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| La imagen de la izquierda muestra un mosaico de imágenes tomadas por la nave espacial Cassini en luz infrarroja cercana. Mares polares de Titán son visibles como destellos de luz solar fuera de ellos. La reflexión está en la parte sur del Kraken Mare, el mayor cuerpo líquido de Titán. Se compone de metano líquido y otros hidrocarburos (compuestos de hidrógeno y carbono). La imagen de la derecha es una imagen de radar de Kraken Mare, también obtenida por Cassini. 'Kraken' es el nombre de un legendario monstruo marino Nórdico, y el nombre alude al parecer (al menos caprichosamente) a las esperanzas de los astrobiólogos sobre este intrigant emar alienígena. Crédito: NASA Jet Propulsion Laboratory. - Crédito: universetoday.com |
Podría haber vida en la gran luna de Saturno Titán? Hacer la pregunta fuerza a los astrobiólogos y químicos a pensar cuidadosa y creativamente acerca de la química de la vida, y cómo podría ser diferente en otros mundos de lo que es en la Tierra. En Febrero, un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, incluyendo el estudiante graduado en ingeniería química James Stevenson, el científico planetario Jonathan Lunine, y el ingeniero químico Paulette Clancy, publicó un estudio pionero argumentando que las membranas celulares podrían formarse bajo las exóticas condiciones químicas presentes en esta luna notable.
En muchos maneras, Titán es el gemelo de la Tierra. Es la segunda luna más grande del sistema solar y más grande que el planeta Mercurio. Al igual que la Tierra, tiene una atmósfera substancial, con una presión atmosférica de superficie un poco mayor que la de la Tierra. Además de la Tierra, Titán es el único objeto en nuestro sistema solar conocido por tener acumulaciones de líquido en su superficie. La
sonda espacial Cassini de la NASA descubrió
abundantes lagos e incluso ríos en las regiones polares de Titán. El lago más grande, o mar, llamado
Kraken Mare, es más grande que el Mar Caspio de la Tierra. Los investigadores saben tanto desde las observaciones de naves espaciales y experimentos de laboratorio que la atmósfera de Titán es rica en moléculas orgánicas complejas, que son los bloques de construcción de la vida.
Todas estas características pueden hacer que parezca como si Titán es tantalizantemente adecuado para la vida. El nombre ‘
Kraken’, que se refiere a un legendario monstruo marino, refleja caprichosamente las esperanzas deseosas de los astrobiólogos. Pero, Titán es el gemelo extraterrestre de la Tierra. Estando casi diez veces más lejos del Sol que la Tierra, su temperatura superficial es un frígida -180 grados Celsius. El agua líquida es vital para la vida como la conocemos, pero en la superficie de Titán toda el agua se congela sólida. El agua helada toma el rol que el contenido de silicio en la roca tiene en la Tierra, constituyendo las capas exteriores de la corteza.
El líquido que llena los lagos y ríos de Titán no es agua, pero el
metano líquido, probablemente mezclado con otras sustancias como el
etano líquido, todos los cuales son gases aquí en la Tierra. Si hay vida en los mares de Titán, no es la vida como la conocemos. Debe ser una forma extraterrestre de vida, con moléculas orgánicas disueltas en el metano líquido en lugar de agua líquida. Es una cosa tal incluso posible?
El equipo de Cornell tomó una parte clave de esta pregunta desafiante investigando si pueden existir las membranas celulares en el metano líquido. Cada célula viva es, esencialmente, una red autosostenible de reacciones químicas, contenidas dentro de las membranas que la delimitan. Los científicos creen que las membranas celulares surgieron muy temprano en la historia de la vida en la Tierra, y su formación puede incluso haber sido el primer paso en el origen de la vida.
Aquí en la Tierra, las
membranas celulares son tan familiares como la clase de biología de la high school [=escuela secundaria]. Están hechas de grandes moléculas llamadas
fosfolípidos. Cada molécula de
fosfolípido tiene una ‘cabeza’ y una ‘cola’. La cabeza contiene un grupo fosfato, con un átomo de fósforo ligado a varios átomos de oxígeno. La cola se compone de una o más cadenas de átomos de carbono, típicamente 15 a 20 átomos de largo, con átomos de hidrógeno unidos a cada lado. La cabeza, debido a la carga negativa de su grupo fosfato, tiene una distribución desigual de la carga eléctrica, y nos dicen que es polar. La cola, por otro lado, es eléctricamente neutra.
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| Aquí en la Tierra, las membranas celulares se componen de moléculas de fosfolípidos disueltos en agua líquida. Un fosfolípido tiene una cadena de átomos de carbono (gris), y también contiene hidrógeno (azul cielo), fósforo (amarillo), oxígeno (rojo) y nitrógeno (azul). Debido a la carga positiva asociada con el grupo de colina [=choline] que contiene nitrógeno, y la carga negativa asociada con el grupo fosfato, la cabeza es polar, y atrae agua. Por tanto, es hidrófila. La cola de hidrocarburo es eléctricamente neutra e hidrófoba. La estructura de una membrana celular es debido a estas propiedades eléctricas de fosfolípidos y agua. Las moléculas forman una doble capa, con cabezas hidrófilas hacia afuera, hacia el agua, y las colas hidrófobas que mira hacia dentro, una hacia la otra. Crédito: Ties van Brussel - Crédito: universetoday.com |
Estas propiedades eléctricas determinan cómo las moléculas de fosfolípidos se comportará cuando se disuelven en
agua. Eléctricamente hablando, el agua es una molécula polar. Los electrones en la molécula de agua son más fuertemente atraídos a su átomo de oxígeno que a sus dos átomos de hidrógeno. Así, el lado de la molécula donde los dos átomos de hidrógeno están tiene una carga ligeramente positiva, y el lado del oxígeno tiene una pequeña carga negativa. Estas propiedades polares del agua causa que atraiga la cabeza polar de la molécula de fosfolípido, que se dice que es hidrofílica, y repele su cola no polar, que se dice que es hidrofóbica.
Cuando las moléculas de fosfolípidos se disuelven en agua, las propiedades eléctricas de las dos substancias trabajan juntas para causar que las moléculas de fosfolípidos se organizen ellas mismas en una membrana. La membrana se cierra sobre sí misma en una pequeña esfera llamada un liposoma. Las moléculas de fosfolípidos forman una bicapa de dos moléculas de espesor. Las cabezas hidrofílicas polares miran hacia fuera hacia el agua tanto en la superficie interior y exterior de la membrana. Las colas hidrofóbicas se intercalan entre, una frente a la otra. Mientras que las moléculas de fosfolípidos permanecen fijos en su capa, con sus cabezas hacia fuera y sus colas hacia adentro, aún pueden moverse con respecto a la otra, dando a la membrana el fluido flexible necesario para la vida.
Membranas bicapa de fosfolípidos son la base de todas las membranas celulares terrestres. Incluso por sí sola, un liposoma puede crecer, reproducirse y ayudar a ciertas reacciones químicas importantes para la vida, por lo que algunos bioquímicos creen que la formación de liposomas podría haber sido el primer paso hacia la vida. En cualquier caso, la formación de las membranas celulares debe seguramente haber sido un primer paso en la emergencia de vida en la Tierra.
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| A la izquierda, agua, consistente en hidrógeno (H) y oxígeno (O), es un solvente polar. El oxígeno atrae electrones con más fuerza que lo hace el hidrógeno, dando el lado de hidrógeno de la molécula una carga neta positiva y el lado del oxígeno una carga neta negativa. El símbolo delta (δ) indica que la carga es parcial, es decir menos de una unidad completa de carga positiva o negativa. A la derecha, el metano es un solvente no polar, debido a la distribución simétrica de átomos de hidrógeno (H) alrededor de un átomo de carbono central (C). Crédito: Jynto modificado por Paul Patton. - Crédito: universetoday.com |
Si existe alguna forma de vida en Titán, sea monstruo marino o (más probable) microbio, es casi seguro que necesite tener una membrana celular, al igual que todo lo que vive en la Tierra. Podrían formarse membranas bicapas de fosfolípidos en el metano líquido en Titán? La respuesta es no. A diferencia del agua, la molécula de metano tiene una distribución uniforme de las cargas eléctricas. Carece de las cualidades polares del agua, por lo que no podría atraer a las cabezas polares de las moléculas de fosfolípido. Esta atracción es necesaria para que los fosfolípidos formen una membrana celular del estilo de la Tierra.
Experimentos han sido conducidos donde los fosfolípidos se disuelven en líquidos no polares a temperatura ambiente Terrestre. Bajo estas condiciones, los fosfolípidos forman una membrana dos capa ‘dentro-fuera’. Las cabezas polares de las moléculas de fosfolípidos están en el centro, atraídas unas a otras por sus cargas eléctricas. Las colas no polares se enfrentan hacia el exterior en cada lado de la membrana dentro-fuera, frente al solvente no polar.
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| A la izquierda, los fosfolípidos se disuelven en agua, un solvente polar. Ellos forman una membrana bicapa, con sus cabezas polares, hidrófilas hacia afuera hacia el agua, y sus colas hidrofóbicas una frente a la otra. A la derecha, cuando los fosfolípidos se disuelven en un disolvente no polar a temperatura ambiente terrestre, forman una membrana de dentro a fuera, con las cabezas polares atrayendose entre sí, y las colas no polares hacia el exterior hacia el solvente no polar. Sobre la base de la figura 2 de Stevenson, Lunine y Clancy (2015). Crédito: Paul Patton - Crédito: universetoday.com |
Podría la vida en Titán tener una membrana de fosfolípidos hacia fuera? El equipo de Cornell concluyó que esto no iba a trabajar, por dos razones. La primera es que a las temperaturas criogénicas del metano líquido, las colas de los fosfolípidos se vuelven rígidas, privando a cualquier membrana dentro-fuera que podrían formarse del fluido flexible necesario para la vida. La segunda es que dos ingredientes claves de los fosfolípidos; fósforo y oxígeno, son probablemente indisponible en los lagos de metano de Titán. En su búsqueda de las membranas celulares Titanianas, el equipo de Cornell necesita sondear más allá del ámbito [=realm] familiar de la biología de la high school.
Aunque no compuesto de fosfolípidos, los científicos pensaron que cualquier membrana celular de Titán sería sin embargo como las membranas de fosfolípidos dentro-fuera creadas en el laboratorio. Consistiría en moléculas polares aferrandose juntas eléctricamente en una solución de metano líquido no polar. Qué moléculas podrían ser esas? Por respuestas los investigadores analizaron los datos de la nave espacial Cassini y de los experimentos de laboratorio que reproducen la química de la atmósfera de Titán.
Se sabe que la atmósfera de Titán tiene una química muy compleja. Está compuesto mayormente de nitrógeno y gas metano. Cuando la nave espacial Cassini analizó su composición mediante espectroscopia se encontró trazas de una variedad de compuestos de carbono, nitrógeno e hidrógeno, llamados nitrilos y aminas. Los investigadores han simulado la química de la atmósfera de Titán en el laboratorio por la exposición de mezclas de nitrógeno y metano a las fuentes de energía que simulan la luz solar en Titán. Un guiso de moléculas orgánicas llamado ‘
tolinas’ es formado.Este consiste de compuestos de hidrógeno y carbono, llamados hidrocarbonos, así como nitrilos y aminas.
Los investigadores de Cornell vieron nitrilos y aminas como candidatos potenciales para sus membranas celulares Titanianas. Ambas son moléculas polares que pudieran estar pegadas para formar una membrana en metano líquido no polar debido a la polaridad de grupos que contienen nitrógeno que se encuentra en los dos. Ellos razonaron que las moléculas candidatas deben ser mucho más pequeñas que los fosfolípidos, para que pudieran formar fluidos de membranas a temperaturas de metano líquido. Consideraron nitrilos y aminas que contienen cadenas de entre tres y seis átomos de carbono. Nitrógeno contienen grupos que son llamados 'azoto' -grupos, así que el equipo nombró a su hipotética contraparte Titaniana al liposoma la 'azotosoma'.
Sintetizar azotosomas para su estudio experimental habría sido difícil y costoso, ya que los experimentos tendrían que ser conducidos a las temperaturas criogénicas del metano líquido. Pero desde entonces las moléculas candidatas han sido ampliamente estudiadas por otras razones, los investigadores de Cornell se sentían justificados en convertir las herramientas de química computacional para determinar si sus moléculas candidatas podían cohesionarse como una membrana flexible de metano líquido. Los modelos computacionales se han utilizado con éxito para estudiar membranas celulares de fosfolípidos convencionales.
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| El acrilonitrilo se ha identificado como una posible base para las membranas celulares en metano líquido en Titán. Se sabe que está presente en la atmósfera de Titán a una concentración de 10 partes por millón y se ha producido en las simulaciones de laboratorio de los efectos de las fuentes de energía en la atmósfera de nitrógeno y metano de Titán. Como una pequeña molécula polar capaz de disolverse en metano líquido, es una sustancia candidata para la formación de las membranas celulares en una bioquímica alternativa en Titán. Ázul claro: atomos de carbono, azul oscuro: átomo de nitrógeno, blanco: átomos de hidrógeno. Crédito: Ben Mills, modificadas por Paul Patton. - Crédito: universetoday.com |
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| Moléculas polares acrilonitrilo alinean la 'cabeza' a la 'cola' para formar una membrana de metano líquido no polar. Azul claro: átomos de carbono, azul oscuro: átomos de nitrógeno, blanco: átomos de hidrógeno. Crédito: James Stevenson. - Crédito: universetoday.com |
Simulaciones computacionales del grupo mostraron que algunas sustancias candidatas se pueden descartar porque no cohesionan como una membrana, sería demasiado rígida, o formarían un sólido. A pesar de eso, las simulaciones mostraron también que un número de sustancias formarían membranas con propiedades adecuadas. Una sustancia adecuada es el acrilonitrilo, que Cassini mostró está presente en la atmósfera de Titán a una concentración de 10 partes por millón. A pesar de la gran diferencia de temperatura entre azotozomas criogénicos y liposomas a temperatura ambiente, las simulaciones mostraron que exhiben propiedades sorprendentemente similares de estabilidad y respuesta al estrés mecánico. Las membranas celulares, entonces, son posibles para la vida en metano líquido.
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| Simulaciones químicas computacionales muestran que el acrilonitrilo y algun otro pequeño nitrógeno polar que contiene moléculas orgánicas son capaces de formar 'azotosomas' cuando se disuelven en metano líquido. Azotosomes son pequeñas esférulas delimitadas por membranas como los liposomas formados por fosfolípidos cuando se disuelven en agua. Las simulaciones muestran que azotosomas de acrilonitrilo serían estables y flexibles en el metano líquido a frío criogénico, dándoles las propiedades que necesitan para funcionar como membranas celulares para la hipotética vida Titaniana o para la vida en cualquier mundo con metano líquido en su superficie. El azotosoma que se muestra es de 9 nanómetros de tamaño, aproximadamente del tamaño de un virus. Átomos de carbono: azul claro, átomos de nitrógeno: azul oscuro, blanco: átomos de hidrógeno. Crédito: James Stevenson. - Crédito: universetoday.com |
Los científicos de Cornell ven sus hallazgos nada más que como un primer paso para mostrar que la vida en metano líquido es posible, y hacia el desarrollo de métodos que las
futuras naves espaciales necesitan para buscarla en Titán. Si la vida es posible en metano líquido, las implicaciones en última instancia se extienden mucho más allá de Titán.
En la búsqueda de condiciones adecuadas para la vida en la galaxia, los astrónomos tipicamente buscan exoplanetas dentro de la zona habitable de una estrella, que se define como el estrecho rango de distancias a las que un planeta con una atmósfera similar a la Tierra tendría una temperatura superficial apta para el agua líquida. Si la vida de metano es posible, entonces las estrellas también tendrían una zona habitable de metano, una región donde el metano podría existir como un líquido en un planeta o luna, haciendo posible la vida de metano. El número de mundos habitables de la galaxia se incrementaría considerablemente. Tal vez, en algunos mundos, la vida de metano evolucionaria en formas complejas que apenas podemos imaginar. Tal vez algunos de ellos son incluso un poco como monstruos marinos.
Referencias y lecturas adicionales:
N. Atkinson (2010)
Alien Life on Titan? Hang on Just a Minute, Universe Today.
N. Atkinson (2010)
Life on Titan Could be Smelly and Explosive, Universe Today.
M. L. Cable, S. M. Horst, R. Hodyss, P. M. Beauchamp, M. A. Smith, P. A. Willis, (2012)
Titan tholins: Simulating Titan organic chemistry in the Cassini-Huygens era, Chemical Reviews, 112:1882-1909.
E. Howell (2014)
Titan’s Majestic Mirror-Like Lakes Will Come Under Cassini’s Scrutiny This Week, Universe Today.
J. Major (2013)
Titan’s North Pole is Loaded With Lakes, Universe Today.
C. P. McKay, H. D. Smith, (2005)
Possibilities for methanogenic life in liquid methane on the surface of Titan, Icarus 178: 274-276.
J. Stevenson, J. Lunine, P. Clancy, (2015)
Membrane alternatives in worlds without oxygen: Creation of an azotosome, Science Advances 1(1):e1400067.
S. Oleson (2014)
Titan submarine: Exploring the depths of Kraken, NASA Glenn Research Center, Press release.
Cassini Solstice Mission, NASA Jet Propulsion Laboratory
NASA and ESA celebrate 10 years since Titan landing, NASA 2015
