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Investigadores controlan circuitos cerebrales a distancia usando luz infrarroja

Imagine el cerebro como una central de conmutación gigante cubierta con miles de botones, perillas, diales y palancas que controlan aspectos de nuestro pensamiento, emociones, comportamiento y memoria.

Durante más de un siglo, los neurocientíficos han estado encendiendo y apagando metódicamente estos interruptores, solos o en combinación, para tratar de comprender cómo funciona la máquina en su conjunto. Pero esto es más fácil decirlo que hacerlo. Los circuitos celulares que controlan la mente y el comportamiento se enredan en la masa opaca y gelatinosa de nuestro tejido cerebral y no vienen con prácticos interruptores de encendido/apagado para facilitar la ingeniería inversa.

Ahora, los científicos del Instituto de Neurociencias Wu Tsai de la Universidad de Stanford han desarrollado la primera técnica no invasiva para controlar circuitos cerebrales específicos en el comportamiento de animales a distancia. La herramienta tiene el potencial de resolver una de las mayores necesidades insatisfechas en neurociencia: una forma de probar de manera flexible las funciones de células cerebrales particulares y circuitos profundos en el cerebro durante el comportamiento normal, como ratones que socializan libremente entre sí.


La investigación fue publicada en marzo de 2022 en Nature Biomedical Engineering por Guosong Hong y sus colegas de Stanford y la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur. Hong es un becario de la facultad del Instituto de Neurociencias Wu Tsai y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería de Stanford que utiliza su experiencia en química y ciencia de materiales para diseñar herramientas y materiales biocompatibles para avanzar en el estudio del cerebro.

La técnica recientemente publicada se basa en los cimientos establecidos por la optogenética, una técnica desarrollada por primera vez en Stanford por Karl Deisseroth, afiliado de Wu Tsai Neuro, y colaboradores que introduce proteínas de algas sensibles a la luz en las neuronas para permitir que los investigadores las activen o desactiven en respuesta a diferentes colores de luz.

«La optogenética ha sido una herramienta transformadora en la neurociencia, pero existen limitaciones sobre lo que se puede hacer con las técnicas existentes, en parte debido a su dependencia de la luz en el espectro visible», dijo Hong. «El cerebro es bastante opaco a la luz visible, por lo que llevar la luz a las células que desea estimular normalmente requiere implantes ópticos invasivos que pueden causar daños en los tejidos y conexiones de fibra óptica montadas en el cráneo que dificultan el estudio de muchos tipos de comportamiento natural. »

Pensando como científico de materiales sobre las formas de superar estos desafíos, Hong reconoció que los tejidos biológicos, incluido el cerebro e incluso el cráneo, son esencialmente transparentes a la luz infrarroja, lo que podría hacer posible que la luz entre mucho más profundo en el cerebro.

Dado que las herramientas optogenéticas existentes no responden a la luz infrarroja, el equipo de Hong recurrió a una molécula que evolucionó para detectar la otra forma del infrarrojo: el calor. Al equipar de forma artificial neuronas específicas en el cerebro del ratón con una molécula sensible al calor llamada TRPV1, su equipo descubrió que era posible estimular las células modificadas al hacer brillar luz infrarroja a través del cráneo y el cuero cabelludo a una distancia de hasta un metro.

TRPV1 es el sensor de calor molecular que nos permite sentir el dolor relacionado con el calor, así como el ardor picante de un pimiento, cuyo descubrimiento condujo al Premio Nobel de Medicina 2021. Un receptor similar les da a las serpientes de cascabel y otras víboras de pozo la «visión de calor» que les permite cazar presas de sangre caliente en la oscuridad, y un estudio reciente logró darles a los ratones la capacidad de ver en el espectro infrarrojo al agregar TRPV1 a sus células cónicas retinales. .

La nueva técnica también se basa en una molécula «transductora» diseñada que se puede inyectar en regiones específicas del cerebro para absorber y amplificar la luz infrarroja que penetra a través del tejido cerebral. Estas partículas a nanoescala, denominadas MINDS (por Macromolecular Infrared Nanotransducers for Deep-brain Stimulation o «nanotransductores infrarrojos macromoleculares para la estimulación cerebral profunda» en español), funcionan un poco como la melanina en nuestra piel que absorbe los dañinos rayos UV del sol, y están elaborados a partir de polímeros biodegradables que se utilizan para producir orgánicos células solares y LED.

«Primero intentamos estimular las células solo con los canales TRPV1 y no funcionó en absoluto», dijo Hong. «Resulta que las serpientes de cascabel tienen una forma mucho más sensitiva de detectar señales infrarrojas de lo que podríamos manejar en el cerebro del ratón. Afortunadamente, teníamos la ciencia de los materiales para ayudarnos».

El equipo de Hong demostró por primera vez su técnica agregando canales TRPV1 a las neuronas en un lado de la corteza motora del ratón, una región que orquesta los movimientos del cuerpo, e inyectando moléculas MINDS en la misma región. Al principio, los ratones exploraron sus recintos al azar, pero cuando los investigadores encendieron una luz infrarroja sobre el recinto, los ratones inmediatamente comenzaron a caminar en círculos, impulsados por la estimulación unilateral de su corteza motora.

«Ese fue un gran momento cuando supimos que esto iba a funcionar», dijo Hong. «Por supuesto, fue solo el comienzo de validar y probar lo que esta tecnología podía hacer, pero a partir de ese momento estaba seguro de que teníamos algo».

En otro experimento clave, los investigadores demostraron que MINDS podría permitir la estimulación infrarroja de las neuronas a través de toda la profundidad del cerebro del ratón. Insertaron canales TRPV1 en las neuronas que expresan dopamina de los centros de recompensa del cerebro, que se encuentran cerca de la base del cerebro en ratones, seguidos de una inyección de MINDS en la misma región. Luego colocaron una luz infrarroja enfocada sobre uno de los tres brazos de un laberinto de brazos radiales estándar y mostraron que los ratones se volvieron «adictos» a la luz infrarroja invisible que hacía cosquillas en sus neuronas de dopamina, pasando casi todo el tiempo en el laberinto bajo sus haces.

Este experimento demostró que la nueva técnica hace posible estimular las neuronas en cualquier parte del cerebro a través del cuero cabelludo y el cráneo intactos, casi sin la dispersión de la luz que lo haría imposible con la luz en el espectro visual. Sorprendentemente, esto funcionó incluso cuando el haz de luz infrarroja se colocó hasta un metro por encima de las cabezas de los animales.

Hong ve aplicaciones inmediatas de la técnica para el creciente movimiento en neurociencia para estudiar los circuitos cerebrales involucrados en el comportamiento social natural en ratones para comprender mejor los sistemas que subyacen a la cognición social en humanos.

«Al igual que nosotros, los ratones son una especie social, pero estudiar el comportamiento natural de un animal dentro de un grupo social es un desafío con una cuerda de fibra óptica montada en la cabeza», dijo Hong. «Este enfoque hace posible por primera vez modular neuronas y circuitos específicos en animales que se comportan libremente. Uno podría hacer brillar una luz infrarroja invisible sobre un recinto con ratones coalojados para estudiar las contribuciones de células y circuitos particulares al comportamiento de un animal dentro del entorno de un grupo social.»

Hong y sus colaboradores continúan refinando la técnica para que sea más simple y fácil de implementar, dijo. «En el futuro, nos gustaría combinar nuestro enfoque actual de dos etapas en una sola máquina molecular, tal vez mediante la codificación de algún pigmento absorbente de infrarrojos en las propias neuronas que expresan TRP».

El trabajo es uno de varios enfoques en los que Hong está involucrado para hacer posible que los investigadores, y quizás algún día los médicos, modulen de forma no invasiva los circuitos neuronales en todo el cerebro. Por ejemplo, Hong y sus colegas también están desarrollando microesferas nanoscópicas que pueden convertir haces de ultrasonido enfocados en luz, y que pueden inyectarse directamente en el torrente sanguíneo, lo que hace posible apuntar optogenéticamente a células en cualquier parte del cerebro y cambiar este objetivo a voluntad dentro de un solo experimento.

«Los enfoques convencionales de neuromodulación nos dieron la capacidad de activar algunos de los interruptores a la vez en el cerebro para ver qué hacen los diferentes circuitos», dijo Hong. «Nuestro objetivo es llevar estas técnicas un paso más allá para brindarnos un control preciso sobre todo el panel de control al mismo tiempo».

Esta investigación fue financiada por una subvención del Instituto de Neurociencias Wu Tsai en Stanford, Stanford Bio-X y una beca interdisciplinaria de posgrado de Stanford; por una subvención de puesta en marcha de la Universidad Tecnológica de Nanyang y el Fondo de Investigación Académica del Ministerio de Educación de Singapur; y por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los NIH, la Fundación Rita Allen y la Fundación para la Atrofia Muscular Espinal.

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Fuente de la historia: Materiales proporcionados por la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford . Original escrito por Nicholas Weiler.
Referencia de la publicación: Xiang Wu, Yuyan Jiang, Nicholas J. Rommelfanger, Fan Yang, Qi Zhou, Rongkang Yin, Junlang Liu, Sa Cai, Wei Ren, Andrew Shin, Kyrstyn S. Ong, Kanyi Pu, Guosong Hong. Tether-free photothermal deep-brain stimulation in freely behaving mice via wide-field illumination in the near-infrared-II window. Nature Biomedical Engineering, 2022; DOI: 10.1038/s41551-022-00862-w

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Los meteoritos que contribuyeron a la formación de la Tierra pueden haberse formado en el exterior del Sistema Solar

Artículo sobre Sol asteroides cometas meteoritos disco protoplanetario planetas Tierra extrasolares astronomía Astrofísica

Se cree que nuestro Sistema Solar se formó a partir de una nube de gas y polvo, la llamada nebulosa solar, que comenzó a condensarse sobre sí misma por la gravedad hace unos 4.600 millones de años. Al mismo tiempo que esta nube se contraía, comenzó a girar y tomó la forma de un disco girando alrededor de la masa de mayor gravedad en su centro, que se convertiría en nuestro Sol. Nuestro sistema solar heredó toda su composición química de una estrella o estrellas anteriores que explotaron como supernovas. Nuestro Sol recogió una muestra general de este material a medida que se formaba, pero el material residual en el disco comenzó a migrar en función de su propensión a congelarse a una temperatura determinada.

Cuando el Sol se volvió lo suficientemente denso como para iniciar reacciones de fusión nuclear y convertirse en una estrella, recolectó una muestra general de este material mientras se formaba, pero los restos del disco unieron materiales sólidos para formar cuerpos planetarios en función de su propensión a congelarse a determinadas temperaturas.

A medida que el Sol irradiaba su energía hacia el disco circundante, creaba un gradiente de calor en el sistema solar primitivo. Por este motivo, los planetas interiores, Mercurio, Venus, la Tierra y Marte, son en su mayoría de roca (compuestos en su mayoría por elementos más pesados, como hierro, magnesio y silicio), mientras que los planetas exteriores están compuestos en gran parte por elementos menos densos, en especial hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno y oxígeno.

Se cree que parte de la Tierra se formó a partir de meteoritos carbonosos, que se pensó que provienen de asteroides del cinturón principal exterior. Las observaciones con telescopio de los asteroides del cinturón principal exterior revelan una característica de reflectividad común de 3,1 µm, que sugiere que sus capas exteriores contienen hielos de agua o arcillas amoniacales -o ambos-, solo estables a temperaturas muy bajas.

Curiosamente, aunque varias líneas de evidencia indican que los meteoritos carbonáceos se derivan de esos asteroides, los meteoritos recuperados en la Tierra por lo general carecen de esta característica. El cinturón de asteroides plantea muchas preguntas a los astrónomos y científicos planetarios.

Un nuevo estudio dirigido por investigadores del Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Instituto Tecnológico de Tokio indica que estos materiales asteroidales pueden haberse formado muy lejos en el Sistema Solar primitivo, y luego haber sido transportados al Sistema Solar interior por procesos de mezcla caóticos. En este estudio, una combinación de observaciones de asteroides utilizando el telescopio espacial japonés AKARI y el modelado teórico de las reacciones químicas en los asteroides indica que los minerales de la superficie presentes en los asteroides del cinturón principal externo, especialmente las arcillas que contienen amoníaco (NH3), se forman a partir de materiales iniciales que contienen NH3 e hielo de CO2, que son estables solo a muy baja temperatura y en condiciones ricas en agua. Con base en estos resultados, este nuevo estudio propone que los asteroides del cinturón principal exterior se formaron en órbitas distantes y se diferenciaron para formar una variedad de minerales en mantos ricos en agua y núcleos dominados por rocas.

Para comprender el origen de las discrepancias en los espectros medidos de meteoritos y asteroides carbonosos, utilizando simulaciones por computadora el equipo modeló la evolución química de varias mezclas primitivas plausibles, diseñadas para simular materiales asteroidales primitivos. Luego usaron estos modelos de computadora para producir espectros de reflectividad simulados para compararlos con los obtenidos con telescopios.

Sus modelos indicaron que para coincidir con los espectros de asteroides, el material de origen tenía que contener una cantidad significativa de agua y amoníaco, una cantidad relativamente baja de CO2, y reaccionar a temperaturas por debajo de los 70°C, lo que indica que los asteroides se formaron mucho más lejos que sus ubicaciones actuales en el sistema solar primitivo. Por el contrario, la falta de la característica de 3,1 µm en los meteoritos se puede atribuir a una reacción posiblemente más profunda dentro de los asteroides, donde las temperaturas alcanzaron valores más altos, por lo que los meteoritos recuperados pueden tomar muestras de porciones más profundas de los asteroides.

De ser cierto, este estudio sugiere que la formación de la Tierra y sus propiedades únicas resultan de aspectos peculiares de la formación del Sistema Solar. Habrá varias oportunidades para probar este modelo. Por ejemplo, este estudio proporciona predicciones sobre lo que encontrará el análisis de las muestras traídas por la sonda Hayabusa 2. Este origen distante de los asteroides, si es correcto, predice que habrá sales y minerales amoniacales en las muestras de Hayabusa 2. Los análisis de los materiales devueltos por la misión OSIRIS-Rex de la NASA proporcionarán una verificación adicional de este modelo. Este estudio también examinó si las condiciones físicas y químicas en los asteroides del cinturón principal exterior podrían formar los minerales observados. El origen frío y distante de los asteroides propuesto sugiere que debería haber una similitud significativa entre los asteroides y los cometas, y plantea preguntas sobre cómo se formó cada uno de estos tipos de cuerpos.

El estudio indica que los materiales que formaron la Tierra pueden haberse formado muy lejos en el Sistema Solar primitivo, y luego fueron atraídos durante la historia temprana especialmente turbulenta del sistema solar. Observaciones recientes de discos protoplanetarios que realizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) han encontrado muchas estructuras anilladas, que se cree que son observaciones directas de formación planetesimal. Como el autor principal, Hiroyuki Kurokawa, resume el trabajo: «Queda por determinar si la formación de nuestro sistema solar es un resultado típico, pero numerosas mediciones sugieren que pronto podremos ubicar nuestra historia cósmica en contexto».

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Contenido: Materiales proporcionados por el Instituto de Tecnología de Tokio.
Referencia del original: H. Kurokawa, T. Shibuya, Y. Sekine, BL Ehlmann, F. Usui, S. Kikuchi, M. Yoda. Formación a distancia y diferenciación de asteroides del cinturón principal exterior y cuerpos parentales de condritas carbonáceas. AGU Advances, 2022; 3 DOI: 10.1029/2021AV000568
Fuente: Instituto de Tecnología de Tokio. «Los meteoritos que ayudaron a formar la Tierra pueden haberse formado en el sistema solar exterior». Science Daily, marzo de 2022.

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¿Podría un cadáver sembrar vida en otro planeta?

Hay aproximadamente dos formas en que podrías imaginar un cadáver humano sembrando la vida en todo el cosmos. O entregando microbios vivos, o si todos los virus, bacterias y otros gérmenes murieron en la ruta, desatar la génesis de una vida completamente nueva. Ambas cosas, al parecer, son posibles

Un día, es inevitable que suceda. Un astronauta muere en el espacio. Tal vez la muerte ocurrió en el camino a Marte. Tal vez era un viajero interestelar, a bordo de una nave espacial, en solitario. O tal vez el cuerpo fue expulsado por una esclusa de aire: un entierro en el espacio.

Ese cadáver (o la nave espacial del cadáver) podría pasar desde décadas a millones de años a la deriva. Se deslizaría pasivamente por el vacío, hasta que los tentáculos de la gravedad por fin lo arrastraran a un toque final. Probablemente este cadáver se quemaría en una estrella.

Pero digamos que aterriza en un planeta. ¿Podría nuestro cadáver, como una semilla en el viento, darle vida a un mundo nuevo?

Viajeros microbianos

Hay aproximadamente dos formas en que podrías imaginar un cadáver humano sembrando la vida en todo el cosmos. O entregando microbios vivos, o si todos los virus, bacterias y otros gérmenes murieron en la ruta, desatar la génesis de una vida completamente nueva. Ambas cosas, al parecer, son posibles.

«Si la pregunta es ‘¿Hay un conjunto de posibles circunstancias por las cuales un cadáver podría liberar a un planeta microbios que podrían sobrevivir en el ambiente espacial?’, bueno, entonces diría que la respuesta es sí «, dice Gary King, un biólogo microbiano de la Universidad Estatal de Luisiana que estudia microbios que sobreviven en ambientes extremos.

King argumenta que nuestros cuerpos están plagados de microbios que ya sabemos que pueden sobrevivir vastos períodos de inmovilización; incluso en ambientes fríos y secos similares al espacio.

«Hemos extraído microbios del permafrost, y estamos hablando de organismos que sobrevivieron alrededor de un millón de años en animación suspendida. Especialmente si el viaje es cerca, como en Marte, las esporas bacterianas en el cuerpo humano sobrevivirán con seguridad», dice King. «También es posible que otras bacterias que no produzcas esporas puedan sobrevivir también». Estoy pensando en microbios como Deinococcus radiodurans, que sabemos que pueden sobrevivir con niveles bajos de agua y grandes cantidades de radiación ionizante».

Como King lo ve, hay tres factores principales que influyen en si un cadáver puede llevar o no su vida microbiana a otro planeta. El contenedor del cadáver, su entorno de almacenamiento, y su tiempo de vuelo.

Primero, si tu cadáver ha sido arrojado, no tienes suerte. «Si estás imaginando un cadáver en un traje espacial flotando en el espacio, puedo decirte en este momento que si es atraído por la gravedad del Planeta X, cualquier microbio superviviente simplemente se incineraría en la atmósfera. El cadáver definitivamente tendría que estar dentro de algo así como una nave espacial para esa supervivencia, e incluso entonces el reingreso podría ser bastante destructivo», dice King. Además, la nave espacial del cadáver tendría que abrirse durante o después del aterrizaje, así alguno de los microbios sobrevivientes tuviera alguna esperanza de propagarse.

En segundo lugar, debes considerar el almacenamiento del cadáver. Si el cadáver está flotando dentro de una nave espacial que de alguna manera mantiene una temperatura superior a la de congelación, lo que permite agua líquida, eso podría ser lo ideal. «Las bacterias también tienen límites reales con respecto a la rapidez con que pueden descomponer grandes cantidades de materia orgánica», dice King, «sin la presencia de animales como gusanos o escarabajos que ayudan en el proceso de descomposición, el cuerpo humano podría proporcionar combustible a innumerables generaciones de bacterias por muchos miles de años».

Pero este entorno poco probable puede que ni siquiera sea necesario. «Curiosamente, cuando los investigadores quieren mantener cultivos microbianos durante largos períodos de tiempo, básicamente congelan y secan a los organismos». Tomas tu cultivo, lo congelas, lo deshidratas y acabas con una pastilla que puedes enviar a las personas para que lo rehidraten y crezca. Dado que el espacio es una especie de congelador final, no es difícil imaginar por qué el entorno ambiental podría no ser tan malo para almacenar microorganismos», dice.

El factor más importante de todos podría ser el tiempo de vuelo del cadáver. «Entonces, viajar dentro del Sistema Solar está ciertamente dentro del ámbito de la supervivencia microbiana, asumiendo que el cadáver viaja a una velocidad similar a la de un satélite típico», dice King. «Pero si quieres hablar de escalas de tiempo más allá de eso, a los millones de años que podría tomar llegar a otro sistema estelar», como nuestro vecino estelar más próximo, Próxima Centauri, a 4,2 años luz de distancia, «entonces el factor limitador se convierte en la radiación». dice King.




Mientras más tiempo esté flotando su cadáver en el espacio, más radiación cósmica ambiental absorberá. La radiación suficiente acelerará el ADN y ARN de un organismo con mutaciones, «y a menos que esas mutaciones puedan repararse durante el tránsito a una velocidad igual a las mutaciones que está acumulando, entonces la supervivencia se vuelve cuestionable», dice King. «Cuando hablas de más de un millón de años con poco blindaje contra la radiación, entonces diría que estamos hablando de una posibilidad muy limitada de supervivencia microbiana. Pero no diré que es imposible, si solo necesitas uno de la gran cantidad de microbios en el cuerpo humano que sobreviva al viaje».

Química corporal

De acuerdo, supongamos que nuestro cadáver hace el viaje, pero cada uno de los microbios que lleva aferrados perecen en el camino. Tal vez la escala de tiempo fue, simplemente, demasiado grande. Tal vez nuestro cadáver ha estado flotando durante varios miles de millones de años, superando no solo la duración de su último microbio irremediablemente irradiado, sino de la Tierra misma.

¿Podría nuestro cadáver, sin vida pero cargado con sus aminoácidos y grasas, sus proteínas y carbohidratos, poner en marcha una forma de vida completamente nueva?

Tanto Jack Szostak, un genetista ganador del Premio Nobel en la Escuela de Medicina de Harvard, como Lee Cronin, un químico que estudia la génesis de la vida en la Universidad de Glasgow, están de acuerdo. El cadáver simplemente podría, pero las condiciones tendrían que ser ideales.

«Las moléculas liberadas del astronauta en descomposición podrían potenciar un nuevo origen [de la vida] si las condiciones ambientales fueran casi perfectas para que la vida comenzara, pero solo faltaban unos pocos ingredientes o estaban presentes en concentraciones demasiado bajas», escribe Szostak. en un correo electrónico a la revista Astronomy. En otras palabras, el cadáver sería un poco como un fósforo, no toda la hoguera.

Seguramente, Szostak mencionará que «si hablamos de una célula muy simple, siguiendo las líneas de las protoceldas que [surgieron en] el comienzo de la vida en la tierra, las moléculas del astronauta» por sí solas serían irremediablemente insuficientes. En otras palabras, las moléculas del cadáver por sí solas no podrían recombinarse para formar un organismo vivo.

¿Por qué? Szostak argumenta que hay ciertos tipos de moléculas, como bloques de construcción de ADN llamados trifosfatos, que él cree que son absolutamente esenciales para crear una nueva vida similar a la Tierra, y sabemos que estas moléculas frágiles se habrían descompuesto químicamente en nuestro astronauta con suficiente tiempo. En cambio, tales moléculas tendrían que estar presentes en cualquier planeta en el que se estrellara la nave del cadáver.

Cronin está de acuerdo en que un cadáver humano casi podría ser visto «como una especie de paquete inicial de química para iniciar la [génesis] de una nueva vida», dice. «Pero tendrías que considerar algunos factores».

«Primero, ¿cuántos cadáveres necesitarías realmente que lleguen a un planeta para asegurarte de que estadísticamente tienes suficientes elementos orgánicos para que las cosas se muevan?», Pregunta. «Imagina un gran planeta con un océano, si tienes un único cadáver que se disuelve en uno o dos segundos, y la química se extiende muy, muy poco, bueno, es muy difícil imaginar que ese cadáver pueda ayudar al proceso», dice. Mejor, argumenta Cronin, serían múltiples cadáveres. Tal vez algo así como una tripulación completa y condenada. Una que de alguna manera logró aterrizar en algún lugar tal como un charco poco profundo donde al ser expulsados los cadáveres, la química podría mantenerse unida.

Pero es posible. «Y quién sabe», dice Cronin, quien reflexiona que «hipotéticamente hablando, no es imposible imaginar que la vida en la Tierra podría haber comenzado a través de un proceso similar».

Esta publicación apareció originalmente en Astronomy.com.

Fuente: Discover Magazine. Aportado por Eduardo J. Carletti

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