La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

Posts Tagged ‘Abiogénesis’

El gas invernadero que resuelve la paradoja del joven Sol débil

Posted by Carlos en agosto 19, 2009

Los orígenes de la vida se remontan a hace más de 3 500 millones de años (3.5 Ga) según indica la evidencia fósil. Aunque los detalles del proceso distan mucho de estar claros y hay diferentes hipótesis al respecto, sí puede afirmase que las condiciones ambientales de temperatura y la disponibilidad de agua líquida fueron determinantes (si no para la aparición de la vida en sí, al menos para los primeros pasos de su evolución en lo que hoy vemos). De manera un tanto intrigante, la existencia de estas condiciones favorables plantea en sí misma un enigma: hace 3-4 Ga el Sol no era más que una jovencísima estrella que comenzaba su camino por la secuencia principal, y su brillo era menor que el actual, apenas un 70% del de hoy en día. De acuerdo con la Ley de Stefan-Boltzmann, la temperatura de un cuerpo negro es proporcional a la raíz cuarta de la energía que emite por unidad de área, lo que nos deja con una temperatura de 0,70,25 = 91% de la actual. La temperatura de la Tierra es a su vez proporcional a la del Sol -asumiendo que el radio de éste y la distancia a la que nos hallamos no varía- lo que quiere decir que si en la actualidad debería ser de unos 279K sin contar el efecto invernadero, por aquel entonces sería de apenas 255K, o lo que es lo mismo unos frígidos -18ºC. Incluso con concentraciones de gases invernadero como las actuales la temperatura no subiría por encima del punto de congelación del agua, en contra de lo que la evidencia muestra. Es lo que se conoce como la paradoja del joven Sol débil.

Evolución del sol.

Evolución del sol. Credit: Tablizer

Lógicamente, la composición de la atmósfera era muy diferente de la actual hace 3.5 Ga y la presencia de gases invernadero debió ser muy superior para permitir que la temperatura permaneciera por encima de 0ºC. El candidato más en boga era el socorrido CO2, pero ahora un reciente estudio conjunto del Tokyo Institute of Technology y de la Universidad de Copenague arroja un nuevo escenario dominado por otro gas: el sulfuro de carbonilo (OCS).

Carbonyl sulfide

El estudio en cuestión ha sido realizado por Yuichiro Ueno y colaboradores, lleva por título

y ha sido publicado esta semana en PNAS. Ueno et al. han analizado la distribución de isótopos sulfurosos en rocas del Arcaico. Dicha distribución depende de la intensidad de la fotolisis del SO2, la cual depende a su vez de la composición atmosférica en la Tierra primitiva, y en particular de los gases que puedan bloquear la radiación ultravioleta. De acuerdo con los modelos numéricos que han desarrollado, las concentraciones observadas son compatibles con una atmósfera rica en OCS. Este gas haría las veces de la actual capa de ozono, con un añadido especial: un potente efecto invernadero, mucho más efectivo que el del CO2 y capaz de compensar la reducida energía solar. Más aún, el OCS actúa como catalizador para la formación de péptidos, lo que resulta sumamente interesante desde el punto de vista de la abiogénesis.

La vida encontró pues un ambiente favorable para su desarrollo gracias a la disponibilidad de agua líquida como disolvente. Formas de vida más sofisticadas se fueron abriendo camino, y hace alrededor de 3 Ga surgieron los primeros organismos fotosintéticos. Con ellos empezó el proceso de enriquecemiento atmosférico de oxígeno (los volcanes superficiales también ayudaron). Paradójicamente este oxígeno reaccionó con el azufre volcánico, dificultando la regeneración de la capa de sulfato de carbonilo y produciendo otros aerosoles sulfúricosde sulfato que actuaron como refrigerantes atmosféricos. Este proceso acabaría por dar lugar durante el Paloproterozoico a la glaciación global que cubrió completamente de hielo y nieve a la superficie terrestre.

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Los “osos de agua” sobreviven a la exposición al ambiente espacial

Posted by Carlos en septiembre 9, 2008

La posibilidad de que haya formas de vida (o proto-vida) capaz de sobrevivir a un viaje espacial es un tema al que se le viene dando vueltas desde hace siglos. La hipótesis de la panspermia se basa precisamente en la idea de que la vida sobre la Tierra surgió a partir de la llegada de esporas o microorganismos de algún tipo en cometas o meteoritos. Para que un viaje de estas características fuera posible es preciso que se den tres circunstancias: (1) que los organismos en cuestión sobrevivan al lanzamiento al espacio, (2) que sobrevivan al viaje, y (3) que sobrevivan a la reentrada en el planeta destino. Los puntos (1) y (3) son bastante dependientes de las condiciones particulares en las que se produce el lanzamiento/llegada, y no es descabellado suponer que existe la posibilidad de que bien sea a través de impactos meteoríticos, o simplemente a través de un programa espacial (la contaminación de las sondas es algo que se toma muy en serio por las agencias aerospaciales; considérese por ejemplo el caso de la sonda Galileo, que fue lanzada contra Júpiter para evitar la contaminación accidental de Europa), se pueda producir la transferencia de formas de vida. Por supuesto, siempre y cuando se salve el punto (2), la supervivencia en el espacio exterior durante el viaje.

La supervivencia en el vacío espacial es extremadamente difícil para las formas de vida terrestre, como es fácil imaginar. Los organismos que se vieran expuestos a este ambiente tendrían que hacer frente a la microgravedad, temperaturas extremas (de apenas unos 4ºK en el espacio profundo, mayor -e incluso potencialmente letal- si hay exposición directa a la luz solar), presiones ínfimas (del orden de 10-14 Pa, aproximadamente 10-19 atmósferas), y altas dosis de radiación ionizante (al menos tres órdenes de magnitud superior a la que se recibe en la superficie terrestre). Existen diversos extremófilos que pueden soportar algunas de estas condiciones, pero sobrevivir a la combinación de todas ellas durante un periodo potencialmente muy largo de tiempo es indudablemente un desafío biológico. Este desafío es incluso superior si en lugar de microorganismos unicelulares simples consideramos organismos pluricelulares. Pues bien, sorprendentemente parece haber organismos capaces de sobrevivir en estas hostiles circunstancias, tal como K. Ingemar Jönsson y 4 colaboradores, de las Universidades de Kristianstad, Sttutgart y Estocolmo, acaban de mostrar en un artículo titulado

recién aparecido en Current Biology. El estudio de Jönsson et al. se centra en los tardígrados, popularmente conocidos como “osos de agua” (hay un par de páginas muy buenas con fotografías y películas sobre tardígrados aquí y aquí). Se trata de unos pequeños invertebrados de hasta 1.2 mm de tamaño que constituyen un filo propio, y que tienen la curiosa propiedad de ser eutélicos, i.e., todos los individuos adultos de una cierta especie tienen el mismo número de células (hasta 40,000 en algunas especies). Son ovíparos, tienen reproducción sexual, y una resistencia extrema: pueden soportar (al menos temporalmente) temperaturas de +151ºC a -271ºC, altísimas dosis de radiación, presiones de hasta 6000 atmósferas, y pueden permanecer en estado criptobiótico durante años.

Tardigrado (Hypsibius dujardini). Micrografia por Bob Goldstein

Tardígrado (Hypsibius dujardini)

El estudio de Jönsson et al. se ha realizado en el contexto de la misión Foton-M3 de la ESA, y tiene el sugerente acrónimo geek de TARDIS (Tardigrades in Space). Hay un blog en el que los investigadores dan cuenta de las novedades del proyecto. Durante 10 días dos especies de tardígrados –Richtersius coronifer y Milnesium tardigradum– han estado expuestos al vacío en una órbita terrestre baja, y a dos espectros diferentes de radiación ultravioleta (280-400nm y 116.5-400nm). Mientras que la exposición al vacío no ha parecido tener efectos en la supervivencia de los tardígrados, la exposición a la radiación UV -especialmente en el espectro más amplio- produjo una considerable mortandad en los animales. No obstante, algunos especímenes de M. tardigradum fueron capaces de sobrevivir en estas condiciones, soportando (en estado desecado) una dosis de radiación de 7000 kJ/m2.

El mecanismo por el que estos organismos son capaces de soportar estas condiciones de desecación y radiación no está claro, y se presume la existencia de algún sistema de reparación del ADN dañado. En cualquier caso, dado que estas condiciones no se presentan en la Tierra, debe concluirse que son un efecto secundario de su adaptación criptobiótica. Realmente apasionante.

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Autocatálisis y sistemas autorreplicantes artificiales

Posted by Carlos en agosto 29, 2008

Sopa prebiótica (ilustración de Jac Depczyk)

Sopa prebiótica (ilustración de Jac Depczyk)

La autorreplicación no es sólo uno de los ingredientes fundamentales de la vida, sino que la precede y eventualmente da lugar a la misma. Así, las diferentes hipótesis planteadas sobre el origen de la vida -dispares en sí la genética precedió al metabolismo o no, o en si la proto-vida se desarrolló en medio de los océanos o en superficies minerales submarinas o subterráneas, por citar algún ejemplos- coinciden en la aparición de sistemas autorreplicantes o autocatalíticos. Contrariamente a lo que pueda pensarse, un sistema de estas características no ha de ser de manera forzosa extremadamente complejo, y de hecho se han podido conseguir en el laboratorio en la última década. Véase por ejemplo el trabajo de Natasha Paul y Gerald F. Joyce, del Scripps Research Institute, titulado

publicado en Current Opinión in Chemical Biology en 2004. Lo interesante de los sistemas autorreplicantes es que pueden explotar el entorno hasta dominarlos completamente. Un buen ejemplo es el proporcionado por Douglas Philp, de la Universidad de St Andrews. En un trabajo de 2006 con Eleftherios Kassianidis titulado

y publicado en Angewandte Chemie International Edition, mostraron una molécula que actuaba como plantilla para su propia replicación. Lo más interesante sin embargo es que si se da la composición química adecuada, incluso sin la presencia de la molécula en cuestión, el proceso se pone en marcha, llegando un momento en el que la sopa química está compuesta casi exclusivamente por copias de dicha molécula. Estos resultados han sido presentados la última reunión nacional de la American Chemical Society, celebrada en Filadelfia del 17 al 21 de agosto, en una comunicación que tiene por título

El trabajo, realizado conjuntamente por Douglas Philp y Jan Sadownik, un miembro de su grupo, describe como cuando en una sopa química formada por 24 aldehídos se añade una cierta maleimida, se dispara una reacción autocatalítica en relación con la molécula señalada anteriormente. A pesar de que las posibilidades de interreacción entre los compuestos de la mezcla son inmensas, esta reacción domina totalmente la dinámica del sistema, amplificando la especie autorreplicante hasta una proporción 15:1 (i.e., el 93% de la sopa química). En palabras del propio Philp, “esto muestra que se puede extraer orden del caos“.

Esta investigación no sólo da pistas sobre los procesos autocatalíticos que pudieron dar lugar al origen de la vida, sino que puede resultar de gran interés también en relación al diseño de sistemas para la producción bajo demanda de compuestos químicos específicos, una suerte de ingeniería molecular a través de sistemas autorreplicantes artificiales que podrían ser controlados a través de las especies presentes en la sopa química primordial. Se trata sin duda de uno de los grandes desafíos de la química moderna para los próximos años.

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