La vida en la Tierra está basada principalmente en el carbono, un elemento que destaca por su capacidad de formar estructuras complejas y estables, seguramente te preguntaras por que rayos y lo cierto es que el carbono tiene una configuración electrónica especial, pues posee 4 electrones en su capa externa lo que le da la superabilidad de formar hasta 4 enlaces covalentes, cosa especial dentro del universo de las moléculas pues eso implica que sea muy flexible y pueda unirse a una gran variedad de átomos incluidos el mismo, además posee enlaces carbono-carbono que son generalmente estables y fuertes, por lo tanto difíciles de romper además de formar cadenas enormes de sí mismo y ala vez en diferentes tipos de enlaces (simples, dobles, triples etc).
Gracias a estas propiedades, ha sido posible el desarrollo de moléculas no solo increíblemente diversas para la química en sí misma, sino también fundamentales como base para la biología terrestre como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos que constituyen la estructura de todos los organismos conocidos. Pero en el campo de la astrobiología los científicos han explorado la posibilidad de que existan formas de vida basadas en otros elementos o combinaciones químicas diferentes en sus diversos entornos extraterrestres, pues recordemos que el universo es maravillosamente extenso y por lo tanto hay regiones en el en donde las leyes de la física-química pueden ser diferentes, lo que querría decir que hay zonas en el universo donde otros elementos pueden brillar tanto como el carbono lo hace aquí en tierra y ser incluso igual de único que él además de poder originar vida a través de otros elementos estables en su Bioma.
Qué pasaría si estuviéramos hechos de silicio?
Uno de los candidatos más mencionados para reemplazar a nuestro amigo el carbono es el silicio, debido a que este elemento al igual que el carbono puede formar cuatro enlaces químicos lo que permite la creación de estructuras relativamente complejas (llamadas por nosotros los Nerds como silicatos), por esta razón y algunas otras más, se ha propuesto la idea de una “vida basada en silicio”. Aunque existen algunas limitaciones importantes como que los compuestos de silicio tienden a ser menos estables en ambientes comunes y menos diversos que los del carbono especialmente en condiciones similares a las de la Tierra, además de que suelen no formar cadenas largas de sí mismos tan fácilmente y sus compuestos son algo menos diversos, eso sin contar que además una forma de vida echa de silicio tendría ciertos problemas con su propio organismo ya que si por ejemplo estos organismos aún poseen la propiedad de respirar/consumir oxígeno de alguna manera o usarlo comúnmente para ciertos tipos de procesos biológicos ocurriendo dentro de él, la forma de expulsarlo (así como los humanos expulsamos el CO₂) sería diferente, muy probablemente tomando en cuenta condiciones similares a las de nuestro planeta en forma de SiO₂, que a diferencia del CO₂ terrícola fácil de expulsar, el SiO₂ sería más pesado y duro (de hecho el dióxido de silicio sería básicamente arena o cuarzo en sí mismo) por lo que sería difícil de expulsar aunque bastante interesante saber cómo lo lograrian de ser posible.
Aunque hay que recordar que a pesar de estas limitaciones no todo el universo y por ende los planetas son iguales querido lector, un punto a favor del silicio es la abundancia ya que de hecho es uno de los elementos más comunes en planetas rocosos, incluso más que el carbono en muchos casos, lo que aumentaría la probabilidad de que la vida basada en silicio en otros planetas sea no solamente posible sino incluso la dominante de ese planeta.
Hablando de planetas es importante mencionar que aquellos planetas dignos de portar vida en su superficie basada en silicio deberían de tener una serie de características importantes como las que se comentarán a continuación: En mundos más cercanos a su estrella o con fuerte actividad geotérmica donde el agua líquida es escasa o inexistente la química del silicio podría mantenerse activa sin descomponerse rápidamente debido a que el silicio es más estable a altas temperaturas, por lo que aquí en lugar de océanos de agua podría haber otros solventes compuestos por amoníaco líquido el cual es polar pero menos que el agua, participa en reacciones ácido-base y es compatible con química compleja eso sin mencionar que para el silicio el cual se hidroliza y rompe en agua es una opción de maravilla.
Otra posibilidad es la existencia de Planetas con poca presencia de oxígeno libre ya que como mencionamos antes, en la Tierra el silicio reacciona con oxígeno y forma dióxido de silicio (SiO₂) básicamente roca sólida lo cual “bloquea” su química, pero en planetas con atmósferas pobres en oxígeno, el silicio podría permanecer en formas más reactivas como silanos facilitando procesos complejos similares a la bioquímica terrestre y en su lugar el Amoniaco gaseoso nuevamente podría entrar en escena ya que el comportamiento del amoniaco con el silicio es bastante interesante, por que está a medio camino como para hacer química lo suficientemente reactiva para llevar a cabo procesos dinámicos pero no tanto para ser tan “destructiva” como el agua.
Por último para dejar de hablar acerca de posibilidades con este elemento en especial proponemos un Mundo rocoso con una excesiva abundancia de Silicio (mucha más que el carbono) debido a que si vamos a plantearnos la posibilidad de vida basada en este elemento y sumando las otras 2 características anteriores en cuanto a su atmósfera y sus océanos, también deberíamos incluir esta parte fundamental en la logística de un alien cuya química en su cuerpo sea fundamentalmente de silicio, pues con la suficiente cantidad de silicio en un mundo así, aumentará las probabilidades de reacciones con elementos que se encuentren a su alrededor, una reacción básica en la que podemos pensar sería fundamental para iniciar la quimica prebiotica es en la formación de aminoácidos o en nuestro caso “Aminosilanos” como se muestra a continuación: SiH4+NH3→Si–NH2 (derivados)+H2 . Como podemos observar en la reacción anterior el NH3 es decir nuestro amoniaco y sustituto tanto en el océano como atmósfera hipotéticas sustituyen hidrógenos y por lo tanto formando un análogo a un aminoácido terrestre cuya fórmula debemos recordar es R-CH(NH2)-COOH y la base para formar péptidos y proteínas de las cuales están hechas nuestras células. ¿Te das cuenta gentil lector? de lo increíble y diversa que puede llegar a ser la química de un ser vivo de otro planeta? de tan solo pensarlo yo misma tengo ganas de saltar.
Otros candidatos Elementales poco probables pero no imposibles.
Querido lector, yo se perfectamente por que es tan emocionante pensar en otros elementos que puedan formar parte de la biología de cientos de extraterrestres hipotéticos aya afuera y sus distintos ecosistemas, pero hay que ser realistas, el rey indiscutible de “la vida basada en un elemento” sigue siendo el carbono en nuestro contexto químico y universal hasta ahora, debido a las vastas características anteriormente compartidas, sin embargo eso no quiere decir que necesariamente en algún extremo totalmente desconocido del universo para nosotros no puedan existir planetas y condiciones que den lugar a la formación de vida basada en alguno de estos candidatos, por lo que en esta sección se engloban a aquellos elementos que por sus características químicas no llegan a estar dentro del nivel del carbono o de su competencia como el silicio pero son lo suficientemente “algo” como para ser mencionados.
Comenzaremos esta lista con uno de mis favoritos dentro de la tabla periódica y que es bastante mencionado a lo largo de mi carrera en general, ya que en nuestro propio sistema cumple muchísimas funciones ya sea como catalizador, activador o inhibidor, así es, estamos hablando del mismísimo Fósforo, quien ha sido considerado candidato debido a su capacidad para formar enlaces ricos en energía los cuales podrían además tener una doble funcionalidad en ecosistemas alienígenas energía-estructura, en ambientes distintos al terrestre puede formar moléculas bastante variadas denominados como fosfinas y otros compuestos reducidos, no compite con el carbono pero sí puede formar enlaces P-P y un punto interesante es su alta reactividad, pues su inestabilidad relativa podría ser una ventaja ya que una quimica mas reactiva puede generar diversidad molecular más rápidamente lo cual es ideal en procesos de tipo “evolución” al generar sistemas autorreplicantes. En la tierra este elemento en particular brilla más para nosotros como parte de sistemas celulares que activan o desactivan cosas pero eso no quiere decir que en otros lugares podría desempeñar también una funcionalidad de “columna vertebral”.
Continuando con los candidatos más exóticos, por su parte el Nitrógeno puede formar distintos enlaces y estructuras interesantes, de hecho los aminoácidos terrestres y otros compuestos orgánicos ya dependen de este elemento, pero las cadenas del nitrógeno tienden a ser más inestables o tienden a descomponerse y explotar (especialmente si son cadenas largas), así que en una bioquímica alternativa estos podrían tener una estructura más híbrida, es decir literalmente muchísimos de los compuestos que nosotros conocemos son ricos en nitrógeno son explosivos, pero de ser posible la vida basada en este elemento, sería tanto interesante como gracioso pensar que tipo de alienígenas explosivos podrían aprovechar esta ventaja para algún fin malicioso, algo además a favor del Nitrógeno es su enorme abundancia cósmica que incrementa la probabilidad de ser la base de un ecosistema. Por último el Boro es nuestro último candidato del dia pues aquí empezamos a sumergirnos en un terreno bastante especulativo pero respaldado científicamente, el Boro es un elemento relativamente raro en el universo, lo que disminuye su probabilidad de ser un candidato viable pero es famoso por formar compuestos denominados boranos donde los átomos crean estructuras tridimensionales muy estables en forma de “jaulas o racimos” que ya desde el vamos es diferente del carbono que crea cadenas pero si lo pensamos bien podría servir como base para arquitecturas bioquímicas complejas y a diferencia de la mayoría de los elementos el Boro puede formar enlaces donde varios átomos comparten electrones al mismo tiempo lo que podría permitir moléculas y mecanismos biológicos completamente distintos y nunca antes conservados. Algunos compuestos de Boro son extremadamente estables en condiciones donde otros se rompieron lo que permitiría vida en ambientes bastante extremos y tiene una interesante interacción con el hidrógeno pues juntos pueden formar sistemas ricos en energía que en un entorno adecuado podría ser de gran utilidad para ser la base del metabolismo o sistema de almacenamiento energético alienígena.
Moléculas prebióticas en ecosistemas Alienígenas y ambientes extremos.
En este punto del artículo podríamos seguir discutiendo acerca de la estructura elemental que componen los cuerpos extraterrestres, pero ¿sabes algo querido lector? yo creo que es igual de interesante saber acerca de los compuestos o elementos que conforman un ecosistema alienígena donde este podría desarrollarse, ya que imaganelo! podría haber metales superpesados en forma de océanos o nubes de ácido sulfúrico o glaciares de Galio en lugar de agua en los casos más excéntricos, (bueno no tanto así pero creo que ya entenderá mi punto). Entender qué tipo de química rodea los océanos o la atmósfera de estos alienígenas puede ser una actividad mental bastante divertida.
Una posibilidad intrigante es la vida en entornos extremos donde intervienen elementos como el azufre, el hierro o incluso el arsénico, sabemos que en la Tierra ya existen organismos conocidos como extremófilos que sobreviven en condiciones extremas ya sean altas temperaturas o en lagos superacidos o en ambientes con falta de oxígeno. Estos organismos utilizan reacciones químicas poco comunes que muchas veces están relacionadas con el metabolismo quimiosintético lo que demuestra que la vida puede adaptarse a una gran variedad de entornos. Claro que hay que pensar desde un punto de vista no solo científico sino también crítico, probablemente la mayoría de esos organismos no harían química super alocada o super diferente a lo que estamos acostumbrados a ver, seguramente sería bastante parecida a la bioquímica común pero con variaciones justificadas en base a los elementos que se encuentren a su alrededor. Comencemos por ejemplo en un ambiente alienígena acuático en donde sus microorganismos extraterrestres usan reacciones de quimiosíntesis en lugar de fotosíntesis para poder obtener energía, algo bastante parecido a lo que ya muchos hacen en fumarolas hidrotermales en el fondo del océano donde los organismos tienen a su disposición poca o nula cantidad de luz, entrando en detalle pensemos por ejemplo en una reacción quimiosintética utilizando el azufre en donde aqui en la tierra por ejemplo una bien conocida es la “oxidación del sulfuro de hidrógeno” (H2S) el cual en presencia de Oxígeno (O2) se oxida, pierde electrones y se convierte en sulfato (SO4), la transferencia de estos electrones, es lo que genera energía y a lo que quiero llegar, pues pensando en un ambiente en donde no solo no hay luz sino además poco oxígeno la oxidación podría ser parcial osea: El sulfuro de Hidrógeno (H2S) se convierte en Azufre elemental (S) y 2 moleculas de Hidrogeno (2H) mas 2 electrones que igual genera energía y entran en una cadena de transporte eléctronico, incluso el organismo podría guardar ese azufre para seguir oxidandolo.
Igualmente podríamos pensar en un ambiente extremadamente cálido en el cual su bioquímica tendría que ser muy estable y para ello podrían llevar a cabo procesos de termoestabilidad tales como contar con proteínas y membranas adaptadas para no desintegrarse, pues su estructura podría poseer enlaces químicos más fuertes como éteres en vez de ésteres o en el caso de las membranas tener su propia versión de los lípidos super resistentes con estructuras más compactas o formar monocapas en lugar de bicapas (por ser más resistentes a altas temperaturas) y lo anterior no solo se limitaría a su diseño, pues en la tierra ay proteínas denominadas como “chaperonas” que ayudan a otro tipo de proteínas hagan una función en especial y en el caso de este organismo alienígena a mantener la estabilidad de otras proteínas pese al calor.
Haciendo un último uso de nuestra imaginación para poder visualizar ambientes extremos, en un ambiente muy ácido el problema central es que los protones tienden a entrar en la célula, desestabilizar proteínas y romper gradientes químicos, por lo tanto para sobrevivir, un organismo alienígena tendría que por ejemplo mantener su interior o su “citoplasma” en un PH neutro, usando bombas de protones que expulsan (H+) constantemente y funcionan gracias a reacciones del tipo redox en donde el flujo de electrones que proporciona la energía para sacar protones (gentil lector imaginalo como sacar agua de un barco constantemente para que no se hunda), además de lo anterior podrían poseer membranas ampliamente impermeables a los protones usando superficies con carga que los repelan, o inclusive producir compuestos químicos de tipo “buffer” que absorban protones ya sean aminas,fosfatos u otro tipo de compuestos que neutralizen esa acidez.
Océanos de Metano?
Pasando a un tema incluso igual de extraordinario, algunos científicos han planteado escenarios en los que la vida podría desarrollarse en líquidos distintos al agua, como el metano o el amoníaco, un ejemplo interesante es la luna Titán, donde existen lagos de metano líquido. Más que explicar cómo funciona bioquímicamente la vida en este tipo de mares, quisiera dedicar esta sección a explicar cómo es que en estos exoplanetas existen estos solventes tan extravagantes, pues como has de haber intuido claro que en entornos así la química y la forma de construir estructuras celulares y las reacciones bioalienígenas para adaptarse en su hábitat y poder sobrevivir serían completamente diferentes, como ya se ha discutido ampliamente en una vastísima cantidad de formas, y me pareció que en base a los registros y el enorme conocimiento científico astronómico que hemos recolectado a lo largo de varios años, el hablar acerca de como físicamente se forman estos océanos puede ser una opción divertida para adquirir conocimiento.
Empecemos con un elemento un tanto controversial, lo se es una forma fuerte de empezar pero quiero dejar los hechos verídicos hasta el final, Nitrógeno líquido. Es interesante pensar en cómo un planeta podría tener mares, lagos u océanos de este elemento, principalmente en base a las características necesarias para que el nitrógeno sea líquido, pues debemos recordar que únicamente sucede en temperaturas extremadamente frías entre unos −210 °C y −196 °C a presión normal, eso significa que el planeta tendría que estar muy lejos de su estrella o recibir muy poca energía. Segundo, si la presión atmosférica fuera más alta que la de la Tierra el rango de temperaturas en el que el nitrógeno permanece líquido se ampliariá un poco, de hecho una atmósfera densa ayudaría a estabilizar esos océanos y evitar que hiervan o se congelen demasiado rápido. Tercero, probablemente sería un mundo rico en compuestos volátiles ya que a esas temperaturas, el “ciclo del agua” sería reemplazado por algo como un ciclo de nitrógeno o de hidrocarburos con su propia evaporación, formación de nubes y lluvia de nitrógeno líquido o sustancias similares. y Cuarto, las rocas serían mucho más rígidas por el frío extremo y el hielo de agua se comportaría como una roca sólida, es gracioso pensar que en lugar de océanos de agua y continentes rocosos podrías tener “continentes” de hielo de agua y océanos de nitrógeno líquido no lo crees? .
Siguiendo con la lista de solventes raros pero probables de existir en condiciones específicas exoplanetarias, el ácido sulfúrico podría no solo convertir a su planeta de origen en uno muy extremo y ser un reemplazo del agua en mares bastante exotico, sino además en un laboratorio químico a escala planetaria pues para que algo así exista de forma estable tendría que en primera poseer condiciones básicas de estabilidad. El ácido sulfúrico puro tiene un punto de fusión cercano a 10 °C y un punto de ebullición alto pero en un entorno planetario real casi siempre estaría mezclado con agua, en soluciones H2SO4–H2O que amplían considerablemente el rango de estabilidad líquida y permitiría la existencia de océanos en un intervalo amplio de temperaturas incluso desde valores cercanos a 0 °C hasta más de 200 °C, dependiendo de la presión atmosférica. La atmósfera por su parte tendría que ser relativamente densa para evitar la evaporación rápida y además habría muy poca agua “libre”ya que el ácido la absorbería constantemente, un caso parcial de referencia es Venus donde el ácido sulfúrico existe en forma de nubes, aunque no como océanos superficiales. El ciclo planetario de este mundo estaría dominado por el azufre en lugar del agua y una atmósfera rica en dióxido de azufre (SO₂) probablemente alimentada por una actividad volcánica intensa reaccionaría con pequeñas cantidades de vapor de agua bajo la acción de la radiación estelar para formar ácido sulfúrico, compuesto que claro se condensaría en forma de nubes densas y aerosoles, que caerían como lluvia ácida alimentando mares y lagos superficiales. Desde el punto de vista geológico este tipo de planeta probablemente estaría dominado por un vulcanismo activo que liberaría grandes cantidades de SO₂ a la atmósfera manteniendo el ciclo químico y su superficie estaría cubierta por depósitos de sulfatos como CaSO₄ o MgSO₄, generando paisajes de tonos amarillentos, blanquecinos o incluso grisáceos y ni hablar de sus mares que serían más densos que el agua y posiblemente más viscosos, con superficies que podrían emitir vapores ácidos de forma constante.
Por último y como subtítulo de esta subsección que tal si hablamos de un pequeño exoplaneta con mares de metano y etano, que ya no sería tan hipotético, necesitaría condiciones muy frías para que estos compuestos permanezcan en estado líquido. El metano es líquido aproximadamente entre −182 °C y −161 °C, y el etano entre −183 °C y −89 °C lo que implica que el planeta debe estar lejos de su estrella o recibir muy poca radiación además una atmósfera relativamente densa ayudaría a estabilizar estos líquidos reduciendo su evaporación, en estas condiciones el agua no jugaría ningún papel como fluido superficial ya que estaría completamente congelada, y el ejemplo natural definitivo de este tipo de entorno es Titan pues estamos seguros de que ahi si existen mares y lagos compuestos de metano. Desde el punto de vista físico-químico los mares de metano y etano serían solventes muy distintos al agua pues son compuestos no polares y por lo tanto no disuelven bien sales ni moléculas polares y favorecen interacciones débiles entre moléculas, además las temperaturas extremadamente bajas reducen la energía térmica disponible haciendo que las reacciones sean mucho más lentas. La atmósfera de este tipo de planeta estaría compuesta principalmente por nitrógeno con cantidades significativas de metano y trazas de otros hidrocarburos y la radiación ultravioleta desencadenaría reacciones fotoquímicas que producirían neblinas densas de compuestos orgánicos complejos, lo que daría al cielo un aspecto opaco con tonos anaranjados o marrones y una iluminación muy difusa.
Conclusión
La idea de vida basada en múltiples elementos no solo amplía nuestra comprensión de lo que significa estar vivo, sino que también aumenta las posibilidades de encontrar vida fuera de la Tierra, ya que nos obliga a pensar más allá de lo que conocemos, lejos de nuestra esfera azul en donde la bioquímica funciona de cierta forma pero no por eso es imposible encontrar seres aya afuera que hayan evolucionado desde el inicio con elementos diferentes a su alrededor y por la tanto aprendido a usarlos para construir su propia versión de lo que significa la vida. En lugar de buscar únicamente condiciones similares a las terrestres los científicos ahora consideran una gama mucho más amplia de ambientes potencialmente habitables, y aunque la vida basada en carbono sigue siendo la única confirmada, la exploración de alternativas químicas abre nuevas puertas en la búsqueda de vida en el universo, por lo que este enfoque nos invita a cuestionar nuestras suposiciones y a reconocer que la vida podría existir de formas mucho más diversas de lo que imaginamos.
Referencias
Introducción : Osorio, E. (2014). ENLACE QUÍMICO EN COMPUESTOS ORGÁNICOS CÍCLICOS TIPO PROPALENOS. LA INVESTIGACIÓN, 1, 344.
Que pasaría si estuviéramos hechos de silicio? :
Petkowski, J. J., Bains, W., & Seager, S. (2020). On the potential of silicon as a building block for life. Life, 10(6), 84.
National Research Council, Division on Earth, Life Studies, Board on Life Sciences, Division on Engineering, Physical Sciences, … & Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems. (2007). The limits of organic life in planetary systems. National Academies Press.
Chyba, C. F., & Hand, K. P. (2005). Astrobiology: the study of the living universe. Annu. Rev. Astron. Astrophys., 43(1), 31-74.
Otros candidatos Elementales poco probables pero no imposibles :
Pasek, M. A. (2008). Rethinking early Earth phosphorus geochemistry. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(3), 853-858.
Christopher P. McKay y H. D. Smith. (2005). The Ammonia-Based Nitrogen Cycle on Titan
Cosme Rivera, F. C. (2021). EL BORO Propiedades físicas y químicas. Los boranos. Enlaces químicos en los boranos. Efecto del boro sobre la salud. Efectos ambientales del boro Química en las aplicaciones del boro: En cultivos agrícolas-En fuegos pirotécnicos. Ácido bórico en productos textiles. Fabricación de vidrios y otros.
Moléculas prebióticas en ecosistemas Alienígenas y ambientes extremos :
Bo Barker Jørgensen y Douglas C. Nelson. (2015). Chemolithoautotrophic Energy Metabolism in Aquatic Environments
Vieille, C., & Zeikus, G. J. (2001). Hyperthermophilic enzymes: sources, uses, and molecular mechanisms for thermostability. Microbiology and molecular biology reviews, 65(1), 1-43.
Baker-Austin, C., & Dopson, M. (2007). Life in acid: pH homeostasis in acidophiles. Trends in microbiology, 15(4), 165-171.
Océanos de Metano? :
Lorenz, R. D., Mitchell, K. L., Kirk, R. L., Hayes, A. G., Aharonson, O., Zebker, H. A. & Stofan, E. R. (2008). Titan’s inventory of organic surface materials. Geophysical Research Letters, 35(2).
McKay, C. P., & Smith, H. D. (2005). Possibilities for methanogenic life in liquid methane on the surface of Titan. Icarus, 178(1), 274-276.
Limaye, S. S., Mogul, R., Baines, K. H., Bullock, M. A., Cockell, C., Cutts, J. A.,& Way, M. J. (2021). Venus, an astrobiology target. Astrobiology, 21(10), 1163-1185R.
Recomendaciones
En mi articulo anterior describo ciertos aspectos de los exoplanetas habitables a mas detalle: https://astrauris.com/exoplanetas-habitables-nuestro-proximo-destino-y-posible-hogar-para-la-humanidad/
