Origen de la vida, una mirada desde la astroquímica

Dra. Natalia Inostroza

El espacio entre las estrellas no está vacío. Aproximadamente el 10% de la materia existente en el universo se encuentra en el espacio entre ellas, conocido como medio interestelar (MI). Este medio consiste en polvo y gas que se agrupan en grandes nubes interestelares. En nuestra galaxia, estas nubes están distribuidas a lo largo de una delgada capa fuera de la estructura espiral. La cantidad de materia interestelar equivale a 2000 billones de veces la masa de la Tierra, una cifra impresionante que nos confronta con un universo enorme, en constante expansión y aún en gran medida desconocido.

Hasta el día de hoy, más de 270 tipos de moléculas [1] han sido detectadas en el universo. Moléculas formadas por átomos de C, H, O, N, P, S, formando la sigla CHONPS que entre otros elementos dan forma a los diversos tipos de moléculas que hoy por hoy se detectan en regiones de formación estelar (regiones de nacimiento de estrellas), medio interestelar (todo lo que esté entre las estrellas) y también en galaxias lejanas y discos protoplanetarios (donde se originan nuevos planetas) [2]. Esto lleva a preguntarnos, ¿cómo es posible la síntesis de diferentes especies moleculares en este vasto universo?

¿Qué información aportan estas moléculas?

La astroquímica es la ciencia transdisciplinar encargada de estudiar la composición química del universo y los procesos químicos que tienen lugar en el espacio. Se enfoca en investigar las moléculas presentes en el medio interestelar, las estrellas, los planetas y otros cuerpos celestes.

Uno de los principales objetivos de la astroquímica es comprender cómo se forman las moléculas en el espacio. Se cree que muchas de estas moléculas se forman en nubes moleculares gigantes, donde las condiciones frías y densas permiten que los átomos se unan y formen moléculas complejas. Estas moléculas pueden incluir compuestos orgánicos, precursores de la vida

En esta disciplina, a cualquier especie con más de 6 átomos se le denomina molécula orgánica compleja (COMs, por sus siglas en inglés, complex organic molecule). Dentro de este tipo de especies detectadas se encuentran aldehídos, cetonas, azúcares y ácidos. Algunas detecciones han incluido especies inestables y difíciles de caracterizar en laboratorios terrestres. De esta forma, comprender las moléculas y la composición química del universo nos permite inferir acerca de la evolución de una región interestelar y, junto con ello, abrir una ventana hacia el pasado. La gran pregunta es entender cómo moléculas inorgánicas sencillas pudieron dar lugar a otras más complejas (química prebiótica) capaces de evolucionar hasta las primeras células (abiogénesis), impulsando los primeros pasos para el desarrollo de vida en la Tierra. La presencia de estos mismos compuestos en el universo hace posible la hipótesis de que la vida pueda haberse iniciado fuera de nuestro planeta Estas ideas se fortalecen con las detecciones en galaxias lejanas de biomoléculas tales como: glicolaldehído, formaldehído, acetaldehído, tioacetamida , etanol, ácido cianhídrico, cianometilamina [3] que son en su conjunto moléculas claves para el origen de la vida. Pero ¿cómo llegaron estas a la Tierra? Se presupone que el transporte de estas biomoléculas a nuestra Tierra fue a través de cometas y por sucesivos impactos de meteoritos, este sería el proceso clave para que emergiera la vida, tal y como hoy la conocemos.

El glicolaldehído ha sido identificado en gas y polvo cerca del centro de la Vía Láctea (7), en una región formadora de estrellas a 26000 años luz de la Tierra (8), y alrededor de una estrella binaria protoestelar, IRAS 16293-2422, a 400 años luz de la Tierra (9). Es un intermediario en la reacción de la formosa. Se forma a partir de muchos precursores, incluyendo el aminoácido glicina

Estudios realizados en dos tipos diferentes de meteoritos, como son el NWA 801 y Murchison, confirmaron la presencia de varias especies químicas esenciales para la vida tales como las azúcares ribosa, arabinosa y xilosa. La relevancia de estos hallazgos se debe a que la ribosa, un azúcar esencial, junto con las bases nitrogenadas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U) conforman el ácido ribonucleico (ARN), que está encargado de transmitir el mensaje de la vida contenido en el ADN y convertirlo en proteínas que nos permiten respirar, pensar, movernos, vivir. [4]

Por otro lado, trabajos realizados en condritas carbonáceas, que corresponden a otro tipo de meteorito formado por una roca con propiedades catalizadoras, muestran que sus minerales son capaces de sintetizar, en disolución acuosa y en presencia de formamida, compuestos orgánicos claves en la química prebiótica. Hechos que se confirman con la detección de agua en este tipo de sistemas, convirtiéndose así en piezas clave en el origen de la vida en el universo y a la posible ubicuidad de la vida orgánica, incluso en nuestro sistema planetario. Así, los aminoácidos pieza fundamental en este puzzle son abundantes en meteoritos, incluso más abundantes que las COMs, pero numerosas búsquedas de la glicina, el aminoácido más simple de todos, en diversas regiones estelares han fracasado, durante los últimos 20 años [5] Hoy por vez primera, se publican datos de la detección del triptófano, otro aminoácido esencial [6].

Experimentos han demostrado que la presencia de cianuro de hidrógeno (HCN) y amoníaco (NH₃) disueltos en agua da lugar a la formación de aminoácidos, que son componentes esenciales de las proteínas, y lo que es aún más importante, de la adenina Esta molécula desempeña un papel fundamental en la vida, ya que es una de las cuatro bases nitrogenadas que componen el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN), además de ser un componente de la adenosina trifosfato, molécula que suministra energía a las células. Experimentos más recientes han logrado también la formación de las otras tres bases del ADN: guanina, timina y citosina [7-8]. Todas estas moléculas se convierten en posibles precursores de las moléculas asociadas con la vida, y su detección está estrechamente relacionada con el origen de la vida. Además, estos hallazgos están vinculados a la búsqueda continua de la glicina (H₂NCH₂COOH) como otra molécula de interés en relación con el origen de la vida.

Así, la química prebiótica parece sustentarse en un pequeño número de moléculas precursoras, hechos que se confirman a través del histórico experimento de Miller y Urey que demostró la capacidad de generar aminoácidos (los constituyentes básicos de las proteínas) a partir de moléculas simples como metano y amoníaco sometidas a descargas eléctricas. Proceso similar al ocurrido en una tierra primitiva, donde de esta forma se generaron especies que evolucionaron generando las primeras formas simples, las que luego de millones de años formarían sistemas más evolucionados que se posesionan en la Tierra. [9]

En la química desarrollada en el universo las especies se encuentran en estado gaseoso, o bien, absorbidas sobre la superficie de un grano de polvo estelar congelado. Por tanto los modelos existentes hoy, en Astroquímica, intentan explicar la formación de estas especies, a través de reacciones en fase gaseosa y reacciones en fase sólida y gaseosa. Debido a las condiciones, en general, del medio interestelar, como son, bajas presiones y temperaturas (-200 ºC), la química del universo es una química muy adversa y diferente a la química que se observa en cualquier laboratorio del planeta. Sin ir más allá, en el medio interestelar bajo estas condiciones, en promedio existen concentraciones cercanas a 1000 moléculas por centímetro cúbico, versus la cantidad de moléculas por cm³ que tenemos en nuestro planeta bajo condiciones de 25 º C y 1 atm que corresponde aproximadamente el número de Avogadro (6.02*10²³ moléculas y/o átomos por mol).

Con este dato, tener una colisión efectiva para formar una molécula tan simple como el H₂ tardaría aproximadamente dos semanas.

Por tanto comprender como bajo estas condiciones de muy baja concentración por cm3 y muy bajas temperaturas, especies complejas puedan formarse, es todavía hoy una gran pregunta sin resolver.

En estos ambientes, las moléculas en fase gas, representan para la astrofísica verdaderas sondas de las propiedades físico-químicas de las fuentes, donde coexisten e interaccionan con partículas de polvo. La presencia de diferentes especies está determinada por los procesos químicos y por sus constantes de velocidad que dependen directamente de las energías de activación.

A bajas temperaturas, las reacciones posibles requieren energías de activación muy bajas. A temperaturas mayores, se multiplica el número de procesos posibles. Para comprender los mecanismos de formación interestelar se han propuesto varios posibles procesos de formación como son las asociaciones radiativas, fotodisociaciones, o disociaciones colisionales, reacciones de tres cuerpos, reacciones de intercambio, procesos iónmolécula y reacciones de transferencia de carga.

En el medio interestelar las moléculas en fase gas coexisten con granos de polvo con los que interaccionan, así, muchas especies se pueden formar en los hielos que cubren estos granos que a su vez se suponen catalizadores de reacciones de especies adsorbidas. Una de las reacciones más importante y discutida de la química interestelar es la formación del H₂, que se forma solo gracias a la acción catalizadora de los granos de polvo.

La detección de moléculas en el medio interestelar también plantea un desafío importante debido a la imposibilidad de colocarlas en un tubo de ensayo para su estudio, dadas las enormes distancias involucradas. Sin embargo, los avances en telescopios y radiotelescopios han permitido captar la luz o radiación emitida por estas moléculas cuando vibran Específicamente, cuando estas moléculas están expuestas a radiación infrarroja, los instrumentos pueden registrar sus frecuencias de vibración.

En esencia, es posible obtener una especie de "huella digital" de estas moléculas, ya que emiten radiación al vibrar y esta viaja a través del espacio hasta llegar a ser detectada, o desde nuestro planeta, o desde fuera con satélites. Por ejemplo, muchas de las observaciones astrofísicas infrarrojas se llevaron a cabo con el ISO (Infrared Space Observatory, 1995) que comprende la región entre 2.5 a 240 micrones. En la actualidad, el Observatorio Espacial Herschel (HSO) fue lanzado en 2009 y hoy se encuentra fuera de uso. Este satélite recibía información espectral característica de la zona comprendida entre 60 y 670 μm. Con él, se pudo identificar moléculas con movimientos de gran amplitud en el infrarrojo lejano por debajo de 160 cm 1 y que presentaban ramas Q intensas. Desde la tierra, el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array) es el interferómetro más grande del mundo compuesto por alrededor de 66 antenas ultra precisas que recibe las ondas de radio milimétricas y submilimétricas, formando un conjunto que abarca distancias de hasta 16 kilómetros en el llano de Chajnantor, en las alturas del desierto de Atacama, en el norte de Chile. Con ALMA, las intensidades y propiedades rotacionales son de una resolución aún insospechada, que nos ha permitido detectar muchas COMs para las cuales se requiere trabajo conjunto de astrofísicos y fisicoquímicos. del silicio y hierro y otros metales presentes en la materia interestelar. Las moléculas diatómicas que contienen silicio y carbono son algunas de las más abundantes, ya que forman parte de los granos de polvo presentes en el medio interestelar, entre otras especies altamente inestables en nuestro planeta.

Hoy recibimos los datos no menos sorprendentes del telescopio recientemente puesto en órbita, el JWST, instrumento que capta la luz en el infrarrojo cercano y medio, dando paso una resolución espectral para el estudio de nacimiento de galaxias y composiciones de atmósferas de exoplanetas sin precedentes en la historia de la humanidad.

Así en base al análisis de la radiación electromagnética emitida por las moléculas en el espacio ya sea en forma de luz visible, infrarroja, microondas o radioondas y mediante técnicas espectroscópicas los astroquímicos pueden identificar las moléculas presentes y determinar su abundancia. Gracias a la espectroscopia son posibles realizar estas detecciones moleculares y comparar especies conocidas en la tierra con las presentes en el polvo de estrellas.

Es importante recalcar que todas las moléculas poseen una “huella dactilar” que las caracteriza. Aunque no somos capaces de mirar los átomos que componen una molécula, sí podemos obtener información de su huella dactilar, por lo tanto, la podemos identificar.

Conclusión

La detección en el medio interestelar de compuestos orgánicos e incluso moléculas bio-orgánicas como son los aminoácidos, hace posible la hipótesis de que la vida pueda haberse iniciado fuera de la tierra y haber ingresado a mares y océanos como polvo de estrellas.

El “¿De dónde venimos?” cobra un rol más novedoso e interesante.

En la actualidad, se han publicado numerosos estudios centrados en el análisis de estas especies en cuestión. Los procesos que dieron lugar a la formación de los diminutos granos de polvo presentes en la materia expulsada durante las explosiones de supernovas aún son desconocidos. Estos granos de polvo, extraordinariamente pequeños y con un tamaño inferior a una milésima parte de un milímetro, actúan como almacenes de material orgánico. Se estima que contienen alrededor del 20% del oxígeno, el 50% del carbono y la mayoría

Estos estudios han sido y serán relevantes para trazar la evolución química de regiones de formación estelar. Han sido útiles para determinar la naturaleza de las interacciones entre gas y polvo, así como también, han permitido estudiar la química de nubes difusas y traslúcidas, y con ello proveer información, acerca de la naturaleza y origen de los diferentes tipos de nubes moleculares. Por tanto hoy, se hace imprescindible, la colaboración entre grupos de Astrofísica Molecular, Espectroscopia y Química Teórica, para la predicción y posterior detección de nuevas especies interestelares

De esta forma, considerando la evidencia científica proveniente de la astroquímica y la astrobiología es que hoy sabemos que los ingredientes de la vida que se han formado desde los primeros tres segundos posteriores al Big Bang y que existen en todo nuestro universo conocido Que podrían haber llegado a la Tierra producto del bombardeo de meteoritos en la antigua Tierra contribuyendo así al origen de la vida con un suministro de componentes básicos. Sin embargo, aún estamos lejos de comprender cómo una química inorgánica sencilla logró formar otras especies más complejas relacionadas con la vida tal y como la conocemos en nuestro planeta. La ciencia sigue trabajando en ello.

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