Arxiu d'etiquetes: terra

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

SaveSave

SaveSave

SaveSave

SaveSave

SaveSave

Tardígrads: Animals amb superpoders

Els óssos més petits del món tenen capacitats dignes de superherois. En realitat, no són óssos pròpiament dits: els óssos d’aigua en realitat són els tardígrads. Són animals invertebrats pràcticament indestructibles: sobreviuen dècades sense aigua ni aliment, a temperatures extremes i fins i tot han sobreviscut a l’espai exterior. Coneix l’animal que sembla arribat d’un altre planeta i aprèn a observar-lo a casa teva si disposes d’un microscopi.

QUÈ ES UN TARDÍGRAD?

Oso de agua (Macrobiotus sapiens) en musgo. Foto coloreada tomada con microscopio electrónico de barrido (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes
Ós d’aigua (Macrobiotus sapiens) a sobre de molsa. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM): Foto de Nicole Ottawa & Oliver Meckes

Els tardígrads o óssos d’aigua, són un grup d’invertebrats de 0,05-1,5 mm que viuen preferiblement en llocs humits. Són especialment abundants en la pel·lícula d’humitat que recobreix molses i falgueres, encara que no falten espècies oceàniques i d’aigua dolça, per la qual cosa podem considerar que viuen arreu del món. Fins i tot a escassos metres de tu, entre rajola i rajola. En un gram de molsa s’han arribat a trobar fins a 22.000 exemplars. S’han trobat a l’Antàrtida a sota de capes de 5 metres de gel, en deserts càlids, en fonts termals, en muntanyes de 6.000 metres d’altura i a profunditats oceàniques abissals. Es tracta doncs d’animals extremòfils. Es calcula que existeixen més de 1.000 espècies.

MORFOLOGIA

El seu nom popular fa referència al seu aspecte i el científic a la lentitud dels seus moviments. Tenen el cos dividit en 5 segments: el cefàlic, on tenen la boca en forma de trompa (probòscide) amb dos estilets interns i en ocasions ulls simples (ommatidis) i pèls sensorials, i els 4 restants amb un parell de potes per segment. Cada pota té urpes per ancorar-se al terreny.

Vista ventral de un tardígrado donde seobservan los cinco segmentos del cuerpo. Foto de Eye Of Science/Photo LIbrary
Vista ventral d’un tardígrad on s’observen els cinc segments del cos. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library
Tardigrade. Coloured scanning electron micrograph (SEM) of a freshwater tardigrade or water bear (Echiniscus sp.). Tardigrades, are tiny invertebrates that live in coastal waters and freshwater habitats, as well as semi-aquatic terrestrial habitats like damp moss. They require water to obtain oxygen by gas exchange. In dry conditions, they can enter a cryptobiotic tun (or barrel) state of dessication to survive. Tardigrades feed on plant and animal cells and are found throughout the world, from the tropics to the cold polar waters.
Tardígrad (Echiniscus sp.) en el que es poden observar les urpes. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Observa en aquest vídeo de Craig Smith els moviments dels tardígrads amb més detall:

ALIMENTACIÓ

Gràcies als estilets de la seva boca, perforen els vegetals dels quals s’alimenten i succionen els productes de la fotosíntesi, però també es poden alimentar absorbint el contingut cel·lular d’altres organismes microscòpics com bacteris, algues, rotífers, nematodes… Alguns són depredadors i poden ingerir microorganismes sencers.

El seu aparell digestiu és bàsicament la boca i una faringe amb potents músculs per fer els moviments de succió que s’obre directament a l’intestí i l’anus. Algunes espècies només defequen quan muden.

Detalle de la boca de un tardígrado. Foto de
Detall de la boca d’un tardígrao. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

ANATOMIA INTERNA

No posseeixen aparell circulatori ni respiratori: l’intercanvi de gasos es fa directament per la superfície del cos. Estan coberts per una cutícula rígida que pot ser de diferents colors i que van mudant a mesura que creixen. Amb cada muda, perden els estilets bucals, que seran segregats de nou. Són organismes eutèlics: per créixer només augmenten la mida de les seves cèl·lules, no el seu número, que roman constant al llarg de la seva vida

REPRODUCCIÓ

Els tardígrads en general tenen sexes separats (són dioics) i es reprodueixen per ous (són ovípars), però també hi ha espècies hermafrodites i partenogénenètiques (les femelles es reprodueixen sense ser fecundades per cap mascle). La fecundació és externa i el seu desenvolupament és directe, és a dir, no presenten fases larvàries.

tardigrade egg, ou tardigrad
Ou de tardígrad. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

ELS RÈCORDS DELS TARDÍGRADS

Els tardígrads són animals increïblement resistents que han superat les següents condicions:

  • Deshidratació: poden sobreviure durant 30 anys en condicions de laboratori sense una sola gota d’aigua. Hi ha fonts que asseguren que resisteixen fins a 120 anys o que s’han trobat en gels de 2000 anys d’antiguitat i han pogut reviure, tot i que probablement siguin exageracions.
  • Temperatures extremes: si bulls 1 tardígrad, sobreviu. Si el sotmets a temperatures de gairebé el zero absolut (-273ºC), sobreviu. El seu rang de supervivència va de -270ºC a 150ºC.
  • Pressió extrema: són capaços de suportar des del buit fins a 6.000 atmosferes, és a dir, 6 vegades la pressió que hi ha al punt més profund de la Terra, la Fossa de les Marianes (11.000 metres de profunditat).
  • Radiació extrema: els tardígrads poden suportar bombardejos de radiació en una dosi 1000 vegades superior a la letal per un humà.
  • Substàncies tòxiques: si se’ls submergeix en èter o alcohol pur, sobreviuen.
  • Espai exterior: els tardígrads són els únics animals que han sobreviscut a l’espai exterior sense cap protecció. El 2007 l’ESA (Agència Espacial Europea), dins del projecte TARDIS (Tardigrades In Space) va exposar tardígrads (Richtersius coronifer i Milnesium tardigradum) durant 12 dies a la superfície de la nau Foton-M3 i van sobreviure al viatge espacial. El 2011 la NASA va fer el mateix col·locant-los a l’exterior del transbordador espacial Endeavour i es van corroborar els resultats. Van sobreviure al buit, als rajos còsmics i a una radiació ultraviolada 1000 vegades superior a la de la superfície terrestre. El projecte Biokis (2011) de l’Agència Espacial Italiana (ASI) va estudiar l’impacte d’aquests viatges a nivell molecular.

COM HO FAN?

Els tardígrads són capaços de resistir aquestes condicions tan extremes perquè entren en estat de criptobiosi quan les condicions són desfavorables. És un estat extrem d’anabiosi (disminució del metabolisme). Segons les condicions que han de suportar, la criptobiosi es classifica en:

  • Anhidrobiosi: en cas de deshidratació del medi, entren en “estat de barril” ja que adopten aquesta forma per reduir la seva superfície i s’emboliquen en una capa de cera per evitar la pèrdua de l’aigua per transpiració. Per evitar la mort de les cèl·lules, sintetitzen trehalosa, un sucre que substitueix a l’aigua del seu cos i manté intacta l’estructura de les membranes cel·lulars. Redueixen el contingut d’aigua del seu cos fins a només un 1% i seguidament detenen el seu metabolisme gairebé per complet (0,01% per sota del normal).

    Tardígrado deshidratado. Foto de Photo Science Library
    Tardígrad deshidratat. Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library
  • Criobiosi: en cas de sotmetre’s a baixes temperatures, l’aigua de gairebé qualsevol ésser viu cristal·litza, trenca l’estructura de les cèl·lules i l’ésser viu mor. Però els tardígrads utilitzen proteïnes que congelen bruscament l’aigua de les cèl·lules en forma de petits cristalls, de manera que aconsegueixen evitar el seu trencament.
  • Osmobiosi: es dóna en cas d’augment de la concentració salina del medi.
  • Anoxibiosi: en cas de manca d’oxigen, entren en un estat d’inactivitat en el que deixen el seu cos totalment estirat, de manera que necessiten aigua per mantenir-se turgents.

En el cas de les exposicions a les radiacions, que destruirien l’ADN, s’ha observat que els tardígrads són capaços de reparar el material genètic malmès.

Aquestes tècniques ja han estat imitades en camps com la medicina, conservant òrgans de rates per posteriorment “reviure’ls” i poden obrir altres vies de conservació de teixits vius i trasplantaments. També obren nous camps en l’exploració espacial de vida extraterrestre (astrobiologia) i fins i tot en l’exploració humana de l’espai per resistir llargs viatges interplanetaris, en idees de moment, més properes a la ciència ficció que a la realitat.

SÓN EXTRATERRESTRES?

L’escàs registre fòssil, el seu parentiu evolutiu poc clar i la seva gran resistència, van provocar hipòtesis que especulaven amb la possibilitat que els tardígrads hagin vingut de l’espai exterior. No es tracta d’una idea sense cap ni peus, encara que altament improbable. La panspèrmia és la hipòtesi per la qual la vida, o millor dit, les molècules orgàniques complexes, no es van originar a la Terra, sinó que van arribar gràcies a meteorits durant els inicis del Sistema Solar. De fet, s’han trobat meteorits amb aminoàcids (molècules indispensables per a la vida) en la seva composició, de manera que la panspèrmia és una hipòtesi que no es pot descartar encara.

Foto de Eye Of Science/Photolife Library
Foto acolorida presa amb microscopi electrònic d’escombratge (SEM). Foto de Eye Of Science/Science Photo Library

Però no és el cas dels tardígrads: el seu ADN és igual al de la resta d’éssers vius terrestres i els últims estudis filogenètics els emparenten amb els onicòfors (animals semblants a cucs), asquelmints i artròpodes. El que és fascinant és que és l’animal amb més ADN aliè: fins al 16% del seu genoma pertany a fongs, bacteris o arquees, obtinguts per un procés anomenat transferència genètica horitzontal. La presència de gens aliens a altres espècies animals no sol ser més de l’1%. Serà això el que li ha permès desenvolupar aquesta gran resistència?

VOLS BUSCAR TARDÍGRADS TU MATEIX I OBSERVAR-LOS EN ACCIÓ?

En ser tan comuns i habitar potencialment gairebé qualsevol lloc, si disposes d’un microscopi, per senzill que sigui, pots buscar i veure tardígrads vius amb els teus propis ulls:

    • Agafa un tros de molsa d’una roca o mur, millor si està una mica sec.
    • Deixa’l assecar al sol i neteja’l de terra i altres restes grans.
    • Posa’l a l’inrevés en un recipient transparent (com una placa de Petri), mulla’l amb aigua i deixa-ho reposar unes hores.
    • Retira la molsa i busca els tardígrads a l’aigua del recipient (posa-ho en un fons negre per veure més fàcilment). Si hi ha sort, amb una lupa els podràs veure movent-se
    • Agafa’ls amb una pipeta o comptagotes, col·loca’ls en el portaobjectes i a gaudir! Podries veure coses semblants a aquesta:

Mireia Querol Rovira

REFERENCIAS