El universo es un inmenso laboratorio de múltiples posibilidades
Los últimos avances en espectrometría y en sistemas de observación han permitido detectar todo tipo de moléculas en el cosmos, en los discos protoplanetarios, en los restos de supernova e incluso en meteoritos y cometas, donde se han descubierto los ladrillos básicos de la vida. El universo es un inmenso laboratorio de múltiples posibilidades.
Publicado por
Alejandro Caicedo Guerrero
Doctor en Ciencias Químicas de la Universidad Libre de Cali (Colombia
Jonathan Pelegrin Ramírez
Biólogo de la Universidad Santiago de Cali (Colombia
Creado:13.01.2024 | 10:00
Cuando Robert Boyle publicó El químico escéptico, en 1661, donde propuso elevar la química a la categoría de ciencia para abandonar definitivamente la alquimia, es probable que no imaginara que este nuevo campo del conocimiento llegaría a ser tan importante que pudiese alcanzar la denominación de universal. Y así es, pues las teorías, las leyes y los principios de la química no solo son aplicables en la Tierra, como creía Boyle, sino también en el sistema solar, la Vía Láctea y en cualquier otra parte del cosmos. Al menos, donde encontremos materia bariónica, aquella con la que están hechos los planetas, las estrellas y nosotros mismos, pero que solo constituye un 15 % del total; es decir, en principio, la química no se aplicaría a la llamada materia oscura –el 85 % restante–. O eso se supone.
Las explosiones de supernova son auténticas fábricas de elementos más pesados que el hierro. Créditos: HandoutHandout
Desde la segunda mitad del siglo XX, y al reconocer que la química es una ciencia universal, los investigadores han logrado imaginar moléculas y reacciones fuera de nuestro planeta, en lo que marcó el comienzo de la astroquímica. Sin embargo, para su consolidación fueron fundamentales diversos avances científicos que se han ido dando a lo largo de los últimos 120 años. En primer lugar, debemos reconocer que sin la aplicación de la mecánica cuántica a la compresión del enlace químico y la consolidación de la teoría de los orbitales moleculares –que explica el enlace químico en el que los electrones no están asignados a un átomo determinado, sino que se mueven bajo la influencia de todos los átomos de la molécula–, no hubiese visto la luz la espectroscopía molecular, la herramienta fundamental para detectar moléculas en el universo.
Un segundo momento clave tuvo lugar en 1968, cuando Charles Townes y sus colaboradores de la Universidad de California, en Berkeley, detectaron amoniaco (NH3) en el centro de nuestra galaxia. Aquello puso de manifiesto la importancia que en el futuro de la astroquímica iba a tener un tipo particular de espectroscopía llamada rotacional, que detecta los fotones generados por los diferentes estados de rotación de las moléculas –estas también emiten fotones provenientes de sus diferentes modos de vibración–.
Los discos protoplanetarios son enclaves propicios para la formación de moléculas. Créditos: Pat Rawlings / NASAPat Rawlings / NASA
Un tercer tipo de inflexión fue la publicación en 1978 del libro Interstellar Dust, de Jerome Mayo Greenberg, en el que este físico mostraba la importancia que tienen para las reacciones químicas en el espacio los granos de polvo interestelar, unas partículas sólidas que poseen un tamaño que oscila entre una cien milésima y una millonésima parte de un milímetro. Estos granos están constituidos por silicatos, óxidos y carbono, así como hielo (H2O), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), amoniaco y metanol (CH3OH).
Finalmente, la mayor revolución llegó en 2011, cuando el interferómetro ALMA (siglas de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) inició sus operaciones en el desierto de Atacama, en el norte de Chile. Los hallazgos que está propiciado esta instalación astronómica demuestran la gran importancia de la astroquímica para entender la evolución del universo.
Pero ¿cómo se detectan las moléculas en el medio interestelar? Para ello, debemos retrotraernos a principios del siglo XX, cuando el matemártico Max Planck sorprendió a la comunidad científica al anunciar que la materia absorbía o emitía energía en forma de pequeños paquetes o cuantos de luz.
Pocos años más tarde, Albert Einstein completó esa idea y planteó que la energía misma estaba cuantizada, en forma de fotones. Precisamente, son los fotones de baja energía que llegan a la Tierra desde las regiones oscuras de las nubes interestelares diseminadas por la galaxia los que son fundamentales para la detección de moléculas en el universo. Esta energía corresponde a los niveles rotacionales de las moléculas que allí existen y cuyos parámetros son únicos para cada molécula; podemos decir que son su huella dactilar. Tales niveles están asociados con longitudes de onda en la región del espectro electromagnético conocida como submilimétrica –esta se encuentra entre las microondas y el infrarrojo, y su longitud de onda va de 1 a 0,1 milímetros–.
En algunos meteoritos se han hallado moléculas orgánicas. Créditos: Chris JacksonChris Jackson
La detección de este tipo de radiación presenta una importante limitación, pues la resolución de los telescopios está relacionada directamente con la longitud de onda que se quiere detectar: una radiación con una gran longitud de onda –como es este caso– exige un diámetro de la antena o espejo igualmente grande. Afortunadamente, si empleamos la técnica de interferometría el problema se puede hacer más manejable. Así, el observatorio ALMA, que posee 66 antenas de 7 y 12 metros de diámetro interconectadas, funcionan como un único telescopio equivalente a una de 16 kilómetros de diámetro.
Ahora bien, si queremos obtener moléculas lo primero que debemos tener son los elementos químicos. Ese paso previo se localiza en el interior de las estrellas que, en función de su masa y partiendo del hidrógeno, generan diferentes elementos químicos, como oxígeno, carbono, nitrógeno y hierro. Sin embargo, la aparición de los elementos más pesados que este último requiere de la explosión violenta de estrellas con masas varias veces la del Sol: es lo que conocemos como supernova. Todos estos procesos vienen sucediendo desde hace 13 000 millones de años y han ido enriqueciendo el medio interestelar con los diferentes elementos químicos.
Por otro lado, conocer la abundancia relativa de los elementos cósmicos ha permitido a los investigadores simular las reacciones químicas que forman moléculas en condiciones diferentes a las conocidas en la Tierra. Pero ¿dónde pueden darse? Existen unos lugares en el medio interestelar, diferentes a las estrellas o cuerpos celestes comúnmente conocidos, donde se presentan condiciones que propician los necesarios choques entre elementos químicos para formar moléculas. Estos lugares son las nubes interestelares difusas, las nubes moleculares, las regiones de formación de estrellas y los discos protoplanetarios. Es importante mencionar que en estas regiones se han encontrado cerca de doscientas moléculas compuestas por, al menos, trece átomos.
En las nubes difusas, la cantidad de polvo interestelar es mínima, mientras que la radiación ultravioleta y el hidrógeno son abundantes. Por ello, predominan los fenómenos de fotodisociación –esto es, la ruptura de la molécula por acción de la luz– y fotoionización –la pérdida de algún
electrón–, lo que suscita que las moléculas detectadas sean neutras o especies ionizadas –que han perdido algún electrón–, como agua ionizada, ácido clorhídrico, amoniaco, ácido cianhídrico (HCN) y dióxido de azufre (SO2), entre otras.
Cuando las nubes difusas empiezan a colapsar por inestabilidad gravitacional o por choques entre ellas mismas, su densidad aumenta y aparecen las nubes moleculares. Tales estructuras pueden alcanzar tamaños de 30 años luz y albergar una masa de un millón de veces la del Sol. Pues bien, toda la información sobre la estructura, condiciones físicas y distribución de tales nubes se ha logrado obtener a partir de las líneas de emisión rotacional del monóxido de carbono.
Lo interesante es que las moléculas sobreviven más tiempo porque quedan atrapadas en el hielo que rodea a los granos de polvo interestelar. Y no solo eso, sino que estos diminutos granos son el vehículo perfecto para crear nuevos compuestos, pues acelerarn la velocidad de las reacciones químicas. Uno de los casos más estudiados es el de la nube molecular de Tauro (TMC-1CP), donde se han detectado varias moléculas, como ácido fórmico (HCOOH), metanotiol (CH3SH), etanal (CH3CHO), acetonitrilo (CH3CN) o ácido sulfhídrico (H2S).
En 2021, un equipo internacional, liderado por investigadores del Centro de Astrobiología, en Madrid, anunció el hallazgo de etanolamina (NH2CH2CH2OH), en la nube molecular G+0.693– 0.027, en el centro de la Vía Láctea. Esta molécula es importante para la vida pues está presente en la estructura de los fosfolípidos, que componen las membranas celulares.
Con el tiempo, la contracción gravitacional puede llevar al nacimiento de una estrella en los núcleos de las nubes moleculares, y dichas regiones también son objeto de estudio por parte de los astroquímicos. Un ejemplo citado recurrentemente es Orion KL, una zona de formación de estrellas situada en el corazón mismo de la famosa nebulosa de Orión, donde además de las moléculas mencionadas anteriormente se han detectado acetona (CH3COCH3), formaldehído (HCHO) o formiato de etilo (HCOOCH3).
Nebulosa de OriónNASA, ESA, CSA, McCaughrean, Pearson
Asimismo, las observaciones de ALMA han permitido conocer en detalle la formación de discos protoplanetarios donde se han encontrado moléculas interesantes, como metano, acetonitrilo (CH3CN) o metanol (CH3OH). En este punto, es relevante mencionar que toda esta evolución química también la presentó nuestro sol antes de que se consolidara el sistema solar. Dicho de otro modo, estamos presenciado lo que sucedió en nuestro barrio galáctico cuando el astro rey era muy joven.
En las últimas décadas, la astroquímica ha adquirido gran importancia debido, sobre todo, a que permite a los científicos que estudian el origen de la vida probar hipótesis sobre el desarrollo de las primeras unidades básicas que conformaron las moléculas biológicas. Por ejemplo, diversas investigaciones han evidenciado la presencia de aminoácidos en algunos meteoritos, como el Murchison –este impactó en Australia en 1969–, que provienen de los restos que dejó la formación del sistema solar, hace 4600 millones de años. De los veinte aminoácidos que encon- tramos en todas las proteínas de los seres vivos, trece están presentes en estas rocas espaciales.
Igualmente, cabe resaltar el hallazgo en estos objetos de ciertos carbohidratos –azúcares y derivados–, como el gliceraldehído y el ácido láctico, que están involucrados en los procesos metabólicos de las células. También la ribosa, fundamental en el ARN; y otros azúcares, como la xilosa y la arabinosa. Estos los encontramos en la estructura de muchas plantas.
Dado que la evolución es el principio rector que nos permite comprender la vida en la Tierra y su biodiversidad, el análisis de distintos aspectos astroquímicos ha permitido establecer un marco evolutivo molecular, previo al biológico. Así, surge el campo de la química prebiótica. Entre los avances más destacados realizados en este sentido tenemos el llevado a cabo en 2009 por el equipo del Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, en Cambridge (Reino Unido), liderado por John Sutherland, que ha investigado lo que pudo suceder en la Tierra primitiva en las etapas químicas previas a la aparición de las enzimas. Su grupo propuso mecanismos que pueden explicar la formación de moléculas complejas a partir de otras más sencillas.
Pero averiguar lo que realmente sucedió pasa por conocer cómo eran las condiciones de nuestro planeta en sus primeros 500 millones de años de vida. Considerando el escenario de una Tierra diferente a la que conocemos, análisis recientes se han enfocado en la disponibilidad de elementos biológicamente esenciales, como el nitrógeno y el fósforo. A partir de diversas fuentes de estos elementos y las condiciones presentes en la Tierra se pueden plantear escenarios de síntesis abiótica de los componentes básicos de la vida y la aparición de las funciones biológicas de replicación y compartimentalización.
En 2017, los investigadores japoneses Norio Kitadai y Shigenori Maruyama publicaron en Geoscience Frontiers un artículo en el que defendían que el desarrollo de la evolución química hacia sistemas biológicos requería de al menos ocho “condiciones de reacción”. Entre ellas, hay una que nada tiene que ver con procesos en nuestro planeta: entrada extraterrestre de los componentes básicos de la vida y de nutrientes reactivos. Por eso, no es difícil reconocer la importancia del estudio de la química interestelar.
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