Las estrellas que explotaron ¿hicieron pedazos el espejo de nuestra vida?

El señor Spock se está muriendo. Afortunadamente para la tripulación de la USS Enterprise, el Spock en cuestión no es el real sino una versión especular perversa creada por un imprevisible desperfecto del teletransportador. Este Spock al revés sólo puede digerir dextro-aminoácidos, pero, al igual que toda la materia orgánica, la comida que lo rodea está formada por levo-aminoácidos. Se está muriendo de hambre en medio de la abundancia

Este argumento de la novela de 1970 ¡Spock debe morir! -el primer espín-off literario de la serie de televisión Viaje a las Estrellas– pone en relieve uno de los misterios fundamentales de la vida. ¿Por qué la biología utiliza sólo una de las dos formas especulares que poseen las moléculas más complejas? La última respuesta vincula a la astrofísica, la física de partículas y la bioquímica en una proposición sorprendente: las culpables serían las explosiones estelares conocidas como supernovas.

«Es una idea interesante», dice Daniel Glavin, un astrobiólogo del Goddard Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. Ciertamente, es un giro novedoso en el más retorcido de los cuentos: la historia de cómo la vida llegó a ser zurda.

La lateralidad, conocida por los químicos como quiralidad, es una característica de muchas moléculas cuya disposición de átomos no es completamente simétrica. Una molécula quiral se presenta en dos formas que son como un par de guantes. Los guantes derecho e izquierdo son idénticos en lo esencial, con los mismos componentes básicos, cuatro dedos y un pulgar, y la misma función de mantener las manos cómodas y protegidas. Sin embargo, no son exactamente lo mismo: no se puede girar o voltear un guante de un tipo para superponerlo perfectamente con el otro. Pero mírelo en un espejo y un guante izquierdo se convertirá en un guante derecho.

Las formas moleculares en espejo se llaman enantiómeros. Están constituidas por los mismos átomos y tienen idénticas propiedades físicas y químicas. La mayoría de las reacciones químicas producen cantidades iguales de las dos formas.

Esto hace que la predilección de la naturaleza por una forma -su «homoquiralidad«- sea aún más extraña. Solamente los levo o «l» aminoácidos forman las proteínas que proporcionan una estructura a nuestras células y que regulan sus funciones, y sólo los dextro o «d» azúcares tienen un rol activo en la bioquímica. Es como tener un cajón lleno con un solo tipo de guante, y negarse obstinadamente a usar el otro.

Giro estelar

Tal vez la homoquiralidad es el resultado de la asimetría de posibilidades en la historia temprana de la vida en la Tierra, amplificada por el tiempo y la evolución. En ese caso, uno podría esperar que no existiera, o incluso que existiera en forma invertida en otros lugares. Sin embargo, los escombros que sobraron de la construcción del Sistema Solar cuentan una historia diferente. «Para cada tipo de aminoácido que se encuentra en los meteoritos hay un predominio de las formas zurdas sobre las formas diestras de entre un 2 y un 18 %», dice Uwe Meierhenrich, de la Nice Sophia Antipolis University de Francia. «Nunca se encontró un exceso de formas diestras».

Esto por sí solo no prueba nada: los meteoritos podrían haberse contaminado cuando entraron en contacto con la superficie de la Tierra, antes de ser recogidos. Sin embargo, hay una fuerte implicancia de que el sesgo hacia la izquierda es anterior a la existencia de la vida, de nuestro planeta y de nuestro Sistema Solar, aunque la vida en la Tierra lo haya amplificado al máximo.

Entonces ¿es la asimetría simplemente una cuestión de física básica? Por supuesto ésa es una posibilidad, pero hay otras sugerencias atractivas también. Una de ellas se registró en 1998 cuando un equipo liderado por Jeremy Bailey de la Universidad de New South Wales en Sydney, Australia, descubrió en la nebulosa de Orión (una zona de formación de estrellas a 1.300 años luz de la Tierra) regiones impregnadas de luz infrarroja de polarización circular.

La luz se polariza circularmente cuando su campo eléctrico vibra en un plano que gira hacia la derecha o hacia la izquierda respecto a la dirección en la que viaja. En una nebulosa esta polarización se podría dar cuando los átomos y las moléculas (incluyendo a los aminoácidos) que flotan en nubes gaseosas dispersan la luz.

La luz polarizada circularmente interfiere con la distribución de electrones que unen a los átomos entre sí de tal manera que, dependiendo del modo en el que esté girando, puede romper selectivamente las moléculas en una u otra forma quiral. Las regiones de la nebulosa de Orión identificadas por Bailey y sus colegas podrían tener un exceso de uno de los dos tipos de aminoácidos. Una situación similar en la nube que formó nuestro Sistema Solar podría haber sido la semilla quiral que originó la vida asimétrica de la Tierra.

Es una posibilidad atractiva, pero tiene sus problemas. La destrucción selectiva de aminoácidos sólo se activa si la luz tiene la energía suficiente como para desencadenar las reacciones químicas necesarias, en la práctica haría falta la presencia de luz ultravioleta en lugar de la luz infrarroja, de menor energía, que se ve en la nebulosa de Orión. «Nadie ha detectado esta luz hasta ahora», dice Meierhenrich, aunque esto puede deberse a que las nubes de gas dispersan la luz ultravioleta con tanta eficiencia que muy poca llega a nuestros telescopios.

El nuevo escenario dibujado por Richard Boyd de la National Ignition Facility de Livermore, California, junto con Toshitaka Kajino y Takashi Osaka de la Universidad de Tokio, Japón, deja de lado a este problema. También comienza con una nube en la que las moléculas, incluidos los aminoácidos, ya se han formado. Pero no es la luz la catalizadora del cambio, sino el efecto combinado de inmensos campos magnéticos y vastos flujos de partículas de alta energía que se producen en la explosión de una supernova.

Una supernova por colapso nuclear, o supernova tipo II, se produce cuando una estrella masiva, una vez agotado su combustible, se derrumba por su propio peso en cuestión de segundos para formar una estrella de neutrones superdensa de sólo algunas decenas de kilómetros de diámetro. Este remanente genera un campo magnético increíblemente intenso, con líneas de campo que salen del polo norte y regresan al polo sur, como sucede con el campo magnético de la Tierra.

Los núcleos atómicos tienen una propiedad cuántica conocida como espín, que, en condiciones normales, se alinea con un campo magnético. El quid de la idea de Boyd es el efecto que tienen esos campos magnéticos sobre el núcleo del nitrógeno 14 de un aminoácido, donde el átomo de nitrógeno une al grupo amino (NH2) con el grupo carboxilo. Dentro de una molécula los espines de los átomos de nitrógeno no tienen la libertad de movimientos que tendrían si estuviesen libres y los cálculos efectuados por el químico A.D. Buckingham de la Universidad de Cambridge en 2004 muestran cómo el encendido de un campo magnético produce una rotación en diferentes direcciones en moléculas de quiralidad opuesta.

Como resultado, Boyd sugiere que, cuando el campo magnético del remanente de una supernova se pone en marcha, los aminoácidos de una quiralidad terminan con los espines de su átomo de nitrógeno paralelos a las líneas del campo magnético, apuntando lejos de la estrella en el polo norte y hacia la estrella en el polo sur, mientras que aquellos que tienen una quiralidad opuesta se verán forzados a alinear sus espines en la dirección contraria.

Esto prepara el escenario para los fuegos artificiales cuando la estrella agonizante colapsa sobre sí misma, enviando una intensa ráfaga de neutrinos y antineutrinos que se propagan radialmente en todas las direcciones, incluso a lo largo de las líneas del campo magnético. Los antineutrinos en particular reaccionan fácilmente con los núcleos del nitrógeno 14, produciendo un núcleo de carbono 14 y un positrón. En una reacción similar pero energéticamente menos favorecida, los neutrinos transforman el nitrógeno 14 en oxígeno 14 y un electrón. En ambos casos, una vez que el núcleo del nitrógeno de un aminoácido es golpeado, el grupo amino estalla y el aminoácido se desintegra.

Sol de agujero negro

Hay una advertencia. Las reacciones en la naturaleza tienden a conservar el espín: ocurren más fácilmente si la magnitud total y la dirección del espín son iguales antes y después de la reacción. Los núcleos del nitrógeno 14 tienen un espín de magnitud 1, mientras que los núcleos del carbono 14 y del oxígeno 14 no tienen espín. Los electrones, neutrinos, positrones y antineutrinos tienen un espín de magnitud ½. Además, el espín de un antineutrino apunta siempre en el sentido de su marcha, mientras que el espín de un neutrino apunta en el sentido contrario.

Unas pocas trivialidades cuánticas complican los cálculos, pero en esencia la conservación del espín implica que es más probable que un neutrino o un antineutrino hagan explotar a un aminoácido que tenga el espín de su átomo de nitrógeno apuntando en dirección opuesta al propio. El resultado final es que, alrededor de uno de los polos, los aminoácidos de una quiralidad son preferentemente bombardeados por antineutrinos mientras que los neutrinos hacen algo similar sobre los aminoácidos de quiralidad opuesta reunidos alrededor del otro polo, pero en menor medida, ya que esta reacción es energéticamente menos probable. Esto crea un desequilibrio quiral en el remanente de la supernova.

Boyd y sus colegas piensan que este es el origen de la preferencia quiral mostrada no sólo por la vida, sino también por los meteoritos que cayeron en la Tierra. «La materia a partir de la cual se formó nuestro Sistema Solar fue procesada por neutrinos de muchas supernovas», dice Boyd. «Todos ellos seleccionaron más levo-aminoácidos que dextro-aminoácidos».

El mecanismo no está exento de trampas. Una es que una lluvia de fotones de rayos gamma de alta energía producida por la explosión de una supernova podría acabar con todos los aminoácidos, sin dejar nada con que crear un desequilibrio quiral. Sin embargo, hay una forma de eludir este problema, si el remanente creado en la supernova no es una estrella de neutrones sino una entidad todavía más extrema: un agujero negro.

«Esto sucede en un montón de casos», dice Boyd. Un agujero negro simplemente absorbe la luz apenas se forma, eliminando el problema de los rayos gamma. «Si estamos en lo cierto, le debemos la zurdera de los aminoácidos terrestres a la acción de los agujeros negros».

Es una proposición atrevida, pero asombrosamente hasta ahora ha generado pocas objeciones. Una de ellas es que el tamaño de la asimetría producida es pequeño. «Pero eso podría ser todo lo que se necesita», dice Meierhenrich. Señala que los experimentos han demostrado que una asimetría quiral inicial de entre 1 y 5 % puede ser amplificada por procesos químicos «autocatalíticos», en los cuales pequeños excesos de una forma determinada estimulan la producción de mayores cantidades de la misma.

Es poco probable que esto suceda en el entorno de una supernova. «La amplificación requiere de un medio líquido como el que se encuentra en asteroides acuosos o en la Tierra primitiva», dice Glavin. Por lo tanto, el proceso que se inició en una supernova todavía tendrá que terminarse cerca de casa.

Pero ¿son estrictamente necesarios todos los giros y vueltas quirales de esta historia? Un mecanismo que implica la creación de una muestra quiral de aminoácidos balanceada para destruirlos selectivamente después parece excesivamente complejo. ¿Por qué no podemos hacer una muestra de aminoácidos quirálicamente desequilibrada en primer lugar?

Quizás podemos. Una explicación alternativa prometedora para la lateralidad de la vida está basada en el hecho de que por cada 99 átomos de carbono, 12 que van a formar moléculas orgánicas, hay un átomo del más pesado carbono 13. En abril de 2009 Tsuneomi Kawasaki y sus colegas de la Universidad de Ciencias de Tokio en Japón demostraron que esta pequeña asimetría natural podía desencadenar un proceso autocatalítico que resulta en un producto orgánico de notable asimetría quiral, aunque todavía está por verse si esto es válido para los aminoácidos.

Meierhenrich está siguiendo otra pista posible. Requerido por la Agencia Espacial Europea en 1997 para diseñar un instrumento que le permitiera a la sonda Rosetta (lanzada en 2004 para encontrarse con un cometa cercano) distinguir las dos formas quirales de los aminoácidos, Meierhenrich y su equipo probaron el instrumento en un «microcometa» artificial hecho con monóxido de carbono, dióxido de carbono, metanol, amoníaco y agua. Cuando imitaron las condiciones del espacio exterior irradiando el microcometa con luz ultravioleta dentro de una cámara de vacío a una temperatura de 12 grados kelvin, descubrieron que habían obtenido 16 aminoácidos diferentes, en una mezcla de formas diestras y zurdas.

Cuestión nuclear

Ahora el equipo planea irradiar las muestras con luz ultravioleta de polarización circular utilizando como fuente el sincrotón Soleil recientemente construido cerca de París, Francia. Tienen la esperanza de producir así una muestra quiral desequilibrada, añadiendo evidencia a la idea que sugirieron Bailey y sus colegas hace 12 años.

Con varios mecanismos en marcha, es demasiado pronto para dar por terminado el debate de la homoquiralidad. El próximo round debería comenzar en 2014, cuando la sonda Rosetta se encuentre con el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. La sonda despachará un vehículo que perforará y analizará un núcleo de hielo del cometa de 20 centímetros de profundidad, proporcionando así una muestra de material de comienzos del Sistema Solar libre de contaminación, a diferencia de los meteoritos que cayeron en la Tierra.

Si encuentra aminoácidos con un sesgo zurdo, sería agua para el molino de Boyd y de otros que sugieren que las supernovas están detrás de la asimetría. Si algunos aminoácidos son zurdos y otros diestros entonces es posible que la energía de la luz ultravioleta de polarización circular sea la única culpable, poniendo al modelo de Bailey de nuevo en el foco.

Sin embargo, Meierhenrich espera secretamente otro resultado. «¿No sería maravilloso si todos los aminoácidos que encontráramos fueran diestros?», dice. «Ninguno de los mecanismos propuestos funcionaría».

Alguien más estaría contento. Si la homoquiralidad es específica de la vida terrestre en algún lugar allá afuera un señor Spock especular podría encontrar un mundo donde disfrutar de una larga y próspera vida.

Perturbación en la fuerza

La homoquiralidad ¿es sólo una ilusión? Éste podría ser el mensaje de los cálculos de energías moleculares que tienen en cuenta todos los detalles de la física básica.

Al calcular la energía de las moléculas, los químicos consideran sólo una de cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza electromagnética. Eso no produce diferencias entre las formas quirales o enantiómeros. Algunos cálculos, sin embargo, incorporan los efectos de la fuerza nuclear débil que opera a nivel de los núcleos atómicos. Estas fuerzas producen una diferencia muy pequeña entre las formas moleculares zurdas y diestras.

Estos cálculos son endiabladamente complejos, y cuarenta años después de que se realizaran por primera vez, todavía se levantan argumentos en su contra. Diferentes energías implican diferentes características físicas y químicas, así que los enantiómeros que se presume que se comportan de forma idéntica, en realidad no lo harían. «Si no tienen las mismas propiedades, estrictamente hablando los enantiómeros no existen», dice Ulrich Meierhenrich de la Nice Sophia Antipolis University de Francia.

En ese caso, el problema de la homoquiralidad podría derretirse por cuestiones de definición.

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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