepidiaceae y los familia modernos Cupressaceae. Sin embargo hasta la fecha no se dispone de ningún análisis serio de la quimiotaxonomía de la resina de Cheirolepidiaceae, ya que no se ha podido identificar ningún ámbar procedente de esa familia (Pereira et al., 2009). Para confirmar que el ámbar de El Soplao procede de Frenelopsis, se ha realizado el análisis de los biomarcadores contenidos en hojas y madera fósil del yacimiento. Al no estar protegidos por el polímero que forma el ámbar, en éstos la diagénesis ha degradado más los terpenoides originales. Sin embargo, se ha podido identificar que, como en el caso del ámbar, el terpenoide mayoritario es 16,17,19-trisnorabieta-8,11,13-trieno. Asimismo, las hojas de Frenelopsis contienen trazas de ferruginol, indicando una composición original parecida. Asi pues, la quimiotaxonomía de Frenelopsis sp. debió de estar constituida por ácidos labdanoicos (13dihidro agatólico como componente principal), ácido pimárico y terpenos

fenólicos. Uno de los componentes principales de la fracción extraíble es el 1,6-dimethyl-5-(3'-methylbutyl)- 5, 6, 7, 8 -tetrahydro naftaleno, compuesto identificado por primera vez en el ámbar de El Soplao. Esta molécula es posiblemente un derivado de diagenesis de los ácidos labdanoicos contenidos originalmente en la resina. Este compuesto exhibe una intensa fluorescencia azulada que, en unión a hidrocarburos de la familia del azuleno y metilnaftalenos presentes en la fracción de menor polaridad del extracto, son responsables de la coloración azulpurpúrea y la intensa fluorescencia azul del ámbar de El Soplao. CONCLUSIONES.

El ámbar de El Soplao está constituido por dos fracciones diferenciadas: una fracción insoluble formada por un polímero de terpenoides derivados del labdano y una fracción extraíble. Esta fracción está constituida por una mezcla de diterpenos biológicos y sus productos de alteración diagenética, formados por hidrocarburos di- y tricílicos que retienen total o parcialmente los esqueletos originales e hidrocarburos ligeros de naturaleza aromática. Los terpenos biológicos preservados en el ámbar de El Soplao permiten concluir que está formado básicamente por resina fósil de árboles del género Frenelopsis (familia Cheirolepidiaceae). Asimismo, el ámbar de El Soplao aporta el primer indicio de una relación genética entre la antigua familia Cheirolepidiaceae y la moderna Cupressaceae, dado que parecen expresar similares rutas del metabolismo secundario de terpenos. En resumen, el ámbar de El Soplao constituye la primera resina fósil de la familia Cheirolepidiaceae descrita desde un punto de vista quimiotaxonómico.

AGRADECIMIENTOS.

Trabajo realizado en el marco del proyecto “ITC-Soplao” del IGME en colaboración con el Gobierno de Cantabria y SIECSA. Agradecemos a F. Unzué su apoyo en la realización de este estudio y al Centro de Astrobiología Instituto de Técnica Aeroespacial "Esteban Terradas" las facilidades dadas para los análisis. REFERENCIAS. Cox, R.E., Yamamoto, S., Otto, A., Simoneit, B.R.T., (2007): Oxygenated di- and tricyclic diterpenoids of southern hemisphere conifers. Biochemical Systematics and Ecology 35, 342-362. Marynowski, L., Otto A., Zaton, M., Philippe, M., Simoneit, B.R.T. (2007): Biomolecules preserved in ca. 168 million year old fossil conifer wood. Naturwissenschaften 94, 228-236. Najarro, M., Peñalver, E., Rosales, I., Pérez de la Fuente, R., Daviero-Gomez, V., Gomez, B., Delclòs, X. (2009): Unusual concentration of Early Albian arthropodbearing amber in the Basque-Cantabrian Basin (El Soplao, Cantabria, Spain): Palaeoenvironmental and palaeobiological implications. Geological Acta (in press). Otto, A., Simoneit, B.R.T., Wilde, V. (2007): Terpenoids as chemosystematic markers in selected fossil and extant species of pine (Pinus, Pinaceae). Bot. J. Linn. Soc. 154:129-140. Pereira, R., de Souza Carvalho, I. Simoneit, B.R.T., de Almeida Azevedo, D. (2009): Molecular composition and chemosystematic aspects of Cretaceous ambers from the Amazonas, Araripe and Recôncavo basins, Brazil. Org. Geochem. Doi: 10.1016/j.orggeochem.2009.05.002. Peters, K.E., Walters, C.C., Moldowan, J.M. (2005): The Biomarker Guide, second edition. Volume 2: Biomarkers and isotopes in petroleum exploration and Earth history. Cambridge University Press, Cambridge.

LAS MINAS DE PLATA DE LA BODERA (GUADALAJARA): HISTORIA Y PATRIMONIO César Menor Salván2, Luis Jordá Bordehore1 y Alfonso Gutiérrez Gómez3 1

Rudnik Ingenieros Consultores. info@rudnikconsultores.com 2 Centro de Astrobiología; CSIC-INTA. menorsc@inta.es 3 Instituto Geológico y Minero. al.gutierrez@igme.es

RESUMEN Cuando en el año 1844 comenzó la minería de plata en Hiendelaencina (Guadalajara), paralelamente se desató una autentica "fiebre de la plata" en toda la zona desde Tamajón hasta La Bodera, denunciándose cualquier afloramiento con barita o con óxidos de hierro y dando lugar a labores variadas y dispersas. Fruto de aquella época fueron las minas de La Bodera, que entre la década de 1880 y hasta su cierre en 1925 alcanzaron un tamaño y actividad notable con producciones de galena argentífera que ocasionalmente superaron a las de Hiendelaencina. Actualmente y a pesar del abandono, el conjunto histórico de las minas de La Bodera se encuentra entre los mas notables de la provincia, conservando labores de interior accesibles y ricas en información histórica minera y mineralógica y un complejo exterior enclavado en un magnifico entorno natural. En este trabajo se emprende el primer estudio histórico de la minería en La Bodera así como la investigación del patrimonio existente, tanto en instalaciones exteriores como en el interior de las labores. PALABRAS CLAVE: Minería de plata, Guadalajara, historia de la minería, distrito minero de Hiendelaencina, minería de plomo.

ABSTRACT La Bodera silver mines are located in the Hercynian domain in the Centre of Spain. They are close to the famous mining district of Hiendelaencina. The silver ore in La Bodera is found s Sb-As(Pb)-Ag sulphides within sphaleritebarite lodes. The mines were exploited mainly during the 19th C and the first two decades of the 20th C. The mines were definitely abandoned in 1925. The heritage cover galleries, huge "empty" lodes, ruins of the mineral plant and shafts. When in 1844 begun the "silver rush" in Hiendelaencina (Guadalajara), it propagate to the neighbouring La Bodera- Tamajón deposits. Every barite outcrop with iron oxides was registered and various and dispersed labours were found everywhere. As a result of that times are La Bodera mines, which from 1880 to 1925 produce galena and silver ore. Sometimes producing even more than Hiendelaencina. Nowadays the historical mines are one of the most important industrial heritage of the province. There are several underground workings which can be visited (with proper caving equipment). These mines have important mining history, valuable mineral and geological items and an important mining complex, all of these in a magnificent natural surrounding. This paper cover the first historical and heritage investigation about mining in La Bodera. It covers the outside and inside elements. KEY WORDS: Silver mining, Guadalajara, mining history, Hiendelaencina mining district, lead mining.

INTRODUCCIÓN Las minas de La Bodera se localizan a algo menos de 3 km al SE del pueblo del mismo nombre, en el limite entre los términos municipales de La Bodera y Robledo de Corpes (Guadalajara) y a ambas orillas del rio Cañamares, en la falda de la Sierra de La Bodera. Son fácil-

mente accesibles por un camino de tierra que parte al sur del pueblo de La Bodera, junto a la ermita de “La Soledad”, conocida como “la ermita de abajo”. Se encuentran señalizadas en la hoja 460 del mapa topográfico nacional con el nombre de “minas de San José” y agrupan numerosos pozos, galerías y mas de 25 indicios mineros.

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Figura 1. Ruinas de la central que abasteció de corriente eléctrica al poblado minero de La Bodera hasta 1925. Los pozos principales de la mina San José se encuentran a la derecha de la central. Al fondo se aprecian panales de abejas, uno de los productos básicos de la economía local.

La mineralización de La Bodera se sitúa al Noreste del distrito argentífero de Hiendelaencina. Se encuentran cerca del contacto entre los materiales ordovícicos con los gneises de la formación Hiendelaencina. El encajante está constituido por gneises glandulares. Martínez-Frías et al (1988) consideran los filones de La Bodera como de tipo hidrotermal tardihercínicos con predominio de etapas metalogenéticas ricas en Zn, Pb y Ag de temperatura intermedia. A diferencia de las vecinas minas de Hiendelaencina, la mena principal de La Bodera es la “galena argentífera” siendo la blenda el mineral metálico más abundante. El carácter argentífero de la galena proviene de las sulfosales de plata: freibergita, freislebenita y pirargirita. La freibergita se encuentra generalmente en forma de cristales alotriomorfos de pequeño tamaño asociados a esfalerita, galena y calcopirita; por su parte la freislebenita y pirargirita aparecen asociadas a la galena como productos de exolución, o también rellenando pequeñas grietas en el último caso (Martínez-Frías et al. 1988).

HISTORIA Los primeros indicios históricos de actividad minera en la zona de La Bodera datan del siglo XV, con diversas prospecciones en los siglos XVI y XVII (Pellico, 1846). Sin

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embargo, las exploraciones efectuadas, que se extendieron desde Tamajón a La Bodera, no dieron resultados apetecibles y la zona quedó olvidada en su aspecto minero hasta el siglo XIX, a partir del cual nace realmente la historia de la minería en el norte de Guadalajara. Las minas de La Bodera gozaron de dos periodos de prosperidad, salpicados por pequeños periodos de detención del laboreo y falta de producción que atestiguan las dificultades y altibajos que sufrió todo el distrito de Hiendelaencina a lo largo de su historia. El primer periodo de prosperidad tiene lugar entre los años 18401855, seguido de un declive propiciado por el desorden en las labores de esas épocas, y un segundo periodo de esplendor entre 1884 y 1916 tras el cual comienza su declive definitivo y el abandono.

PRIMER PERIODO DE ESPLENDOR: LA FIEBRE DE LA PLATA

Entre las décadas de 1840-1850, existían numerosas minas pequeñas y calicatas situadas en los escarpes del suroeste del pueblo. Coincidiendo con el desarrollo de la minería en Hiendelaencina (que comenzó en 1844) y fruto de la búsqueda de la continuación del sistema de filones de esta localidad, que apuntaba en dirección noreste hacia La Bodera, comenzaron a denunciarse afloramientos de barita en crestones del terreno y en el

Figura 2. Zona del Rio Cañamares. A ambas vertientes se distribuyen los restos mineros del complejo de La Bodera.

escarpado valle del río Cañamares, que cortó el sistema de filones. Esto dio lugar a una época de intensos y anárquicos trabajos en la zona. Las labores mas importantes en estos años eran las minas “Santa Bárbara”, “Tirolesa” y “San Faustino”. Ésta explotaba un filón de escasa potencia de barita, acompañada por galena, blenda, pirita y “plata agria” (estefanita). Sobre el pequeño tamaño de las labores da testimonio la descripción realizada por Casiano de Prado, que visitó esta mina en mayo de 1850:

La que mejor resultados presentaba en 1850 era la mina “Santa Bárbara”, que explotaba la galena argentífera mas rica del distrito, conteniendo una cantidad de plata de “5 o 6 onzas por quintal de mineral”1, lo que unido a que disponía del laboreo mas inteligente de la zona, formado por una galería de 40 varas2 siguiendo el

“una zanja abierta sobre el filón y en su limite o final el primer pozo de 11 varas de profundidad, en su caldera una galería de 7 varas, y luego otro pozo de 30 varas y a su pie otra galería de 14 varas en igual tumbo a la anterior y sobre el filón”. Casiano de Prado dispuso que el segundo pozo debería prolongarse a superficie a fin de instalar un malacate de extracción para superar los problemas de ventilación y de extracción existentes. Las recomendaciones del famoso ingeniero no se siguieron, hecho que con seguridad contribuyo al primer declive de estas minas. La mina “Tirolesa”, cuyas labores incluían tres pozos y varias galerías, presentaba menor abundancia que la anterior y no se encontraba en explotación activa en estos años.

Figura 3. Croquis de las concesiones mineras de la zona de La Bodera activas entre 1873 y 1925.

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Figura 4. Croquis de las labores de interior del pozo San José. A: croquis de planta. B: croquis de perfil.

filón principal, de la cual partían galerías siguiendo las ramificaciones, propiciaron que fuera la mina mas productiva de la década. Aparte de estas minas principales, existían numerosos registros y denuncias, desatándose una autentica “fiebre de la plata”, con profusión de calicatas y pocillos de exploración, creando una dispersión de esfuerzos e inversiones que redundaba en perjuicio de todos, al ser costosa la extracción del mineral y acrecentarse las dificultades de las labores existentes. En cada crestón con afloramientos de barita o de óxidos de hierro se creaba una nueva concesión que se reconocía con galerías o zanjas. En estos años fue tal el furor minero en La Bodera que, en palabras de un ingeniero de la época: “si los esfuerzos y afanes empleados en esta localidad lo fueren en la de Hiendelaencina, los resul-

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tados serian mas lisonjeros”. En 1852 una sociedad llamada “Veragua” llevo a cabo la explotación de las minas “Tirolesa” y “San Faustino”, encontrando grandes dificultades: La bocamina de la “Tirolesa” se encuentra junto al río Cañamares, siendo aun accesible hoy día, exponiendo la mina a inundaciones en periodos de crecida, además de ser demasiado estrecha para poder extraer el mineral y desaguar con comodidad. Además tenían problemas de ventilación, debido a un sistema de contrapozos arbitrario. No obstante las labores se habían desarrollado explotando un filón de barita con galena, minerales de plata, blenda, fluorita y calcita. Para la mina “San Faustino”, la sociedad trató de emprender las reformas sugeridas por Casiano de Prado, si bien el coste necesario para solven-

tar los problemas de ventilación y desagüe era excesivo, unido a las dificultades asociadas a lo escarpado del terreno y que los principales filones explotados en esa concesión estaban constituidos mayoritariamente por esfalerita y no por la apetecida galena argentífera, condujeron al declive y abandono definitivo de estas minas en 1855. Este abandono vino parejo con la decadencia de la vecina Hiendelaencina, resultando en un oscurecimiento del distrito hasta 1883. SEGUNDO PERIODO DE ESPLENDOR: MINERÍA MODERNA Y DECADENCIA FINAL

En 1884 comienza el renacimiento de las minas de La Bodera, acometiéndose la creación de nuevas labores que recuperan parte de los trabajos anteriores. En ese año se crea la Sociedad “El Faro” que acomete trabajos en la zona, abriéndose la mina “San José”, que a partir de entonces será la mas importante de La Bodera. Los filones abiertos en esta mina se distinguen de los de Hiendelaencina “por su abundancia en fluorita y por ser plomizos”. Conforme se van reconociendo las labores en la nueva mina “San José” se va acrecentando el interés, por la riqueza en plata de la galena extraída. En 1885 prosiguen los trabajos aunque con “lamentable lentitud”. En 1886 la sociedad “El Faro” ya explota tres concesiones: San José, San Joaquín y María, con cuatro filones reconocidos. El primero de los filones tiene unas direcciones (así en el original) o 15º N a E 15º S y buzamiento 85º al Norte. El filón esta reconocido a lo largo de 400 metros por labores del momento y se observaba también su continuidad en superficie por crestones de baritina y trabajos antiguos. El segundo de los filones corre de O 18º S a E 18º N con una inclinación que parecía ser Sur. Este filón cruza las pertenencias de la mina San Joaquín. Los filones denominados 3 y 4 aún no estaban perfectamente reconocidos, pero se apunta que son los más argentíferos. El filón primero se une con los 3º y 4º a 1500 metros de la mina San José, en un punto donde existen pozos antiguos de importancia:

enviados a la Fábrica de la real Compañía Asturiana de Rentería. Creemos que se guarda un stock de mineral para paliar épocas peores. Los años 1890 y 1891 son de máxima producción, hasta 1201,7 quintales métricos en la mina “San José”, cifra sólo superada ese año en Guadalajara por la mina Santa Catalina de Hiendelaencina. Son años de bonanza y la fama y dimensión de los trabajos en La Bodera llegan a superar a los de su celebre vecina. Es interesante señalar la conexión de los periodos florecientes y de decadencia con los de las minas de Hiendelaencina, una historia paralela llena de altibajos propiciados no solo por las irregularidades de los filones, sino también por los problemas administrativos y la enorme cantidad y dispersión de concesiones en la zona (Cuesta et al. 1991). En efecto, en los años 1892 y 1893 comienza un nuevo periodo de decadencia que continua hasta 1896. En 1895 se cita que “las minas de plomo de La Bodera continuaron paradas”. En 1897 la sociedad “El Faro” reanudó los trabajos en sus minas de la Bodera con renovado entusiasmo. En 1898 se produjeron 20 toneladas de plomo argentífero. En 1899 la sociedad “El Faro” prosigue pequeños trabajos en las minas San Enrique, San José y San Benito con una producción de 12 toneladas. Esta sociedad comienza a atravesar dificultades y para la producción en el año 1900, desapareciendo la compañía en el año 1901. Sufren las minas de La Bodera su ultimo periodo intermedio de decadencia previo a la reanudación de las labores de explotación en 1907, año en que comienza su mayor esplendor, previo a la decadencia final. En 1908 se desescombra la mina “Mercedes” y se limpian labores antiguas, arrojando una pequeña producción de 5 toneladas de mineral. Ese año trabajan 26 mineros en interior y un total de 52 obreros en las minas, siendo el director facultativo el ingeniero de

“El sistema de explotación consiste en subdividir el filón en macizos rectangulares para después, por bancos y testeros, proceder a su disfrute. El mineral utilizable es galena argentífera con sulfuros de plata, sirviéndole de caja la baritina y el gneis”. Ese año se producen 50 toneladas en un anchurón de 1500 m3 que se transportaron a Rentería. Durante los dos años siguientes la producción es escasa, hasta 1889, año en el que la sociedad “El Faro” produce 500 quintales métricos de galena argentífera en la mina “San José”; en 1890 ascienden a 506, de los cuales 297,70 son

Figura 5. Croquis del pozo de Las Palomas, en la mina de La Carolina.

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Figura 6. Vista general de los restos de las instalaciones de la mina San José (La Bodera, Guadalajara). Estas instalaciones son las mejor conservadas de la zona, pudiéndose apreciar a la derecha las ruinas de la central eléctrica y a la derecha restos de viviendas de mineros.

minas Joaquín Menéndez Ormaza. En 1909 se profundiza 40 metros el pozo maestro de “Mercedes”, hasta el denominado piso 3º y se trabaja en un testero entre los niveles 2º y 3º, de 60 m2, explotándose 4,459 toneladas de mineral. Las perspectivas son muy halagüeñas y la riqueza de la galena argentífera supera las expectativas. Por segunda vez la fama de estas minas llega a hacer sombra a Hiendelaencina: “Bellos ejemplares cristalizados de galena se han recogido en Hiendelaencina (...); pero donde mas abunda el sulfuro de que tratamos es en La Bodera, explotado en grande escala por ser muy argentífero” (Calderón, 1910). En esta época se hacen famosos los ejemplares de mineral bellamente cristalizados que se obtienen en estas minas, en particular la galena y la fluorita, esta última recogida con interés por lo inusual en la región. En 1910 se crea la Sociedad “La Bodera” con el fin de invertir en la mejora y modernización de las minas, comenzando unos años de importantes trabajos en la zona: “Tanto la mina mercedes, como algunas de sus colindantes fueron explotadas ventajosamente hace años, y por consiguiente es de suponer que disponiendo (...) del capital necesario (...) podrá procederse al disfrute del mineral ya a la vista (...)”. En 1912 la sociedad “La Bodera” reanuda el laboreo en las minas “San José”, “La Carolina” y “La Mercedes”. Se han construido instalaciones para el beneficio del mineral, casas de mineros, así como carpintería y herrería. Una central eléctrica está prácticamente terminada, que alimentara las instalaciones exteriores y dará energía a un castillete instalado en el pozo maestro de “San José” y luz al interior de la mina. Las instalaciones

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antiguas carecen por aquel entonces ya de importancia. En la mina San José se acomete un pocillo de 13 metros al Este de la segunda planta, y 7 metros de galería al Este en la tercera y 5 metros al este en la 5ª. Se preparan 34 metros de macizo en la segunda. Se acometen varios trabajos en la mina La Carolina y 27 metros de pozo Maestro en la Mercedes, con 8 de galería de reconocimiento, 15 de crucero al Este de la 1ª planta y un anchurón en la misma de 59 m3. Han sido unos años de inversión y parece que aun no se ha logrado producción de mineral. En 1913 se acometen importantísimos trabajos en “San José”, “La Carolina” y “Mercedes”. El trabajo en “San José” y “Mercedes” se desarrolla de forma manual, mientras que se ha instalado un rudimentario compresor en “La Carolina”. Los pozos alcanzan ya más de 100 metros en “La Carolina” y “Mercedes”. Se piensa instalar compresores en las tres minas, de forma que se puedan operar cinco martillos barrenadores en cada una de ellas. Se ultima la instalación de un transporte por cable entre la mina “San José” y la planta de preparación mecánica sita en “Mercedes”. Con todas las instalaciones terminadas se producen una tímidas 10 toneladas de mineral, con una ley media de 63% de plomo y una notable 0,36% de plata. Sin embargo los gastos superan con creces los ingresos y se paralizan temporalmente los trabajos. En 1915 prosigue la mina en mantenimiento: “continúan paralizados los trabajos de este importante coto, después de haber llegado a la profundidad de 175 m en el pozo de Las Mercedes y a la de 97 metros en el de La Carolina.” Todo estaba dispuesto para profundizar labores y seguir reconociendo el criadero, sin embargo en 1916 la mina sigue en mantenimiento y sin producción y ésta es nula o muy escasa hasta 1925, cuando tiene lugar el abandono definitivo. Resulta sorprendente el cierre de esta mina justo en el momento en que más desarrollada está. De hecho la imagen de 1925 de la hoja geológica es de una mina en perfecto estado. También es lo que sugiere la exploración subterránea, donde se aprecian frentes de trabajo en prefecto estado y varios filones “sin tocar”, con fragmentos de riquísimo mineral dispersos por la galería (nivel aproximado –60) en un anchurón del Pozo San José. El abandono de estas minas coincide con el declive definitivo de las minas de Hiendelaencina, hecho que pudiera estar relacionado, ya que la producción total de plata del distrito posiblemente resultase muy escasa como para competir con otros productores importantes en pleno apogeo en la época. Asimismo la producción de plomo-zinc probablemente resultase inviable dado el precio de los metales y la intensa producción por parte de los distritos plomíferos españoles.

Figura 7. Trabajos de acceso al interior de la mina San José. En su interior se encuentra una interesante muestra de arquitectura minera y encierra una valiosa información geológica, con profusión de filones de baritina intensamente mineralizados.

Ha habido, sin embargo, tímidos intentos posteriores de recuperar minería en la zona: En 1946 se declara la mina “Natividad” para la explotación del arsénico en un afloramiento de arsenopirita situado al norte del pueblo de La Bodera, en el arroyo Chorrón. En 1952 se concede un permiso de exploración llamado ”Vitin primera” para la explotación de pirita en la zona de San José. Estos intentos nunca pasaron de la de la administración a la práctica.

ESTADO ACTUAL DE LAS LABORES

Los restos mas significativos se corresponden con las minas “San José”, “San Joaquín” y “San Enrique”. Comprenden numerosos pozos accesibles y ruinas de instalaciones y viviendas que permiten adivinar la importancia que llego a tener la explotación, además de un importante volumen de escombreras con abundancia de muestras de mineral. A las dos orillas del río Cañamares se localizan restos de menor entidad: el socavón, accesible, de la mina “la Unión de los 10 obreros”, en buen estado de conservación y un buen ejemplo de arquitectura minera, situado ya en el termino de Robledo de Corpes; restos de edificaciones y pozos de la mina “La Carolina” y grandes escombreras con escaso mineral de la mina “Tirolesa” y “Resurrección de Tirolesa”. Asimis-

mo, en prácticamente todo el termino municipal de La Bodera pueden localizarse pozos y calicatas de escaso interés.

LA EXPLORACIÓN SUBTERRÁNEA EN LAS MINAS DE LA BODERA POZO SAN JOSÉ Y CONTRAMINA

El pozo principal de la mina San José está en su mayor parte excavado en estéril. La primera parte ha cortado el filón mineralizado, el cual ha sido vaciado y relleno con mampostería 3. Por el contrario, a escaso metros del Pozo Maestro San Jose, se encuentra una contramina4 que alcanza una profundidad semejante. Ambos pozos poseen un gran embarque a unos 35-40 metros de profundidad. Este embarque da acceso a un nivel de mampostas que recorría todo el filón vaciado y servía de galería de servicio. La practica totalidad del nivel de mampostas y traviesas ha desaparecido y en su lugar quedan galerías, rellenos y mampostas colgadas a 30 metros de profundidad y 20 metros sobre el fondo del gran filón vaciado. En el embarque del Pozo San José se ha equipado un fraccionamiento con 3 spit de métrica M8 a partir del cual se puede proseguir el descenso del

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pozo o del filón vaciado y acceder a una parte del “nivel colgado” a través de un pasamanos. Tanto en el “nivel colgado” como en una galería en el fondo practicable del Pozo San José, puede apreciarse la mena y filón de barita. Este filón esta formado en su mayor parte por barita con esfalerita negra en vetillas en su centro y salbanda. Posee forma arriñonada, variando su potencia entre 5 y 20 cm. POZO DE LAS PALOMAS

Situado en la mina denominada “La Carolina” (Martínez-Frias) o “Resurrección de la Tirolesa (demarcación del archivo histórico de Guadalajara), este pozo se abre en estéril, con una boca de entrada de geometría rectangular y con unas dimensiones aproximadas de 3,5 m x 2,3 m, se encuentra ubicado a unos 20 metros del Pozo de San José. A la cota -8 metros aparece una galería colgada, de difícil acceso, pero sin continuación ya que acaba en una estrechez impenetrable, véase la figura 1: Pozo de las palomas. Es posible que vieran posibilidades de sacar mineral, pero fue abandonada. Siguiendo con el descenso, la dimensiones aumentan y como puede apreciarse en le croquis en la cota -26 metros, nos encontramos dentro de la antigua explotación, que mantiene un rumbo Este-Oeste, con una anchura variable entre los 2 metros a los 5 metros, siguiendo la mineralización. Se pueden observar los restos de los troncos que aun permanecen ahí después de 100 años de abandono y que fueron empleado como testeros en los trabajos de producción, en la cota -39 metros nos encontramos con una repisa, en estéril, descendiendo en dirección Este, llegamos a la caldera de la mina a -51 metros.

CONCLUSIONES Las minas de La Bodera constituyen actualmente un importante patrimonio histórico minero, con instalaciones y restos exteriores bien conservados, comparables a los restos de la vecina Hiendelaencina y, a diferencia de esta, unas labores de interior accesibles en muchos puntos. Estas son las labores mineras de interior mejor conservadas de la provincia de Guadalajara y se encuentran entre las mejores de la comunidad de Castilla-La Mancha. Por su desarrollo, técnica de laboreo y riqueza mineral actual en el interior, las labores de las minas de La Bodera constituyen una importante fuente de infor-

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mación científica acerca de la geología, mineralogía y minería histórica local. Asimismo, el complejo de las minas de La Bodera no solo forma un patrimonio histórico a defender por la importancia que tuvo en el desarrollo económico de la comarca durante la segunda mitad del siglo XIX y primera del XX, sino que por su situación, accesibilidad, la configuración de los restos, la abundancia de escombreras ricas en muestras minerales diversas y el entorno natural en que se enclavan convierten al conjunto minero en un extraordinario centro para actividades didácticas relacionadas con la Naturaleza y un objetivo potencial para el llamado “turismo cultural” digno de ser considerado por las autoridades locales. Así pues, consideramos de importancia para el desarrollo local la protección del yacimiento y su entorno y la conservación de los restos actuales, tanto de interior como exteriores.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Archivo Histórico de Guadalajara y al personal de la Sección de Minas de la Delegación de Industria y Tecnología de Guadalajara, en particular Diego Vizcaíno Pacheco, sin cuya ayuda no se habría podido localizar y denominar las concesiones mineras de La Bodera. A Jesús Martínez-Frías, del Centro de Astrobiología, gran conocedor de los yacimientos de la zona y a los vecinos y Ayuntamiento de La Bodera, por su ilusión y apoyo a la realización de este artículo. 5 BIBLIOGRAFÍA

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