Don Juan en Marte: argumentos para la existencia de agua líquida

Cuando Don Roe y John Hickey sobrevolaban con su helicóptero el valle Wright de la Antártida en 1961 a una temperatura exterior de 30 grados bajo cero, no pudieron creer lo que vieron: un lago de agua líquida. El lago Don Juan (llamado así en honor a sus descubridores) es el charco (porque es poco más que un charco) más increíble del planeta Tierra y podría dar pistas de cómo podría haber agua líquida en lugares tan fríos y secos como Marte.

El secreto del lago Don Juan para mantenerse líquido es su alta salinidad, mayor que la de cualquier otra acumulación natural de agua de la Tierra. Sin embargo, el origen de esta salinidad era un misterio. Y decimos era porque un estudio encabezado por James Dickson, de la Universidad de Brown (EE.UU.), y publicado en Scientific Reports revela de donde saca el Don Juan sus sales.

Los investigadores usaron time-lapses (16.000 fotografías en 2 meses) y datos meteorológicos para determinar que el origen del agua no era subterráneo, sino que provenía de la delicuescencia de las sales presentes en el suelo, es decir, las sales no son aportadas al lago por una corriente de agua salada, sino que las sales están presentes en el suelo y toman agua de la atmósfera disolviéndose. También se detectó otro pequeño aporte de agua proveniente de la nieve derretida. Todo junto forma un charco capaz de mantenerse líquido en uno de los lugares más fríos y secos de la Tierra, basándose en el efecto de reducción de la temperatura de congelación que supone la presencia de sal en el agua, tan conocido en las zonas donde nieva habitualmente.

Lo que las imágenes muestran es que los niveles de agua en el charco se incrementan coincidiendo con los picos de temperatura diarios, lo que sugiere que el agua viene en parte de la nieve calentada justo lo suficiente a mediodía para derretirse. Pero el aporte de agua fresca no explica el alto contenido salino, que es ocho veces mayor que el del mar Muerto.

La segunda fuente de aportes al lago viene de un canal de sedimento suelto localizado al oeste del charco. Investigaciones anteriores había encontrado que ese sedimento era rico en cloruro cálcico. Para comprobar que efectivamente esta era la fuente los investigadores colocaron una segunda cámara para monitorizar el canal y sincronizaron los datos, al igual que los de la primera cámara, con los datos de las estaciones meteorológicas cercanas.

Las imágenes muestran marcas oscuras de humedad que se forman en el suelo cada vez que aumentaba la humedad relativa del aire. Existen marcas de agua similares en un precipicio al norte del charco. Lo que forma estas marcas es las sales del suelo absorbiendo la humedad disponible en el aire, lo que antes hemos llamado delicuescencia. Estas sales cargadas de humedad atraviesan el suelo suelto hasta llegar a la capa de permafrost inferior. Y ahí esperan hasta que un aumento de temperatura suficiente les permitan usar nieve derretida para llegar al lago a través del canal.

Estos resultados contradicen la hipótesis predominante desde el descubrimiento del lago en 1961 que afirmaba que las salmueras tenían un origen subterráneo.

Los aficionados a la exploración marciana ya habrán asociado las marcas de agua del lago Don Juan a algunos hallazgos hechos en Marte. En concreto a marcas oscuras que parecen fluir ladera abajo en algunos cortados y precipicios. Suelen ocurrir en los mismos lugares en las mismas épocas del año marciano. Se ha especulado con que estas marcas podrían ser algún tipo de salmuera fluyendo, la mejor prueba disponible de la existencia de agua líquida en el Marte actual.

Los resultados de la investigación en el lago Don Juan refuerzan esta hipótesis. Se ha visto escarcha en Marte, lo que implica que el aire contiene al menos algo de humedad. También, como son muy conscientes los lectores habituales de Experientia docet, existen sales cloradas en superficie que tendrían una capacidad delicuescente similar a la observada en la Antártida. Finalmente, el proceso no necesita agua del subsuelo, lo que elimina este requerimiento en Marte.

Es más plausible, por tanto, que exista agua líquida en Marte en la actualidad y que la hubiese en el pasado.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXII Edición del Carnaval de Química que organiza Roskiencia.  


Referencia:

Dickson, J., Head, J., Levy, J., & Marchant, D. (2013). Don Juan Pond, Antarctica: Near-surface CaCl2-brine feeding Earth's most saline lake and implications for Mars Scientific Reports, 3 DOI: 10.1038/srep01166

Curiosity habría encontrado tiopirano en el suelo de Marte

El Mars Science Laboratory – Curiosity habría encontrado una molécula que indicaría la presencia de algún tipo de vida en Marte en un pasado reciente y no se descarta que pueda existir en la actualidad. El anuncio lo ha realizado el administrador general de la NASA Charles Bolden en una comparecencia no anunciada previamente ante periodistas en Washington D.C.

Desde que el pasado mes de noviembre John Grotzinger se fuera de la lengua en una entrevista a la NPR los rumores han estado ahí. Si bien los desmentidos oficiosos de la NASA, de JPL y de portavoces de la misión indicaban que realmente no había noticia, en ámbitos científicos familiarizados con la exploración de Marte la especulación continuaba. En los últimos días los rumores, que nadie se atrevía a decir en público, apuntaban al descubrimiento de una molécula de seis carbonos con fraccionamiento isotópico, es decir, con un porcentaje muy alto (mayor que la proporción normal) de carbono 12, lo que sería indiciario de un origen biológico de la molécula (aquí se han hecho eco de esos rumores).

Según el breve comunicado de Bolden se habría identificado tiopirano, un compuesto heterocíclico no aromático de cinco átomos de carbono y uno de azufre. La proporción isotópica C12:C13 sería de 13450:1, lo que indicaría un muy probable origen biológico. No sabemos más detalles. Bolden no ha admitido preguntas y ha remitido a una conferencia de prensa el próximo día 3 de enero.

De confirmarse la noticia sería realmente histórica e implicaría rediseñar completamente la próxima misión a Marte. En cualquier caso, no echemos las campanas al vuelo hasta conocer más datos.

El clorometano en Marte y lo que podemos encontrar: lecciones que aprendimos en Atacama.

A finales del pasado mes de noviembre se produjo un gran revuelo en todos los medios a cuenta de unas declaraciones de uno de los responsables de la misión científica MSL-Curiosity. Se llegó a extremos tales, hablando de la posible detección de vida, que nos sentimos impulsados a escribir un breve para Naukas llamando a la prudencia. Posteriormente, en la rueda de prensa que dieron los miembros del equipo de científicos el 3 de diciembre, todo el mundo (algunos más que otros) se sintió defraudado. Pero, ¿qué hay en esos resultados que pueda excitar la imaginación de un científico aunque deje fríos a periodistas papanatas y público en general? Pasada la tormenta, vamos a intentar explicarlo y, de paso, qué podemos esperar encontrar.

Curiosity ha detectado una variedad de especies químicas en el suelo marciano, entre ellas hidrocarburos clorados, que podrían ser indicativas de la presencia de moléculas orgánicas (que significa basadas en carbono, no necesariamente biológicas) complejas. El quid de la cuestión es el origen del carbono, que se desconoce; una hipótesis no descartable de entrada es que cantidades a nivel de traza podrían haber viajado con el propio Curiosity.

La importancia del clorometano

Una pieza clave para entender el problema y contextualizar los resultados es el método de medida que usa Curiosity. El Sample Analysis at Mars (SAM) ha usado un pequeño horno para calentar las muestras de un lugar llamado Rocknest, volatilizando algunos de los compuestos presentes, se supone que los interesantes, y analizando los gases producidos. De esta forma se han detectado moléculas de agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre. Sin embargo, esta metodología tiene sus problemas asociados dependiendo de la composición del suelo.

Los ensayos iniciales de Curiosity han confirmado algo que ya se conocía de misiones anteriores y que se sospechaba que podría ocurrir en el cráter Gale, que es la presencia de percloratos. En ensayos hechos en la Tierra con muestras del desierto de Atacama los percloratos son capaces de oxidar la materia orgánica presente durante el calentamiento, como ya explicamos aquí . La presencia de percloratos se infiere por la presencia de clorometano, que también se obtenía en las pruebas de Atacama. Pero el que haya clorometano implica que el cloro reacciona con hidrógeno y carbono: el que el cloro es marciano es seguro, pero, ¿de dónde proviene el compuesto orgánico de base?

Lo llamativo del clorometano es que es una forma reducida de carbono. El hecho de encontrar formas reducidas de carbono podría apuntar a que existen procesos que desembocan en carbono orgánico, lo que es interesante desde el punto de vista biológico. Si el origen del carbono de estos primeros resultados fuese terráqueo (algo que no sabemos), la buena noticia es que se ha consumido en el proceso de análisis. Esto implica que una nueva detección de clorometano sería una gran noticia y, además, SAM ha demostrado, confirmando los ensayos de Atacama, que puede detectarlo. Por esto es tan interesante el resultado....desde un punto de vista técnico.

Pero, ¿qué cabe esperar?

Por otra parte, la confirmación de la presencia de percloratos implica una fuente de cloro, que podría ser la presencia de salmueras o actividad volcánica en el pasado. Los percloratos propiamente dichos se formarían por la acción de la radiación ultravioleta a la que el suelo marciano está expuesto inmisericordemente; recordemos que es la capa de ozono terrestre, inexistente en Marte, la que nos protege del exceso de radiación.

Y esto nos lleva a la conservación de los materiales orgánicos en Marte. Esto es, hay quien aún espera encontrar con un rover semiautomático que opera en superficie compuestos orgánicos complejos cuando el suelo contiene un 0,6% en peso de percloratos, está inundado de radiación ultravioleta, expuesto a los rayos cósmicos y al viento solar (por la ausencia de campo magnético planetario), a campos eléctricos convectivos (formados en los remolinos de viento) y el aire tiene poco pero suficiente oxígeno como para oxidar lo que sea volátil.

Recordemos una vez más, aunque esto sea poco comercial, que el objetivo de Curiosity no es encontrar vida, ni siquiera compuestos orgánicos complejos, tan “sólo” evaluar las condiciones para albergar vida, pasadas y presentes. Si alguien espera alguna sorpresa, que podría haberla, que sepa que aguardará escondida bajo la superficie, en algún lugar preservado. Como ocurre en Atacama, precisamente. Y, ¿hasta qué profundidad puede excavar Curiosity?¿Y qué tipo de suelo puede excavar? Pues eso.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XX Edición del Carnaval de Química que acoge la La ciencia de Amara.

El óxido de magnesio y la probabilidad de vida alienígena

¿Qué tendrán que ver los cambios de fase a altas presiones y temperaturas del óxido de magnesio con la probabilidad de que exista vida en otros planetas? O, si se prefiere algo menos dramático, ¿qué relación existe entre el diagrama de fases del óxido de magnesio y las posibilidades de supervivencia de moléculas complejas en la superficie de un planeta?

La respuesta está en que experimentos recientes apuntan a que a altas presiones y temperaturas el óxido de magnesio se convierte en un líquido metálico y, como este óxido es representativo de los materiales rocosos en los mantos de los planetas similares a la Tierra, se concluye que el interior de los exoplanetas rocosos podría ser conductor eléctrico. Si el interior es conductor eléctrico y líquido, sus movimientos generan un campo magnético para el planeta, lo que protege su superficie del bombardeo de partículas cargadas provenientes de su estrella que tendrían la capacidad de destruir las posibles moléculas complejas que pudieran formarse. Por tanto, los resultados que Stewart Williams, de la Universidad Howard (EE.UU.), y sus colegas publican en Science, apuntan a que la probabilidad de que los exoplanetas rocosos, especialmente las supertierras, tengan un campo magnético es mayor de lo que se suponía.

El óxido de magnesio es uno de los óxidos más sencillos que están presentes en planetas rocosos como la Tierra y que se especula con que puedan estar en el núcleo de algunos planetas gaseosos como Júpiter. Se estima que su comportamiento puede ser representativo de una amplia variedad de materiales, por lo que el estudio de su comportamiento a altas presiones y temperaturas es de gran interés para la comprensión de la geología de los exoplanetas rocosos.

Existían una serie de predicciones teóricas que, variando en los detalles (rangos de las variables), venían a coincidir en dos puntos:

• Alrededor de los 0,33 TPa y a unos 8100 K la estructura cristalina del óxido de magnesio pasaría de ser la del cloruro sódico NaCl (cada átomo forma una celdilla cúbica centrada en las caras y ambas celdillas están interpenetradas o, lo que es más intuitivo, cada ión magnesio está rodeado por seis iones oxígeno y viceversa) a la del cloruro de cesio CsCl (cada átomo forma una celdilla cúbica simple y ambas celdillas están interpenetradas o cada ión magnesio está rodeado por ocho iones óxido y viceversa).
  
  

  

  NaCl

  

  CsCl

  
  
  
  
• En el entorno de los 0,59 TPa y a una temperatura cercana a 13600 K el óxido de magnesio pasaría a ser un líquido metálico

Como es comprensible, alcanzar estas presiones y temperaturas en un laboratorio para dibujar experimentalmente el diagrama de fases del óxido de magnesio no es tarea fácil. Y esto es lo que ha conseguido precisamente el equipo de Williams usando una técnica de ondas de choque generadas por láser. Sometieron pequeñas muestras de óxido de magnesio a la presión generada por láseres de alta potencia, llegando a sobrepasar los 1,5 TPa y los 50.000 K. La iluminación de los láseres genera una onda de choque a través del material que los investigadores son capaces de monitorizar, incluso fotografiar (a la derecha).

Los resultados dejan en muy buen lugar a los teóricos. Las dos transiciones de fase predichas se detectaron. La transición cristalina NaCl a CsCl se encontró que se produce a 0,44 TPa y a una temperatura de 9000 K. Por otro lado la transición a líquido metálico tiene lugar a una presión de 0,65 TPa y a una temperatura de 14000 K.

Tanto el campo magnético terrestre como el de Mercurio (el otro planeta rocoso con campo magnético del sistema solar) se producen porque ambos planetas tendrían un núcleo de hierro fundido en constante movimiento, lo que generaría el campo magnético por el efecto dinamo. Si un planeta no tiene un interior conductor en movimiento, no tendrá un campo magnético que lo proteja del viento solar de su estrella, con lo que, por una parte, su superficie se verá bombardeada por las partículas energéticas que constituyen el viento solar y, por otra, parte de su atmósfera se perderá por la erosión que genera la interacción del viento con la atmósfera. Marte, por ejemplo, no tiene campo magnético en la actualidad, por lo que una de las misiones de Curiosity es medir el nivel de incidencia en la superficie del viento solar, clave para determinar la habitabilidad actual del planeta.

El resultado de Williams et al. hace que podamos interpretar la expresión “interior conductor” del párrafo anterior en un sentido más amplio del que se venía considerando. Puede que un planeta no tenga una dinamo en su núcleo, pero podría tener suficiente óxido de magnesio para realizar la misma función en su manto, siempre y cuando las temperaturas y presiones sean lo suficientemente elevadas. Y aquí es donde entran las supertierras, ya que su tamaño de hasta 15 veces la Tierra les permite generar las condiciones para que este fenómeno ocurra.

En definitiva, el diagrama de fases del óxido de magnesio nos dice que es más probable que las supertierras tengan campos magnéticos, lo que implica que sus superficies y atmósferas estarían más preservadas de los vientos solares de sus estrellas. Y, aunque sea muy poco, también aumenta la probabilidad de que exista vida alienígena.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain  

Referencia:

McWilliams, R., Spaulding, D., Eggert, J., Celliers, P., Hicks, D., Smith, R., Collins, G., & Jeanloz, R. (2012). Phase Transformations and Metallization of Magnesium Oxide at High Pressure and Temperature Science DOI: 10.1126/science.1229450

¿Y si la evolución no fuese oportunista?

En un artículo publicado en Science Stuart Newman, del New York Medical College (EE.UU.) propone un modelo alternativo a uno de los mecanismos de la evolución, en concreto a que una mutación aleatoria y fortuita se conserva si  las ventajas funcionales del cambio aumentan las probabilidades de supervivencia/reproducción. Newman propone que el origen de los motivos estructurales de las morfologías animales era predecible, y sólo relativamente repentino, siendo el periodo primitivo de la evolución el que habría favorecido esas transformaciones morfológicas.

Cuando pensamos en la evolución damos por sentado que actúa de forma oportunista, a pequeños pasos, con cada cambio persistiendo sólo si aporta ventajas funcionales. La hipótesis que elabora Newman elimina este oportunismo y para crearla se basa en descubrimientos genéticos recientes sobre los ancestros unicelulares de los animales y, lo que puede resultar llamativo, en la física a mesoescala de algunos materiales  (quédate con esta expresión aparentemente extraña, en un momento descubriremos de qué se trata).

Los cuerpos de los animales y los embriones que los generan exhiben una serie de “motivos morfológicos” recurrentes que, a la vista de las pruebas del registro fósil, aparecieron por primera vez hace más de quinientos millones de años. Durante el desarrollo embrionario de los animales actuales, las células se disponen en tejidos que tienen capas que no se mezclan y cavidades interiores. Los embriones contienen disposiciones de tipos celulares que forman patrones con los que terminan formando segmentos, exoesqueletos o vasos sanguíneos. El desarrollo de los cuerpos continúa doblando, alargando y extendiendo apéndices y, en algunas especies, generando endoesqueletos con elementos repetitivos (como por ejemplo la mano humana).

Según Newman estas pautas del desarrollo son sorprendentemente similares a las formas que toman unas sustancias condensadas, químicamente activas, y claramente inertes, llamadas materiales viscoelásticos (pueden sonarte por su uso en colchones) cuando se someten a determinadas condiciones físicas, si bien los mecanismos que generan los motivos estructurales en los embriones serían mucho más complejos. Estos materiales viscoelásticos presentan estas características a escalas que son mayores que las de una sola célula, por tanto, según Newman, los ancestros de los animales actuales habrían adquirido sus formas cuando organismos unicelulares vinieron a residir en agrupaciones pluricelulares en las que los procesos físicos que afectan a la materia en general a esta nueva escala entraron en acción.

Los progenitores unicelulares habrían contenido los genes para el desarrollo genético con el que los animales actuales organizan el desarrollo embrionario, pero los habrían usado para funciones unicelulares. Cuando se formaron las agrupaciones pluricelulares estos genes precisamente habrían sido los que habrían generado los productos que habrían afrontado los efectos físicos a mesoescala que en última instancia habrían producido los motivos característicos. Y dado que no todas las agrupaciones ancestrales contenían los mismos genes, habrían aparecido distintas morfologías en paralelo, dando lugar a los distintos filos (phyla) animales.

Según Newman esta nueva perspectiva aportaría interpretaciones sencillas y “naturales” a aspectos chocantes de la evolución primitiva de los animales, incluyendo el aumento “explosivo” de formas corporales complejas hace entre 540 y 640 millones de años y la incapacidad de añadir nuevos motivos desde entonces. El modelo también justificaría el uso conservado del mismo conjunto de genes para orquestar el desarrollo en todos los filos morfológicamente diversos y el “reloj de arena” embriológico de la biología del desarrollo comparada: la observación de que las especies de un filo pueden tener trayectorias drásticamente diferentes durante la embriogénesis temprana (p. ej. ranas y ratones), pero terminan tendiendo “distribuciones generales del cuerpo” muy similares.

Referencia:

Newman, S. (2012). Physico-Genetic Determinants in the Evolution of Development Science, 338 (6104), 217-219 DOI: 10.1126/science.1222003

Experientia docet en Amazings (Naukas) Bilbao 2012

Los pasados 29 y 30 de septiembre tuvo lugar en Bilbao Naukas 2012 (antes Amazings). Los colaboradores de Naukas nos reunimos ante una sala Mitxelena de Bizkaia Aretoa repleta para disfrutar haciendo lo que más nos gusta, divulgar ciencia. Si no pudiste asistir, o seguirlo en streaming, aquí tienes todos los vídeos.

Yo intervine dos veces. En primer lugar una charla de 10 minutos titulada "Agua, azucarillos y el ambiente", clarificando algunos conceptos sobre el origen de la vida. 

A continuación participé en la mesa redonda sobre astrobiología, junto a Carlos Briones (CAB-INTA) y Antonio J. Osuna (Universidad de Granada).

SAM y los percloratos: las dificultades en el análisis de compuestos orgánicos en Marte

El pasado 6 de agosto el Mars Science Laboratory “Curiosity” se posaba suavemente sobre la superficie de Marte portando diez instrumentos científicos con capacidades nunca vistas en la exploración planetaria. Siendo todos importantes, el equipo estrella es el Sample Analysis at Mars (SAM), una combinación de cromatógrafo de gases, espectrómetro de masas y espectroscopio láser ajustable combinados con un sistema completo de preparación de muestras y sistemas de calibración. El SAM es el encargado de detectar componentes orgánicos en la superficie marciana. Para ello vaporizará muestras de polvo y roca a temperaturas de 1000 ºC y analizará los volátiles resultantes. Sin embargo, un descubrimiento realizado en 2008 puede que haga que los resultados obtenidos por SAM no sean todo lo significativos que nos gustaría. Y es que en la superficie de Marte existen percloratos.

Percloratos de Marte

En junio de 2008 el Wet Chemistry Laboratory a bordo de la sonda Phoenix realizó el primer análisis húmedo del suelo marciano [1] . Los análisis, efectuados en tres muestras, dos de la superficie y otra tomada a 5 cm de profundidad, pusieron de manifiesto que el suelo era ligeramente básico y que contenía bajos niveles de sales típicas de la Tierra. La sorpresa fue encontrar aproximadamente un 0,6% en peso de perclorato (ClO₄^-) lo más probable en forma de Mg(ClO₄)₂.

La posibilidad de que el perclorato fuese un contaminante traído desde la Tierra fue descartada. Los retrocohetes de la Phoenix usaron hidrazina ultrapura (al igual que los de la etapa de descenso de Curiosity) y propelentes de lanzamiento a base de perclorato de amonio. Ninguno de los sistemas de la Phoenix encontró resto ninguno de amonio, por lo que el perclorato encontrado era marciano.

Anteriormente a este resultado, en 2006, se propuso un mecanismo para la formación de percloratos en suelos ricos en sales en los que los cloruros se convertían en percloratos por la acción de la radiación ultravioleta (que se piensa que es particularmente importante en la superficie marciana, algo que comprobará REMS, otro equipo a bordo de Curiosity). En 2010 se encontraron percloratos en una amplia zona de la Antártida a nivel de ppm (partes por millón); las circunstancias del descubrimiento implicarían que los percloratos se forman naturalmente y de forma global en la Tierra y, probablemente, en Marte.

Resultados contradictorios de las Viking

Ya hemos explicado en otra parte que Curiosity, a diferencia de las sondas Viking, no tiene como misión encontrar vida. Efectivamente, Curiosity no tiene ningún experimento que pueda detectarla. No así las Viking: en 1976 mezclaron suelo marciano con una disolución nutritiva radioactiva y, posteriormente, detectaron la emisión de gas radioactivo, lo que sugería la presencia de actividad microbiana. Sin embargo, otro experimento de las mismas sondas no encontró compuestos orgánicos, de lo que se concluía que, por extensión, no había microbios.

Estos datos contradictorios llevaron a la mayoría de los científicos a dar el primer resultado como erróneo. Pero no es tan sencillo: aún cuando no existiese vida en Marte el planeta tendría que estar repleto (entiéndase en términos químico-analíticos) de compuestos orgánicos; se estima que cada año marciano llegan al planeta 240 toneladas de ellos a bordo de meteoritos.

Una posible solución al enigma estaría en que la superficie marciana contiene óxidos metálicos que tienen propiedades fotocatalíticas; conforme la radiación ultravioleta choca con estas partículas genera especies que reaccionan y destruyen los compuestos orgánicos. Esta hipótesis tiene sus limitaciones, sobre todo para las muestras tomadas a 5 cm de profundidad. Una más reciente, y mucho más relevante para los análisis que efectuará el SAM, es que los compuestos orgánicos se oxidaron accidentalmente durante el procesado de la muestra a resultas de la presencia de percloratos.

SAM y los percloratos

Existen estudios experimentales que apoyan la hipótesis de los percloratos. Quizás el más significativo fue el llevado a cabo en 2010 [2]. A una muestra de suelo del desierto de Atacama se le añadió una pequeña cantidad de perclorato. Tras calentar la muestra a 500ºC (misma temperatura que el horno de las Viking) los investigadores encontraron que los compuestos orgánicos presentes habían sido destruidos por oxidación. No sólo eso, la destrucción llevaba a la emisión de clorometano y, en menor medida, diclorometano, que fueron detectados por las sondas Viking y que, tradicionalmente, se han venido atribuyendo a contaminación por productos de limpieza antes del despegue.

La idea de que los percloratos son los responsables del resultado contradictorio de las Viking es muy sugerente. Apoya la idea, que algunos mantienen desde 1976, de que las Viking efectivamente encontraron vida microbiana (después de ellas ninguna sonda ha llevado un experimento similar para confirmarlo o desmentirlo). Por otra parte, sugiere que Curiosity va a tener los mismos resultados anómalos porque también usará calentamiento como forma de extracción de volátiles de las muestras, cuyos componentes orgánicos estarán sujetos a la acción de los percloratos.

¿Y ahora qué?

La presencia de percloratos puede afectar de forma significativa a los resultados de los análisis. Sin embargo, la capacidad analítica combinada de SAM es enorme, por lo que debería de ser capaz de discriminar si se está produciendo una interferencia por la presencia de percloratos. En caso de que sea así, lamentablemente, sólo quedará especular con mecanismos de reacción que den los productos detectados para poder deducir con un margen de error no despreciable, en vez de medir, qué compuestos orgánicos hay presentes, de haberlos.

Por otra parte, la capacidad de excavación de Curiosity podrá acceder a muestras menos sometidas a radiación y, por tanto, menos afectadas por la presencia de percloratos, y comparar sus resultados con los de las muestras de superficie.

Una consideración final: aún cuando Curiosity encuentre compuestos orgánicos no podrá establecer si tienen un origen biológico. Lo que sea vida en la Tierra puede que no lo sea en Marte, después de todo.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVII Edición del Carnaval de Química que acoge Un geólogo en apuros.

Referencias:

[1] Hecht MH, Kounaves SP, Quinn RC, West SJ, Young SM, Ming DW, Catling DC, Clark BC, Boynton WV, Hoffman J, Deflores LP, Gospodinova K, Kapit J, & Smith PH (2009). Detection of perchlorate and the soluble chemistry of martian soil at the Phoenix lander site. Science (New York, N.Y.), 325 (5936), 64-7 PMID: 19574385

[2] Rafael Navarro-González, Edgar Vargas, José de la Rosa, Alejandro C. Raga, & Christopher P. McKay (2010). Reanalysis of the Viking results suggests perchlorate and organics at midlatitudes on Mars JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 115 DOI: 10.1029/2010JE003599

Nanobiomática, la revolución que marcará el siglo XXI

El 15 de abril de 2010 volvía a casa después de asistir a una demostración de un nuevo equipo industrial en una ciudad del centro de Suecia. Cuando llegamos mi compañero y yo al aeropuerto de Estocolmo nos encontramos con el caos. Al parecer un volcán en Islandia, el Eyjafjallajökull, había entrado en erupción y las cenizas que arrojaba a a la atmósfera obligaban a cerrar el espacio aéreo por tiempo indefinido. Nuestro vuelo a Madrid aún no estaba cancelado aunque sí muchos otros. Yo, siguiendo un instinto de supervivencia peculiar, entré en la bien surtida librería a comprarme un par de libros.

Nuestro vuelo fue el último en despegar de Estocolmo antes del cierre del espacio aéreo sueco y nuestro piloto nos llevó a España dando un rodeo por Polonia. En ese tiempo comencé a leer uno de los libros que más me ha hecho pensar en los dos últimos años: The Black Swan, The Impact of the Highly Improbable, de Nassim Nicholas Taleb.

Un cisne negro, citando a Taleb, es un acontecimiento que reúne tres características. Primero, es completamente inesperado, ya que nada en el pasado puede apuntar de forma convincente a esa posibilidad. Segundo, tiene un impacto enorme. Tercero, a pesar de ser inesperado, nuestra capacidad humana para la racionalización a posteriori hace que lo veamos como algo explicable y predecible.

Los cisnes negros son el tipo de acontecimientos que marcan las revoluciones científico-técnicas; pensemos en el descubrimiento de los rayos X o en la penicilina o, y perdonad que aquí cite una afición, los cuasicristales. En las próximas décadas serán los cisnes negros los que marquen la evolución de la ciencia y la técnica concretas. Por definición no podemos saber cuáles serán. Nosotros, en lo que sigue, no vamos a intentar predecir qué desarrollos concretos habrá en la ciencia y la técnica en lo que queda de siglo, ya dejamos a otros que se equivoquen en eso, sino que vamos a explorar brevemente, y sin ánimo de ser exhaustivos, las áreas en las que podrían producirse esos avances. Puede que te sorprendan.

La instrumentalización de la química y el recorrido limitado de la física.

La química, como ciencia que permite conocer el universo, está agotada. No habrá sorpresas químicas relevantes, si bien cabe esperar de ella una enorme variedad de contribuciones prácticas. La química es como una lengua que cuesta dominar: a lo largo de los siglos hemos ido aprendiendo su gramática, su vocabulario, sus modismos, cada uno de estos descubrimientos permitiéndonos conocer más el universo y a nosotros. Pero un idioma, una vez dominado, sirve para expresar ideas. Este es el futuro papel de la química, un instrumento sofisticado que facilitará mucho de lo que sigue.

La física sólo es un poco más estimulante desde esta perspectiva que hablamos. Aunque aún haya mucho que aprender acerca de la estructura fundamental del universo, las máquinas necesarias para realizar esta exploración son cada vez más grandes y caras. Existe un concepto económico crítico para estas situaciones, el de rendimientos decrecientes y, aunque el descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs pueda estimular durante un tiempo breve el imaginario colectivo de los que administran el dinero, no cabe esperar muchas inversiones en algo que tiene de entrada pocas aplicaciones prácticas desde su punto de vista.

En las próximas décadas, salvo hallazgos no previstos en el modelo estándar que nos depare el LHC (más improbables si la partícula descubierta se confirma que, efectivamente, es el bosón de Higgs del modelo estándar), la física fundamental estará centrada en comprender la materia oscura (partículas fundamentales que interactúan con la de materia ordinaria aparentemente sólo a través de la gravedad) y en encontrar ondas gravitacionales (lo que permitiría unir la gravedad, explicada actualmente por la torre de marfil que es la teoría general de la relatividad, con la física cuántica que explica el resto de la física). Para conseguir ambos fines bastarían en principio instrumentos relativamente baratos comparados con un megaacelerador de partículas lineal, por ejemplo.

La otra gran incógnita de la física es la energía oscura, eso que hace que el universo se expanda aceleradamente. A diferencia de las dos anteriores, su resolución requiere de una revolución teórica previa más que de nuevos datos. Y esto entra de lleno en el dominio de los cisnes negros. Puede que ahora, mientras lees esto, un parado esté garabateando, en un parque de Málaga, la que podría ser la solución a este problema.

La revolución nanobiomática.

Para el año 2050, parece bastante probable que sepamos, más allá de la certeza estadística, que la vida es abundante en el universo. El estudio de los planetas extrasolares con nuevos telescopios espaciales parece que es algo que tiene la financiación poco menos que garantizada: la pregunta de si estamos solos en el universo es fácilmente entendible por los administradores y también interesante para ellos.

Un aspecto relacionado es el origen de la vida en la Tierra. La respuesta puede que venga del mejor conocimiento del funcionamiento celular y la identificación de sus partes más primitivas, y de la experimentación, es decir, de la creación de organismos vivos en el laboratorio a partir de moléculas químicas sencillas.

Pero los descubrimientos en biología están entrando en una fase exponencial que nosotros atribuimos a cuatro motivos principales:

1. La capacidad desarrollada recientemente de secuenciar el ADN rápidamente y en cantidades enormes.
2. Las mejoras en microscopia, en el sentido más amplio, desde sistemas de tinción a fotografías a nivel atómico, que permiten una mejor comprensión de los procesos celulares.
3. Las técnicas para el estudio específico del encéfalo y su funcionamiento, probablemente el objeto de estudio científico más interesante del universo.
4. La asunción generalizada de que la investigación biológica tiene que tener una perspectiva evolutiva.

Cabe esperar que en próximo par de décadas la caracterización genética de todas las especies esté completa. Alrededor del año 2030, dependiendo de la financiación, la mayor parte de la vida conocida habrá sido caracterizada, incluyendo la microbiológica marina o la subterránea profunda (de existir). En el proceso es posible que nos encontremos grandes sorpresas (asumimos que con más fundamento que la vida basada en arsénico).

Lo anterior, completar el álbum de cromos de la vida terrestre, es fascinante e intelectualmente atractivo. Pero esta base de datos genéticos gigantesca y el conocimiento biológico derivado de ella, abriría la puerta a la explotación industrial, lo mismo que ocurrió con la química en el XIX. En esto trabajan ya activamente personas como Craig Venter, ya sea por la vía de crear de vida sintética de diseño, ya por la creación de nuevos organismos transgénicos o directamente por el uso de nuevas especies.

Pero, sin duda, el punto de inflexión lo marcará la combinación de la biología con la nanociencia y la informática: la nanobiomática.

Digámoslo claramente, y citando a un sabio malagueño: la nanotecnología ha tenido un arranque de caballo andaluz y un parón de burro manchego. Durante los últimos veinte años se ha hablado mucho de nanotecnología pero, a fin de cuentas, salvo algunas estructuras que quedan muy espectaculares en fotografía y la alteración de las propiedades de algunos materiales, ya sea por la incorporación de otros o por técnicas de encapsulación, poco más se ha conseguido. Estamos a años-luz de esos ejércitos colaborativos de micromáquinas que prometían los visionarios de los años noventa. Pero esto cambiará cuando se conozca mejor el comportamiento de las células.

Las proteínas, el ARN o el ADN son moléculas grandes y tienen exactamente el tamaño típico de los objetos con los que opera la nanociencia: mayor que el de la química tradicional, pero aún suficientemente pequeños como para que la influencia de las interacciones supramoleculares electrostáticas sea crítica impidiendo que la ingeniería mecánica clásica pueda lidiar con ellas. De hecho, fueron estas interacciones las que arruinaron las predicciones de los visionarios: los engranajes y levas de las micromáquinas se veían alterados por las fuerzas de van der Waals y otros efectos mal comprendidos.

Pero, hete aquí que los sistemas vivos, obviamente, funcionan. Una vez que se analicen apropiadamente aparecerá todo un abanico de aplicaciones tecnológicas: ya sean organismos altamente modificados, o sistemas completamente artificiales que simplemente toman sus fundamentos de la biología, como los robots de Karel Capek, el inventor del término en 1921.

Pero unos robots así requerirían también la intersección de la biología, además de con la nanotecnología, con la informática y la inteligencia artificial, lo que hemos dado en llamar nanobiomática. La unión de una mejor compresión del funcionamiento del cerebro con una capacidad de computación artificial mucho más sofisticada. Las nuevas técnicas para el estudio del cerebro pondrán de manifiesto cómo se organiza el cerebro a nivel celular (conectoma). Los ordenadores, más rápidos y potentes, permitirán modelar como software esa nueva información. Así sabremos cómo funciona el cerebro de verdad, lo que permitirá la construcción de cerebros artificiales que trabajarán con los mismos principios, pero mucho más potentes y sin errores. Cerebros artificiales nanobiomáticos que puede que funcionen conscientemente.

Curiosamente, según la teoría de Taleb, nadie podrá hacer una fortuna apostando a nada de lo anterior: lo previsible no es novedoso realmente. Y es que el futuro lo conformarán los cisnes negros.

Juan Enríquez: ¿Serán nuestros hijos de una especie diferente?

Esta TEDTalk de Juan Enríquez no te dejará indiferente. Desde el Big Bang un rápido recorrido hasta el presente y una excursión a lo que puede traernos el futuro más inmediato: ¿te imaginas poder descargar tus recuerdos personales y transferirlos a otro cuerpo?¿Y si este cuerpo lo hubieses construido a partir de células de tu piel?¿Está evolucionando nuestro cerebro delante de nuestros ojos? Lo que la investigación en biología sintética, genética y neurociencia nos puede ofrecer a la vuelta de unos pocos años implica también multitud de preguntas con grandes implicaciones éticas, morales, psicológicas y políticas. Y una de ellas es: ¿Serán tus nietos de una especie diferente a la tuya?

Lamentablemente no está en español aún, pero sí está subtitulada en inglés y Enríquez lleva un ritmo fácil en una charla que te recomiendo hagas un esfuerzo por seguir.

Buscando vida extraterrestre con un telescopio de Fresnel.

En ocasiones cuando vemos lo extremadamente compleja y cara en términos relativos que es la investigación espacial, nos preguntamos si no habría formas más fáciles y económicas de hacer las cosas. Es lo que nosotros llamamos desasosiego del lápiz ruso. Pensemos ahora en planetas extrasolares y en la complejidad de los sistemas que se usan para detectarlos, no digamos ya para analizar sus atmósferas: ¿habría una forma más económica y más eficiente de hacerlo? A lo mejor sí.

La mayor parte de los telescopios astronómicos emplean la reflexión para enfocar la luz que entra en ellos. Un espejo cóncavo crea una imagen a partir de esta luz siguiendo un diseño original del siglo XVII, obra de Isaac Newton. Los telescopios que no usan la reflexión usan la refracción, es decir, en vez de un espejo usan un sistema de lentes, idea que popularizó Galileo Galilei.

Pero existe una tercera forma de enfocar la luz. Siglo y medio después de Newton y más de dos después de Galileo, Augustin-Jean Fresnel descubrió que también podía usarse la difracción. Un conjunto de discos concéntricos, alternativamente trasparentes y opacos, dispersarían y difundirían las ondas de luz de manera que se reforzasen a una determinada distancia, formando así una imagen. Ese conjunto de discos se denomina placa zonal de Fresnel. Un equipo encabezado por Laurent Koechlin, de la Universidad de Tolosa (Francia), piensa que esta técnica podría ser útil para descubrir vida en otros planetas. Los resultados de sus primeras pruebas aparecen en Experimental Astronomy.

A-J Fresnel

El ver oxígeno es la atmósfera de otro planeta sería un buen indicio de actividad biológica porque este elemento es tan reactivo que se consume rápidamente; si se detecta quiere decir que hay un mecanismo que es capaz de estar creándolo a un ritmo superior o igual al que se consume. Esto podría indicar que en el planeta debe existir algo que se parezca a la fotosíntesis ya que no se conocen procesos no biológicos que puedan producir oxígeno en cantidades suficientes a partir de materiales comunes. Pero observar los planetas extrasolares no es tan fácil, no digamos ya sus atmósferas. Las estrellas son mucho más brillantes que los planetas que las orbitan por lo que su luz ahoga la pequeña parte de ella que refleja el planeta. Y aquí es donde entra Fresnel.

Los telescopios fresnelianos no se han desarrollado porque una imagen formada por uno que fuese capaz de rivalizar con la de un telescopio reflector de un tamaño manejable estaría a kilómetros de la placa zonal. Pero si el telescopio está en el espacio esto no es tan problemático (en términos relativos, como veremos en seguida). El telescopio fresneliano, libre de los efectos perniciosos de la atmósfera terrestre, sería capaz de aislar imágenes de planetas extrasolares y hacer espectros de sus atmósferas, en los que determinadas líneas oscuras nos revelarían la presencia de determinados gases, el oxígeno entre ellos.

Los telescopios espaciales no son nada nuevo, todos conocemos el nombre de varios (Hubble, Kepler, Newton, etc.), y hay unos cuantos más preparándose para ser lanzados. Pero los planes existentes para fotografiar los planetas extrasolares con ellos implican tener varios telescopios reflectores orbitando la Tierra todos apuntando exactamente en la misma dirección. Se necesitan varios porque un sólo espejo lo suficientemente grande como para distinguir a un planeta de la estrella a la que orbita sería demasiado voluminoso como para poder ser lanzado al espacio. El problema surge con la palabra “exactamente”, que quiere decir precisamente eso. El conjunto, para ser efectivo, tendría que moverse coreográficamente con un error permitido de unas pocas micras (millonésimas de metro).

¿Cómo solucionaría estos problemas un telescopio fresneliano? Para empezar la placa zonal es plana, esto significa que la podemos hacer de plástico y plegarla, con lo que el tamaño deja de ser un problema. Haría falta un segundo satélite que llevase la parte receptora (el ocular, una lente especial que también usa óptica de Fresnel, y una cámara para grabar las imágenes) al foco pero, en este caso, es suficiente una precisión de tan solo centímetros, no micras. Esta es la gran ventaja de los frenelianos frente a los newtonianos, cada orden de precisión dispara presupuestos y complejidad técnica.

Para comprobar la idea experimentalmente, el equipo de investigadores construyó un prototipo: una pieza de cobre de 20cmx20cm que tiene 696 anillos; los anillos realmente no son anillos completos, si lo fuesen la pieza se desharía, sino rendijas curvas (véase parte superior de la imagen de arriba). Esto no afecta a las propiedades ópticas del sistema. Como la pieza es tan pequeña su distancia focal es de sólo 18 metros.

En la fotografía que abre esta entrada podemos ver el montaje experimental. El telescopio es el “Grand equatorial” del observatorio de Niza, que se usó tan sólo como soporte de los dispositivos. En el extremo podemos ver la placa de Fresnel cuadrada sujeta con una varilla y un  marco circular, el módulo secundario está justo por encima de la cabeza del operario, a un metro de la base del tubo del telescopio. La luz se propaga por el exterior del Grand equatorial, “al aire”.

Cuando apuntaron el telescopio a Marte los investigadores pudieron distinguir las dos pequeñas lunas del planeta, lo que requeriría un telescopio newtoniano con un espejo de, al menos, 30 cm de diámetro. Y cuando observaron Sirio pudieron ver la débil luz de la enana blanca que orbita la que es la estrella más brillante del cielo nocturno. (Imágenes y detalles técnicos pueden obtenerse en el artículo que está aquí en PDF gratuito; vídeos se pueden descargar de la web de Koechlin)

Extrapolando estos resultados los autores piensan que una placa zonal de un tamaño de entre 15 y 40 metros de diámetro sería suficiente para distinguir el espectro de un planeta parecido a la Tierra a una distancia de 30 años luz. No estaría mal como reivindicación del señor Fresnel.

Referencia:

Koechlin, L., Rivet, J., Deba, P., Serre, D., Raksasataya, T., Gili, R., & David, J. (2012). First high dynamic range and high resolution images of the sky obtained with a diffractive Fresnel array telescope Experimental Astronomy, 33 (1), 129-140 DOI: 10.1007/s10686-011-9277-7

El metano en Marte vendría de los meteoritos (y no de vida), después de todo.

Meteorito Murchison

El problema del metano en Marte es muy interesante por varios motivos: químicos, atmosféricos, geológicos, planetarios y biológicos. Nos habla de nuestra capacidad de explorar la composición de cuerpos diferentes a la Tierra. Por este mismo motivo en este blog hay varias referencias al mismo, véase por ejemplo ¿Hay o no hay metano en Marte?. Una exposición del estado de la cuestión y de su importancia puede verse en este vídeo de la conferencia que di en la Universidad de Murcia.

Hay una novedad importante, tanto como para que se publique en Nature. Podría ser que el origen del metano en Marte estuviese en los meteoritos, después de todo. Pero por una vía insospechada hasta ahora.

Como tienes más información detallada en el vídeo y en el enlace de arriba, resumamos esquemáticamente el estado de la cuestión antes de entrar a explicar el nuevo descubrimiento.

1. Casi una década después de que se informase de la detección de metano en Marte todavía se está discutiendo la fiabilidad de las observaciones.
2. La presencia observada de metano varía con la localización y la estación del año.
3. La discusión sobre las posibles fuentes de metano que expliquen las observaciones ha sido todavía más intensa:
3.1 Como la vida del metano en la atmósfera de Marte es limitada debe existir un proceso en la superficie o debajo de ella que lo produzca de forma continua y asociado a las estaciones.
3.2 Una de las posibles explicaciones es la metanogénesis microbiana, esto es, que exista vida en Marte
3.3 Existen explicaciones alternativas puramente geoquímicas, lo que tendría implicaciones importantes sobre la geología de Marte
3.4 El aporte de metano durante la ablación de los meteoritos carbonáceos que caen sobre Marte se considera despreciable.

Distribución de metano en el verano marciano

Y así estaba la cosa, pendientes de que Curiosity llegue a Marte en agosto y nos permita saber algo más. Pero el equipo encabezado por Frank Keppler, del Instituto Max Planck de Química (Alemania), ha dado con una ruta sintética que podría explicar las observaciones actuales con bastante aproximación. Lo más importante es que, además, el mecanismo es sencillo y plausible. Y este mecanismo surge de la respuesta a la pregunta que se propuso responder el equipo de investigadores, que no puede parecer más tonta: ¿qué les pasa a los meteoritos después de llegar a la superficie?

Las condritas carbonáceas, un tipo de meteorito rico en materiales orgánicos, bombardean con mucha frecuencia la superficie de Marte. Por eso se pensó en ellos como posible fuente del metano, que liberarían durante el proceso de entrada en la atmósfera y su viaje por ella (ablación). Pero, como decíamos arriba, los cálculos dicen que el aporte de metano por esta vía es despreciable. Sin embargo, cuando llegan al suelo marciano, se ven sometidas a una radiación ultravioleta sin filtrar. Recordemos que la atmósfera marciana es básicamente dióxido de carbono, y que no tiene una capa de ozono como la Tierra que filtre buena parte de la radiación ultravioleta.

Investigaciones previas demuestran que la radiación ultravioleta puede provocar la emisión de metano de restos vegetales muertos sin que intervengan bacterias. ¿Ocurriría lo mismo con un meteorito carbonáceo?

El equipo de investigadores tomó muestras del meteorito que cayó en Australia en 1969, conocido como Murchison, una condrita carbonácea cuya composición química se considera muy parecida a la de los meteoritos que caen habitualmente sobre Marte. Tras someterlas a radiación ultravioleta en las condiciones del suelo marciano, los investigadores encontraron (para su sorpresa) que se liberaba metano en cantidades suficientes como para dar cuenta de buena parte del metano observado.

Este dato, de confirmarse, no excluiría completamente el origen biológico del metano marciano pero si lo hace muy poco probable.

El inteligente lector, en este punto, se estará haciendo algunas preguntas pertinentes. Una de ellas es como accede la radiación ultravioleta al interior del meteorito, puesto que su superficie habrá sido alterada por el proceso de entrada y es poco probable que pueda producir metano. Este es uno de los puntos menos fuertes de la hipótesis: hace falta mucha meteorización que produzca la rotura del meteorito y que permita el acceso de la radiación ultravioleta al interior. Sin embargo, esto casa muy bien con la estacionalidad, ya que las diferencias de temperatura podrían fraccionar el meteorito.

La otra gran pregunta es cómo se descarta el origen terrestre del metano generado o, dicho de otra forma, cómo se garantiza que las muestras no están contaminadas. Muy sencillo: por la identificación isotópica. Las muestras extraterrestres tienen una proporción de isótopos de hidrógeno diferente a la terrestre. La composición isotópica del carbono sin embargo es muy similar, por lo que no serviría para la identificación de una hipotética vida marciana.

Démonos cuenta de que el problema del metano en Marte es una piedra de toque para nuestra capacidad de analizar la composición de planetas y satélites a distancia. Lo mejor del asunto es que la hipótesis del origen meteorítico del metano es algo a lo que Curiosity puede aportar datos.

Referencia:

Keppler, F., Vigano, I., McLeod, A., Ott, U., Früchtl, M., & Röckmann, T. (2012). Ultraviolet-radiation-induced methane emissions from meteorites and the Martian atmosphere Nature DOI: 10.1038/nature11203

SOLID: detección de signos de vida en este y en otros mundos.

Hace unos meses se formó un pequeño revuelo con una entrada de este blog titulada “De por qué Curiosity no encontrará vida”. En ella argumentábamos que no la encontrará, simplemente, porque Curiosity no está diseñado para ello: este rover analizará el ambiente y su potencialidad para albergar vida ahora y en el pasado. Ahondando en este tema, en la charla que dimos en las ya famosas jornadas #MurciaDivulga, titulada “Hay o no hay metano en Marte?” [video , información] nuestra tesis fundamental fue que el problema no es que haya vida o no, el problema real es detectarla, ya que requiere de un método analítico muy específico, o de una enorme dosis de suerte.

¿Qué aspecto tendría un dispositivo para detectar vida, entonces? ¿En qué se basaría?

Para dar una posible respuesta a estas preguntas antes hemos de responder otra: ¿Qué queremos decir con un método analítico específico? Para encontrar algo debemos saber qué queremos buscar. Si yo quiero encontrar un microorganismo debo tener una idea de cual es su bioquímica. Si sé su bioquímica, sé dé qué está hecho y cual es su metabolismo y puedo desarrollar un procedimiento de manipulación de una muestra con la adición de tinciones, reactivos, variaciones de temperatura, tiempos de incubación, medios nutritivos, etc., que dé como resultado una señal inequívoca de presencia o ausencia y, en el mejor de los casos, una cuantificación de esa presencia. Si esto no es posible por cualquier motivo pero conozco su bioquímica, siempre me queda la alternativa de desarrollar métodos de detección de los productos de su metabolismo (las sustancias que excreta, como el metano) bien directamente o por su efecto en el entorno, o bien restos moleculares en general (cadáveres).

Todo esto está muy bien pero queda un poco teórico. ¿Qué se está haciendo en la práctica? Uno de los equipos más avanzados en este sentido, que está cosechando resultados espectaculares, se llama SOLID  y lo ha diseñado el Centro de Astrobiología - INTA - CSIC (España). Uno de los autores del proyecto es Víctor Parro que explica así su funcionamiento:

Multitud de biomoléculas constituyen los productos y subproductos que los microorganismos dejan en el entorno donde se desarrollan, algunas de ellas se deterioran y desaparecen con el tiempo y otras se transforman por diagénesis y se mantienen durante millones de años. La alta especificidad y sensibilidad de los anticuerpos han propiciado el desarrollo de inmunosensores desde hace varios años para la detección desde moléculas pequeñas como pesticidas, plaguicidas, etc, a microorganismos enteros. La tecnología de biochips o microarrays de anticuerpos permite ensayar simultáneamente la presencia de cientos de moléculas y células de muy diferente complejidad estructural con un mínimo preprocesado de las muestras.

El Centro de Astrobiología comenzó hace varios años el desarrollo de un instrumento (denominado SOLID, por “Signs of LIfe Detector”) para exploración planetaria basado en el concepto de microarrays. El modelo de campo (SOLID2) cuyo funcionamiento ha sido probado con éxito en varias campañas, en especial la realizada en río Tinto por el CAB y NASA en el marco del proyecto MARTE, está dotado de un  biosensor en formato microarray (LDCHIP200) con más de 200 anticuerpos diferentes desarrollados en nuestro laboratorio, y es capaz de realizar desde el preprocesado de muestras sólidas hasta la detección de las señales positivas, y todo ello de forma remota. La versión SOLID3, más compacta y ligera, incorpora importantes mejoras respecto de SOLID2.[ Fuente ]

El SOLID con el LDCHIP300, con 300 anticuerpos, obtuvo un resultado espectacular cuando detectó un oasis microbiano a dos metros de profundidad en el desierto de Atacama uno de los más secos del mundo. Las bacterias y arqueas detectadas viven sin oxígeno y en completa oscuridad en un entorno de una salinidad extrema (halita y percloratos). Si hay vida en Marte es más que probable que no esté en la superficie. Más detalles pueden encontrarse aquí 

Pero el SOLID ha seguido evolucionando. Ahora su versión 3 se enfrenta al reto de las bajísimas temperaturas de la Antártida con el LDCHIP400, con 400 anticuerpos listos para detectar prácticamente cualquier metabolito basado en carbono que pueda existir en la isla Decepción:

La isla Decepción, en la Antártida, es una isla volcánica con una historia de erupciones reciente y que ofrece diferentes escenarios extremos para la proliferación de la vida. Desde ambientes permanentemente helados, como el permafrost y los glaciares, hasta fuentes y emanaciones termales, pasando por suelos cálidos en la interfase tierra-aire o tierra-nieve (o hielo), hacen de este enclave un lugar único para el estudio de la geomicrobiología asociada.

Si durante la campaña 2009-2010 se ensayó in situ el instrumento SOLID3 con muestras superficiales y del permafrost obtenidas mediante una perforación de cuatro metros de profundidad, en la nueva campaña 2011-12 se ha actualizado el biosensor y se va a explorar un ambiente geotérmico de la isla donde la temperatura oscila entre los 0 ºC y los 100 ºC en pocos centímetros de profundidad. Se tomarán muestras superficiales y del subsuelo (de uno a dos metros de profundidad), se determinará el perfil de biomarcadores con LDCHIP400 y SOLID3.0, y los resultados se confirmarán y se completarán en el laboratorio mediante diversos estudios de ecología molecular, enriquecimiento de cultivos, geoquímica y mineralogía. [Fuente]

El SOLID quedará así listo para explorar la vida basada en carbono de Marte o Europa, por ejemplo. El problema será entonces poder enviarlo allí: la idea original era el proyecto ExoMars, pero parece que de momento tendrá que esperar.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VII Edición del Carnaval de la Tecnología organizada por Zemiorka.  

Los aminoácidos como catalizadores para la formación de azúcares en la Tierra primitiva.

Uno de los grandes misterios del origen de la vida, y un tema recurrente en Experientia docet, es la homoquiralidad en aminoácidos y azúcares, es decir, por qué existiendo en la naturaleza aminoácidos y azúcares que son idénticos químicamente pero que sólo se diferencian como lo hace la mano derecha de la izquierda, en los seres vivos sólo hay aminoácidos de una clase y azúcares de la otra, en concreto, aminoácidos L y azúcares D. Pues bien, una nueva investigación no nos da la respuesta al problema, pero puede que lo reduzca.

Un grupo de investigadores encabezado por Laurence Borroughs, de la Universidad de York (Reino Unido), ha recreado en el laboratorio un proceso que podría haber tenido lugar en la Tierra prebiótica y que habría dado lugar a los azúcares más sencillos. En este proceso los aminoácidos actúan como catalizadores. Los resultados aparecen publicados en Organic & Biomolecular Chemistry.

El equipo encontró que usando L-aminoácidos sencillos para catalizar la formación de azúcares se obtenían predominantemente D-azúcares. A esto nos referíamos más arriba cuando decíamos que este resultado podía reducir el problema: la existencia previa de L-aminoácidos ya preconfiguraría la existencia de D-azúcares, sólo quedaría por explicar los primeros y sobre ello hay teorías interesantes (véase, por ejemplo, aquí y aquí).

En concreto, mientras que los ésteres de L-prolina producían L-tetrosas, los ésteres de L-leucina, L-alanina y L-valina generaban D-tetrosas. Los rendimientos de estas reacciones son los que justificarían la conexión entre los L-aminoácidos naturales y los D-azúcares. Curiosamente esos rendimientos son muy sensibles al pH y son enantioselectivamente óptimos, es decir, producen el máximo de moléculas de una quiralidad (L,D) dada, a pH neutro.

Esta entrada ha sido editada para corregir y homogeneizar la nomenclatura tras una amable indicación de @carlosxabier 

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la IX Edición del Carnaval de Biología que organiza Laciencia de la vida y en la XI Edición del Carnaval de Química que acoge La aventura de la ciencia  

Referencia:

Burroughs, L., Clarke, P., Forintos, H., Gilks, J., Hayes, C., Vale, M., Wade, W., & Zbytniewski, M. (2012). Asymmetric organocatalytic formation of protected and unprotected tetroses under potentially prebiotic conditions Organic & Biomolecular Chemistry DOI: 10.1039/C1OB06798B

Química orgánica ultrafría en el medio interestelar.

NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Un equipo de investigadores encabezado por Dorian Parker, de la Universidad de Hawái (EE.UU.), ha descubierto una nueva ruta química a muy baja temperatura para la síntesis de naftaleno. Estos resultados podrían explicar la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en las regiones ultrafrías del espacio interestelar. El descubrimiento también puede ayudar a reducir la emisión de HAP tóxicos en los motores de combustión interna. El estudio se publica en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cuando en la Tierra se habla de HAP suele ser para referirse a los procesos de combustión incompleta y a cómo se forman rápidamente a temperaturas elevadas en los motores de combustión interna o en el humo del tabaco. Una vez liberados en el aire los HAP pueden llegar a los pulmones donde su potencial carcinogénico los convierten en un riesgo mayor para la salud. Si llegan al agua la contaminan seriamente, bioacumulándose en el tejido graso de los seres vivos (algunos de los cuales nos comemos después). Los HAP están relacionados pues con la contaminación del suelo, los envenenamientos alimentarios, las lesiones en el hígado y el crecimiento de tumores.

Paradójicamente lo que en la Tierra puede clasificarse como altamente tóxico, en astrobiología se considera uno de los principales participantes en la evolución química en el medio interestelar. Así, por ejemplo, se encontraron HAP que portaban grupos funcionales carboxilo e hidroxilo en los extractos orgánicos del meteorito Murchison que formaban estructuras limitativas parecidas a membranas: los primeros indicios de una estructura protocelular, un requisito para el origen de la vida.

Naftaleno

Existe, además, otra paradoja: si en la Tierra los HAP se forman a muy alta temperatura, ¿cómo pueden existir en las cantidades en las que lo hacen en el medio interestelar con temperaturas sólo unos grados por encima del cero absoluto? El hecho cierto es que el proceso de formación de los HAP no se conoce suficientemente bien, ni siquiera el de su componente más sencillo, el naftaleno (C₁₀H₈).

Cuando se habla de la formación los mecanismos de reacción que se suelen mencionar implican secuencias aHaA, es decir, reacciones de abstracción (eliminación bimolecular) de hidrógeno combinadas con adición de acetileno. Una análisis termodinámico elemental muestra que las secuencias aHaA tienen una energía de activación muy altas, es decir, para que se inicien son necesarias temperaturas de varios miles de grados, como las que se encuentran en los procesos de combustión o en los flujos de las estrellas ricas de carbono y en las nebulosas planetarias.

Sin embargo, este proceso de formación de HAP no explica la presencia de HAP medida en el medio interestelar. En éste los HAP son destruidos rápidamente por fotolisis y por los rayos cósmicos. Las tasas de destrucción son mucho más altas que las de inyección de nuevo producto en el medio interestelar por las estrellas de la Rama Asintótica Gigante (RAG) y las nebulosas planetarias ricas en carbono descendientes de estrellas RAG. Por tanto debe existir un proceso de formación de HAP desconocido que explique la rápida y ubicua proliferación de HAP en el medio interestelar a temperaturas de 10K, temperaturas a las que las secuencias aHaA no pueden iniciarse.

Parker et al. demuestran que es posible la formación de naftaleno como consecuencia de una simple colisión entre un radical fenilo y vinilacetileno en fase gaseosa y la formación de un complejo intermedio por fuerzas de van der Waals, sin necesidad de una energía de activación. Los datos experimentales fueron corroborados por un análisis teórico de la reacción y simulaciones por ordenador. Este mecanismo podría explicar, pues, la formación de naftaleno a 10K

Si bien en el futuro habrá que encontrar mecanismos para la formación de HAP más complejos, como el fenantreno y el antraceno, o que contengan nitrógeno, como el indol o la quinolina, este trabajo demuestra por primera vez que la química a muy baja temperatura juega un papel crítico en la formación de compuestos orgánicos complejos en el medio interestelar.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XI edición del Carnaval de Química que organiza La aventura de la ciencia. 

Referencia:

Parker, D., Zhang, F., Kim, Y., Kaiser, R., Landera, A., Kislov, V., Mebel, A., & Tielens, A. (2011). Low temperature formation of naphthalene and its role in the synthesis of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) in the interstellar medium Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (1), 53-58 DOI: 10.1073/pnas.1113827108