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Biología y vida extraterrestre

Frecuentemente aparecen nuevas noticias sobre planetas de reciente descubrimiento que podrían albergar vida extraterrestre. El avance científico no para de arrojar nueva información sobre Marte, otros mundos con agua y seres vivos extremadamente resistentes, como los tardígrados. ¿Pero podría existir la vida fuera de la Tierra? ¿Qué es la vida? ¿Qué se necesita para que se mantenga? De ello se encarga la astrobiología. ¡Conócela!

ASTROBIOLOGÍA Y EXOBIOLOGÍA

La astrobiología es un conjunto de distintas disciplinas científicas que estudia la existencia de la vida en el universo. Para ello combina conocimientos de biología, física, química, astronomía, ecología, geografía, geología, ciencia planetaria y biología molecular. Dentro de la astrobiología, la exobiología estudia científicamente las posibilidades de vida fuera de nuestro planeta. No hay que confundirla con la ufología, una pseudociencia. La astrobiología intenta responder a preguntas tan apasionantes como:
– ¿Qué es la vida?
– ¿Cómo apareció la vida en la Tierra?
– ¿Cómo evoluciona, se desarrolla la vida y cuál es su adaptabilidad?
– ¿Cuál es el futuro de la vida en la Tierra y otros lugares?
– ¿Existe vida en otros mundos?

No, ni esto es un marciano ni es astrobiología. Fuente: Quo

¿QUÉ ES LA VIDA?

Aunque parezca una pregunta banal, la vida no es fácil de definir. Aparentemente podemos reconocer si los seres están vivos o no si realizan ciertas funciones y poseen ciertas características:

  • Nutrición: obtienen energía del exterior para mantener su medio interno constante (homeostasis).
  • Reproducción: pueden crear copias de sí mismos.
  • Relación: se relaciona con el medio y otros seres vivos.
  • Organización: los seres vivos estan formados por una o más células.
  • Variación: la variabilidad entre individuos permite a las especies evolucionar.

Los problemas empiezan cuando encontramos seres que no cumplen todas las características. El ejemplo más clásico serían los virus: son incapaces de reproducirse por sí mismos y carecen de estructura celular. Otro ejemplo serían los eritrocitos (glóbulos rojos) de mamíferos, células sin  material genético ni mitocondrias.

Microfotografía al microscopio electrónico del virus del Ébola (Foto pública de la CDC)

¿QUÉ SE NECESITA PARA QUE EXISTA VIDA?

Sólo conocemos un tipo de vida: el terrestre. Es por ello que los astrobiólogos necesitan tomarlo como referencia para saber qué buscar en otros lugares. ¿Podrían existir otras formas de vida distintas a las terrestres? Quizá, pero sería casi imposible reconocerlas. Si no sabes qué buscas, puede que lo encuentres pero no te des cuenta.

Se considera que para que aparezca y se desarrolle la vida se necesita:

  • Un líquido dónde tengan lugar reacciones químicas: en la Tierra, es el agua.
  • Un elemento con facilidad para formar compuestos estables: en la Tierra, es el carbono.
  • Una fuente de energía: en la Tierra, es el Sol.

Partiendo de esta base, se buscan planetas o satélites con estas características, aunque no se descartan otras posibilidades como metano líquido (es el caso de Titán, satélite de Saturno), etano, ácido sulfúrico, amoníaco o ácido acético como solvente, o formas de vida basadas en otros elementos como el silicio, una constante en relatos de ciencia-ficción.

Representación artística de los lagos de metano de Titán. Crédito: Steven Hobbs

¿QUÉ SE NECESITA PARA QUE SE MANTENGA LA VIDA?

El cuerpo celeste en cuestión también tiene que cumplir una serie de características para que la vida pueda mantenerse:

  • Abundancia de elementos químicos como el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno para formar compuestos orgánicos.
  • Que el planeta/satélite se encuentre dentro de la zona de habitabilidad de su estrella. Resumidamente, que orbite a una distancia que permita unas temperaturas ni muy altas ni muy bajas.
Zona de habitabilidad (verde) según la temperatura de la estrella. Rojo: demasiado caliente, azul: demasiado frío. Fuente: NASA/Misión Kepler/D. Berry
  • Una fuente de energía suficiente para mantener la temperatura y permitir la formación de moléculas complejas.
  • Una gravedad adecuada para mantener una atmósfera y no aplastar a los seres vivos del planeta.
  • Que el planeta tenga un campo magnético para desviar la radiación incompatible con la vida proveniente de su estrella.
El campo magnético terrestre protege la vida del viento solar. Fuente: ESA

En nuestro Sistema Solar, los candidatos que posiblemente cumplen estas características son Marte, Europa y Ganimedes (satélites de Júpiter), EncéladoTitán (satélites de Saturno) y Tritón (satélite de Neptuno).

¿POR QUÉ EL CARBONO?

Los seres vivos estamos formados por células, y ésta a su vez, si vamos reduciendo la escala, de moléculas y átomos (como toda la materia). ¿Por qué la vida está basada en el carbono?

En realidad, en la constitución de los organismos intervienen 26 elementos, pero el 95% de la materia viva se compone de carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S). Podemos imaginarlos como los “ladrillos de la vida”: combinando estas piezas básicas, podemos obtener organismos complejos. Estos ladrillos pueden unirse a otros mediante enlaces covalentes. Metafóricamente, los átomos los podemos imaginar con esferas con manos los cuales se pueden agarrar a otras manos libres. Por ejemplo, la principal molécula de fuente de energía para todos los seres vivos es el ATP (Adenosín trifosfato, de fórmula C10H16N5O13P3).

enlaces químcos, moléculas, sulphur, phosphorus, hidrogen, oxigen, carbon, nitrogen, chemical bond
Representación esquemática de los átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo y sus valencias (enlaces posibles). Producción propia basada en la figura 6.3 de “La vida en el espacio” (ver referencias)

El elemento candidato a sustentar la vida tendría que ser un elemento abundante capaz de formar gran cantidad de enlaces consigo mismo y con otros elementos. De los 5 elementos más abundantes en el universo:

  • Helio: no forma compuestos
  • Hidrógeno y oxígeno: tienen 1 y 2 manos, por lo que sólo pueden formar compuestos muy sencillos.
  • Nitrógeno: puede unirse a 3 átomos, pero no se conocen cadenas de varios átomos de nitrógeno.
  • Carbono: tendría 4 manos, con lo que puede unirse fuertemente con otros carbonos con enlaces simples, dobles, o triples. Esto le permite formar cadenas larguísimas y estructuras tridimensionales y aún le pueden “sobrar” manos con los que unirse a nitrógeno, oxígeno y azufre, fósforo, hidrógeno. Esta versatilidad permite construir moléculas químicamente activas y complejas, justamente la complejidad que hace posible la vida.
estructura química del adn, moléculas
Estructura química del ADN, donde se puede observar la importancia de la capacidad del carbono de formar largas cadenas y anillos. Fuente

¿Podría haber vida en otro lugar basada en un átomo distinto?

ALTERNATIVAS AL CARBONO

EXTRATERRESTRES DE SILICIO

Como establecer 4 enlaces es tan útil, el silicio es el primer candidato por el que apuestan biólogos y escritores de ciencia ficción, aunque no sea tan abundante como el carbono. El silicio (Si) también puede formar 4 enlaces y es abundante en planetas rocosos como la Tierra, pero…

  • El enlace Si-Si es bastante débil. En un medio acuoso, la vida basada en silicio no se mantendría durante mucho tiempo ya que muchos compuestos se disuelven en ella, aunque podría ser posible en otro medio, como nitrógeno líquido (Bains, W.).
  • Es muy reactivo. El silano por ejemplo (equivalente del metano, pero con un átomo de silicio en lugar de carbono) se enciende espontáneamente a temperatura ambiente.
  • Es sólido a la mayoría de temperaturas. Aunque puede formar estructuras con el oxígeno (sílice o dióxido de silicio), el resultado casi siempre es un mineral (cuarzo): demasiado simple y sólo reacciona fundido a 1000ºC.
  • No forma cadenas ni redes consigo mismo, debido a su mayor tamaño respecto el carbono. En ocasiones forma cadenas largas con oxígeno (siliconas), a las que quizá se podrían unir a otros grupos para formar moléculas complejas. Justamente el extraterrestre de la película Alien, el octavo pasajero posee tejidos de silicona. Los seres formados por siliconas serían más resistentes, lo cual lleva a especular qué tipo de condiciones extremas podrían soportar.
Horta, una forma de vida basada en el silicio aparecida en la serie de ciencia ficción Star Trek. Fuente

EXTRATERRESTRES DE NITRÓGENO Y FÓSFORO

Veamos algunas características del nitrógeno y fósforo por separado:

  • Nitrógeno: sólo puede formar 3 enlaces con otras moléculas y es poco reactivo.
  • Fósforo: sus enlaces son débiles y los enlaces múltiples poco comunes, aunque puede formar largas cadenas. El problema es que es demasiado reactivo.

Combinando los dos, se podrían obtener moléculas estables, pero los seres basados en nitrógeno y fósforo tendrían otros problemas: los compuestos de nitrógeno, de los cuales tendrían que alimentarse, no se encuentran en suficiente cantidad en los planetas y el ciclo biológico no sería favorable energéticamente hablando.

EXTRATERRESTRES DE BORO, AZUFRE Y ARSÉNICO

Las bioquímicas más improbables podrían basarse en estos elementos:

  • Boro: puede formar cadenas largas y unirse a otros elementos como el nitrógeno, hidrógeno o carbono
  • Azufre: puede formar cadenas largas, pero por su tamaño es altamente reactivo e inestable.
  • Arsénico: es demasiado grande para formar compuestos estables, aunque sus propiedades químicas son parecidas a las del fósforo.

En 2010, la revista Science publicó un estudio en el que se afirmaba haber descubierto una bacteria (GFAJ-1) capaz de vivir sólo de arsénico, letal para cualquier ser vivo. Rompía el paradigma de la biología al no usar el fósforo (recordad el ATP y la estructura del ADN) y abría nuevas vidas de estudio para la astrobiología. En 2012, dos investigaciones independientes refutaban la teoría de la investigadora Felisa Wolfe-Simon y su equipo. El fósforo sigue siendo esencial para que los organismos puedan vivir y desarrollarse en la Tierra.

La bacteria GFAJ-1. Fuente

Por el momento, estas bioquímicas hipotéticas no son más que especulaciones, por lo que los astrobiólogos siguen buscando vida basada en el carbono, aunque ya sabemos que la ciencia nunca nos deja de sorprender. Aunque pudiéramos identificar vida basada en otros elementos, si algún día encontramos vida extraterrestre (o viceversa) la revolución será tan grande que aunque sea basada en el carbono, dará mucho que hablar.

REFERENCIAS

Mireia Querol Rovira

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Biologia i vida extraterrestre

Freqüentment apareixen noves notícies sobre planetes de recent descobriment que podrien albergar vida extraterrestre. L’avenç científic no para de llançar nova informació sobre Mart, altres móns amb aigua i éssers vius extremadament resistents, com els tardígrads. ¿Però podria existir la vida fora de la Terra? Què és la vida? Què es necessita perquè es mantingui? D’això se n’encarrega l’astrobiologia. Coneix-la!

ASTROBIOLOGIA I EXOBIOLOGIA

L’astrobiologia és un conjunt de diferents disciplines científiques que estudia l’existència de la vida a l’univers. Combina coneixements de biologia, física, química, astronomia, ecologia, geografia, geologia, ciència planetària i biologia molecular. Dins de l’astrobiologia, l’exobiologia estudia científicament les possibilitats de vida fora del nostre planeta. Cal no confondre-la amb la ufologia, una pseudociència. L’astrobiologia intenta respondre a preguntes tan apassionants com:
– ¿Què és la vida?
– Com va aparèixer la vida a la Terra?
– Com evoluciona, es desenvolupa la vida i quina és la seva adaptabilitat?
– Quin és el futur de la vida a la Terra i altres llocs?
– Existeix vida en altres móns?

No, ni això és un marcià ni es astrobiologia. Font

QUÈ ÉS LA VIDA?

Encara que sembli una pregunta banal, la vida no és fàcil de definir. Aparentment podem reconèixer si els éssers són vius o no si realitzen certes funcions i posseeixen certes característiques:

  • Nutrició: obtenen energia de l’exterior per mantenir el seu medi intern constant (homeòstasi).
  • Reproducció: poden crear còpies de si mateixos
  • Relació: es relacionen amb el medi i altres éssers vius
  • Organització: els éssers vius estan formats per una o més cèl·lules.
  • Variació: la variabilitat entre individus permet a les espècies evolucionar.

Els problemes comencen quan trobem éssers que no compleixen totes les característiques. L’exemple més clàssic serien els virus: són incapaços de reproduir-se per si mateixos i no tenen estructura cel·lular. Un altre exemple serien els eritròcits (glòbuls vermells) de mamífers, cèl·lules sense material genètic ni mitocondris.

Microfotografia amb microscopi electrònic del virus de l’Èbola (Foto pública de la CDC)

QUÈ ES NECESSITA PER QUE EXISTEIXI VIDA?

Només coneixem un tipus de vida: el terrestre. És per això que els astrobiòlegs necessiten prendre-ho com a referència per saber què buscar en altres llocs. Podrien existir altres formes de vida diferents a les terrestres? Potser, però seria gairebé impossible reconèixer-les. Si no saps què busques, pot ser que ho trobis però no te n’adonis.

Es considera que perquè aparegui i es desenvolupi la vida es necessita:

  • Un líquid on tinguin lloc reaccions químiques: a la Terra, és l’aigua.
  • Un element amb facilitat per formar compostos estables: a la Terra, és el carboni.
  • Una font d’energia: a la Terra, és el Sol.

Partint d’aquesta base, es busquen planetes o satèl·lits amb aquestes característiques, tot i que no es descarten altres possibilitats com metà líquid (és el cas de Tità, satèl·lit de Saturn), età, àcid sulfúric, amoníac o àcid acètic com a solvent, o formes de vida basades en altres elements com el silici, una constant en relats de ciència-ficció.

Representació artística dels llacs de metà de Tità. Crèdit: Steven Hobbs

QUÈ ES NECESSITA PERQUÈ ES MANTINGUI LA VIDA?

El cos celest en qüestió també ha de complir una sèrie de característiques perquè la vida es pugui mantenir:

  • Abundància d’elements químics com el carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen per formar compostos orgànics.
  • Que el planeta/satèl·lit es trobi dins de la zona d’habitabilitat de la seva estrella. Resumidament, que orbiti a una distància que permeti unes temperatures ni molt altes ni molt baixes.
Zona d’habitabilitat (verd) segons la temperatura de l’estrella. Vermell: massa calenta, blau: massa fred. Font: NASA / Missió Kepler / D. Berry 
  • Una font d’energia suficient per mantenir la temperatura i permetre la formació de molècules complexes.
  • Una gravetat adequada per mantenir una atmosfera i no aixafar als éssers vius del planeta
  • Que el planeta tingui un camp magnètic per desviar la radiació incompatible amb la vida provinent de la seva estrella.
El camp magnètic terrestre protegeix la vida del vent solar. Font: ESA

 En el nostre Sistema Solar, els candidats que possiblement compleixen aquestes característiques són Mart, Europa i Ganimedes  (satèl·lits de Júpiter), Encèlad i Tità (satèl·lits de Saturn) i Tritó (satèl·lit de Neptú).

PER QUÈ EL CARRBONI?

Els éssers vius estem formats per cèl·lules, i aquestaes al seu torn, si anem reduint la escala, de molècules i àtoms (com tota la matèria). Per què la vida està basada en el carboni?

En realitat, en la constitució dels organismes intervenen 26 elements, però el 95% de la matèria viva es compon de carboni (C), hidrogen (H), nitrogen (N), oxigen (O), fòsfor (P) i sofre (S). Podem imaginar-los com els “maons de la vida”: combinant aquestes peces bàsiques, podem obtenir organismes complexos. Aquests maons poden unir-se a altres mitjançant enllaços covalents. Metafòricament, els àtoms els podem imaginar com esferes amb mans els quals es poden agafar a altres mans lliures. Per exemple, la principal molècula de font d’energia per a tots els éssers vius és l’ATP (trifosfat d’adenosina), de fórmula C10H16N5O13P3.

 

enlaces químcos, moléculas, sulphur, phosphorus, hidrogen, oxigen, carbon, nitrogen, chemical bond
Representació esquemàtica dels àtoms de carboni, hidrogen,oxigen, nitrogen, fòsfor i les seves valències (enllaços possibles). Producció pròpia basada en la figura 6.3 de “La vida en el espacio” (veure referències)

 

L’element candidat a sustentar la vida hauria de ser un element abundant, capaç de formar gran quantita td’enllaços am si mateix i amb altres elements. Dels 5 elements més abundants a l’univers:

  • Heli:  no forma compostos.
  • Hidrogen i oxigen: tenen 1 i 2 mans, de manera que només poden formar compostos molt senzills.
  • Nitrogen: pot unir-se a 3 àtoms, però no es coneixen cadenes de diversos àtoms de nitrogen.
  • Carboni: té 4 mans, per la qual cosa pot unir-se fortament amb altres carbonis amb enllaços simples, dobles, o triples. Això li permet formar cadenes llarguíssimes i estructures tridimensionals i encara li poden “sobrar” mans amb les quals unir-se a nitrogen, oxige, sofre, fòsfor i hidrogen. Aquesta versatilitat permet construir molècules químicament actives i complexes, justament la complexitat que fa possible la vida.
estructura química de l'ADN, molècules
Estructura química de l’ADN, on es pot observar la importància de la capacitat del carboni de formar llargues cadenes i anells. Font

Podria haver vida en un altre lloc basada en un àtom diferent?

ALTERNATIVES AL CARBONI

EXTRATERRESTRES DE SILICI

Com establir 4 enllaços és tan útil, el silici és el primer candidat pel qual aposten astrobiòlegs i escriptors de ciència ficció, encara que no sigui tan abundant com el carboni. El silici (Si) també pot formar 4 enllaços i és abundant en planetes rocosos com la Terra, però…

  • L’enllaç Si-Si és bastant feble. En un medi aquós, la vida basada en silici no es mantindria durant molt de temps ja que molts compostos es dissolen en ella, encara que podria ser possible en un altre mitjà, com nitrogen líquid (Bains, W.).
  • És molt reactiu. El silà per exemple (equivalent del metà, però enlloc de carboni amb un àtom de silici) crema espontàniament a temperatura ambient.
  • És sòlid a la majoria de temperatures. Forma molt fàcilment estructures amb l’oxigen (sílice o diòxid de silici), però el resultat gairebé sempre és un mineral (quars): massa simple i només reacciona fos a 1000ºC.
  • No forma cadenes ni xarxes amb si mateix, per la seva major grandària respecte el carboni. De vegades forma cadenes llargues amb oxigen (silicones), a les que potser es podrien unir a altres grups per formar molècules complexes. Justament l’extraterrestre de la pel·lícula Alien, el vuitè passatger posseeix teixits de silicona. Els éssers formats per silicones serien més resistents, la qual cosa porta a especular quin tipus de condicions extremes podrien suportar.
Horta, una forma de vida basada en el silici apareguda a la sèrie de ciència ficció Star Trek. Font

EXTRATERRESTRES DE NITROGEN I FÒSFOR

Vegem algunes característiques del nitrogen i fòsfor per separat:

  • Nitrogen: només pot formar 3 enllaços amb altres molècules i és poc reactiu.
  • Fòsfor:  els seus enllaços són febles i els enllaços múltiples poc comuns, encara que pot formar llargues cadenes. El problema és que és massa reactiu.

Combinant els dos, es podrien obtenir molècules estables, però els éssers basats en nitrogen i fòsfor tindrien altres problemes: els compostos de nitrogen, dels quals haurien d’alimentar-se, no es troben en suficient quantitat en els planetes i el cicle biològic no seria favorable energèticament parlant.

EXTRATERRESTRES DE BOR, SOFRE I ARSÈNIC

Les bioquímiques més improbables podrien basar-se en aquests elements:

  • Bor: pot formar cadenes llargues i unir-se a altres elements com el nitrogen, hidrogen o carboni.
  • Sofre: pot formar cadenes llargues, però per la seva grandària és altament reactiu i inestable.
  • Arsènic: és massa gran pa ra formar compostos estables, tot i que les seves propietats químiques són semblants a les del fòsfor.

El 2010, la revista Science va publicar un estudi en el qual s’afirmava haver descobert un bacteri (GFAJ-1) capaç de viure només d’arsènic, letal per a qualsevol ésser viu. Trencava el paradigma de la biologia en no fer servir el fòsfor (recordeu l’ATP i l’estructura de l’ADN) i obria noves vides d’estudi per a l’astrobiologia. El 2012, dues investigacions independents refutaven la teoria de la investigadora Felisa Wolfe-Simon i el seu equip. El fòsfor segueix sent essencial perquè els organismes puguin viure i desenvolupar-se en la Terra.

El bacteri GFAJ-1. Font

De moment, aquestes bioquímiques hipotètiques no són més que especulacions, de manera que els astrobiòlegs continuen buscant vida basada en el carboni, encara que ja sabem que la ciència mai ens deixa de sorprendre. Encara que poguéssim identificar vida basada en altres elements, si algun dia trobem vida extraterrestre (o viceversa) la revolució serà tan gran que encara que sigui basada en el carboni, donarà molt que parlar.

REFERÈNCIES

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