16/Oct/05

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Los bloques de construcción de la vida son comunes en el espacio

(Astroseti, Universe Today) - Reproduciendo las condiciones extremas del frío espacio interestelar, científicos del Centro de Investigación Ames de NASA han demostrado que las moléculas aromáticas que contienen nitrógeno, compuestos químicos que podrían ser importantes para el origen de la vida, están dispersos por todas partes en el espacio.

Combinando experimentos de laboratorio con simulaciones por ordenador, este equipo ha demostrado recientemente que las moléculas orgánicas complejas conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) están dispersos por todo el espacio. Los PAHs, moléculas grandes, planas y con forma de cable, las cuales están hechas de hidrógeno y carbono y son extremadamente estables, pueden resistir los ambientes de radiación hostil del espacio interestelar. El equipo de Ames demostró que los PAHs son los responsables de la misteriosa radiación infrarroja que los astrónomos llamaron "Emisión Infrarroja No Identificada".

El Telescopio Espacial Spitzer de NASA, un instrumento con una sensibilidad sin precedentes, ha detectado ahora la firma que delata a los PAH a través de nuestra galaxia, la Vía Láctea y en galaxias mucho más lejanas, galaxias casi tan antiguas como el mismo Universo. Ahora el equipo de Ames ha encontrado que estos PAHs contienen nitrógeno, un elemento bioquímico clave.

Doug Hudgins, autor principal del estudio, apunta: "Los hidrocarburos aromáticos que contienen nitrógeno no sólo están en las moléculas que transportan información en el ADN y ARN que forman toda la materia viviente tal y como la conocemos, sino que también se encuentran en muchas especies biológicas importantes. Por ejemplo, la cafeína y el principal ingrediente del chocolate están entre estos tipos de moléculas. Encontrar su frma a lo largo del Universo nos dice que estaban accesibles para jóvenes planetas habitables practicamente en cualquier sitio".

Esta es la primera evidencia directa de la presencia de compuestos biogénicos complejos, importantes prebióticamente, en el espacio y nos deja a un pequeño paso de evaluar si el origen de la vida en la Tierra puedo tener la ayuda de polvo espacial atraído por la gravedad. La gran mayoría de las pruebas astronómicas apuntan a la formación de este nitrógeno contenido en los PAHs en los vientos de estrellas moribundas que lo inyectaron en el espacio interestelar. Finalmente sería incorporado a las nubes de materia que dan origen a estrellas y planetas. Los planetas recién formados continúan recolectando material atraído por la gravedad (polvo, asteroides, meteoritos y cometas) del proceso de formación estelar y la vida en la Tierra se piensa que emergió de esta sopa química primordial.

La teoría científica más común para el origen de la vida en la Tierra es que en algún lugar el vasto, pero simple, conjunto de recursos químicos disponibles de la joven Tierra, se vio favorecido por las condiciones para la formación de compuestos químicos más complejos y procesos químicos que finalmente llevaron a la vida. Sin embargo, esta teoría se originó en un momento en que se pensaba que el espacio estaba vacío de orgánica compleja, dado que la radiación interestelar es demasiado severa, las distancias demasiado grandes, y los choques violentos demasiado frecuentes para soportar una química compleja, dejando como únicos supervivientes grandes moléculas y su transporte a la superficie planetaria.

En un total contraste con esta imagen, este nuevo trabajo demuestra que los primeros pasos que se creían importantes para el origen de la vida no requieren un planeta formado con anterioridad para tener lugar. En lugar de esto, algunos de los compuestos químicos están ya presentes en todo el espacio antes de que la formación planetaria tenga lugar y, si aterrizan en un entorno hospitalario, pueden ayudar a dar el salto inicial para el origen de la vida.

El equipo de NASA Ames desarrolló técnicas para medir la firma infrarroja del PAH bajo la condiciones que encontramos en el espacio; que no es poca cosa. En la Tierra estos compuestos están en forma sólida, en el espacio son gases, bajo el vacío, eléctricamente cargado, y muy fríos (cerca del cero absoluto -263° C).

"La huella infrarroja del PAH terrestre recuerda sólo de lejos la emisión del espacio. Sin embargo, cuando preparamos los PAHs tal y como están en el espacio la firma infrarroja cambió drásticamente y encajaban muy bien", dijo Lou Allamandola, científico espacial y jefe del equipo. Fue este buen resultado global el que estableció en gran medida la aceptación de los PAHs en el espacio y justificó la profunda investigación y el desarrollo de nuevas y potentes herramientas para abordar el problema.

Lo principal en este tema es la química computacional. "Dado que Ames es un Centro para la Excelencia en Tecnología de la Información, era natural ver si podíamos calcular la firma infrarroja de estas complejas moléculas. Nunca antes se había hecho algo parecido y, ahora con los datos del laboratorio disponibles, pudimos comprobar y afinar la exactitud de nuestros métodos", dijo Charles Bauschlicher, un renombrado químico computacional. "Ahora sabemos que los métodos computacionales funcionan muy bien, la gran ventaja que nos trae la química computacional es la capacidad de calcular el espectro de infrarrojo de los PAHs y especies relacionadas para las que no tenemos homólogos en el laboratorio. Puede imaginar que las estrellas no eyectan sólo elementos químicos que puedan ponerse en una botella y almacenarse en una estantería. Podemos calcular los espectros de estas esquivas moléculas", apunta Bauschlicher. Esta capacidad es clave para el nuevo trabajo sobre el que informamos aquí.

Cuando apareció el modelo PAH intentó satisfacer muchas observaciones realizadas a lo largo de los años 90 sobre los espectros de infrarrojos de mayor calidad, que fueron recibidos en la Tierra desde el Observatorio Espacial de Infrarrojos (Infrared Space Observatory, ISO), esto dio paso a nuevos retos. Analizando estos espectros, el astrónomo belga Els Peeters encontró pequeñas pero reales discordancias con los espectros de Ames. "Medimos los espectros infrarrojos completos de unos 55 objetos astronómicos distintos, muchos de los cuales no habían sido detectados antes. Encontramos que ninguno de los espectros de los procedentes de la base de datos de Ames podía reproducir los cambios regulares que veíamos que tenían lugar entre regiones interestelares muy antiguas y objetos astronómicos muy jóvenes conocidos como nebulosas planetarias", dijo Peeters. "Esta diferencia mostró que algo importante faltaba en el conjunto de datos de Ames y que nos decía algo sobre la evolución de los PAH", explicó Peeters.

"Éste fue el momento en que nos dimos cuenta que, químicamente, un átomo de nitrógeno podía fácilmente reemplazar a un átomo de carbono en la estructura hexagonal de un PAH", recuerda Hudgins, "pero no teníamos una pista sobre cómo podría esto alterar el espectro del PAH". También en ese momento fue cuando se unió al grupo el químico-físico experimental de Oklahoma Andrew Mattioda.

"Fueron días muy intensos", recuerda Mattioda, "con los espectros de PAH que habíamos estado usando como nuevas herramientas para analizar regiones a miles de años luz de distancia, increíblemente, las nuevas observaciones nos daban pistas sobre las estructuras de estas lejanas moléculas y las condiciones de los mismos objetos astronómicos. Nos preparamos para medir los espectros de todos los PAHs con nitrógeno PAHs (PANHs) que pudimos encontrar, pero no eran muchos y eran mucho más pequeños de lo que pensaron que serían en el espacio. Hay probablemente cientos de PANHs distintos en el espacio y nosotros sólo teníamos seis o siete de los más pequeños". Finalmente, el experimento de Mattioda demostró que los PANHs simples no podían resolver el problema descubierto Peeters.

En este momento fue cuando el poder computacional dio un paso adelante. Bauschlicher determinó los espectros de una variedad de especies que implicaban los PAHs para comprender los cambios que Peeters había encontrado. "Dado que podía analizar por ordenador los espectros de PAHs mucho mayores que nunca antes hubiesen sido sintetizado y también variar el emplazamiento del nitrógeno en estas grandes moléculas, algo imposible en el laboratorio, pudimos entonces investigar una gran número de variedades y tamaños de PAH", explicó Bauschlicher. "Con esto hemos demostrado que podemos reproducir tanto el rango de desplazamiento espectral que midió Els y las intensidades relativas que encontró incorporando profundidad N en la estructura de PAH", comenta en más detalle.

Este descubrimiento es profundo en varios niveles. "Primero, resuelve parte del largo misterio de la distribución de nitrógeno en el espacio, segundo, los PANHs tienen firmas en logitudes de onda de radio y ópticas que se pueden tener en cuenta para fenómenos astronómicos no explicados y tercero, estos compuestos son biogénicamente interesantes", resume Hudgins. "La mayoría de la gente tomará nota del posible papel en el origen de la vida, el punto de nuestra historia donde la química se convierte en biología, pero hay otras importantes implicaciones además de esta", continúa.

Hay cientos, si no miles de estas especies en el espacio, y éste es el principio en ver cómo estos tipos de compuestos son notablemente similares a muchos de los que llegan hoy a la Tierra a través de meteoritos y sus primos pequeños, las partículas de polvo interplanetario. Cada año más de cien toneladas de materiales extraterrestres caen sobre la Tierra, y mucho de este material está en forma de materia orgánica. En los inicios de la vida en nuestro Sistema Solar, antes de que los restos de esta formación fuesen limpiados por completo, estos materiales fueron depositados en la Tierra en mucha mayor cantidad de la que vemos hoy. De este modo, gran parte del material orgánico encontrado en la Tierra primigenia probablemente incluía una fuerte dosis de PANHs interestelares.

Allamandola reitera, "El hechizo se está rompiendo, ya que la química interestelar es sólo química de moléculas relativamente pequeñas y simples. Hace 20 años la noción de hidrocarburos aromáticos policíclicos en fase de gas abundantes en cualquier lugar del espacio interestelar se consideraba imposible. Ahora tenemos un mejor conocimiento, como las imágenes infrarrojas de la galaxia espiral M-81 tomadas por el Telescopio Espacial Spitzer. Los trazos rojos de la emisión de PANHs, moléculas interestelares en tamaño y, como clase, son más abundantes que todas las otras moléculas poliatómicas interestelares combinadas. Sólo estamos viendo la punta del iceberg en términos de complejidad molecular extraterrestre. Spitzer ha detectado la firma infrarroja PAH a lo largo de todo el Universo, incluso apenas unos pocos miles de millones de años después del Big Bang. Cuando se mira el Universo a través del filtro del cristal de los PAH está claro que los PAH en efecto se encuentran en todos los lugares y que vivimos en un Universo molecular".

Estos resultados están publicados en el actual número de Astrophysical Journal. Los autores y miembros del equipo incluyen a los doctores Hudgins, Bauschlicher, Mattioda, Peeters, y Allamandola del Centro de Investigación Ames de NASA.

Esta investigación es financiada por la División de Ciencia Espacial del Centro de Investigación Ames de NASA y las Oficinas de Exobiología, Long Term Space Astrophysics, y Astrobiología en las Oficinas Centrales de NASA, Washington, D.C.

El reciente desarrollo de la Exobiología y Astrobiología como campos de investigación interdisciplinarios ha unido a astrónomos y químicos, permitiendo el tipo de trabajo interdisciplinario descrito aquí proporcionando oportunidades que eran imposibles hace diez años.