Conferència de l'Astronòmica de Sabadell. Alistair Ian Spearing, 23 d'octubre de 2024
La bioquímica alternativa, ja veureu, és un tema molt interessant, perquè és una cosa que podem mirar a les nostres pròpies profunditats, les reaccions químiques, els compostos químics que ens mouen, i alhora la podem projectar al Cosmos, i preguntar-nos si els mecanismes que funcionen dins els nostres cossos -i els cossos de tots els organismes que coneixem a la Terra- també són els que trobaríem a l'altre punt del Sistema Solar, o al contrari, si el Cosmos també juga amb moltes peces diferents en aquest puzle.
El primer que ens hem de preguntar és què és la bioquímica alternativa. És molt senzill si veiem tota la diversitat de la vida a la Terra. Estem parlant de milions i milions d'espècies que van des dels bacteris més petits fins a balenes que pesen 200 tones. Poden ser procariotes que agafen l'energia de fumaroles submarines i que fan servir aquesta energia tèrmica per reproduir-se i viure i evolucionar, o poden ser arbres que es projecten 20, 30, 40 metres amunt per arribar a la llum del sol en un bosc. I poden ser, fins i tot, els insectes més efímers que neixen, viuen, es reprodueixen i moren un dia fins a arbres que ja existien quan es van construir les piràmides.
Per tant, com veieu, tenim una enorme diversitat de vida a la Terra. Si comptem les espècies extintes, que representen un 99% de totes les espècies que han existit a la Terra, encara és més gran, però darrere d'aquesta diversitat tan enorme s'amaga un punt en comú que tenen tots els organismes que coneixem: a nivell fonamental tots aquests organismes fan servir una bioquímica basada en l'aigua com a solvent i les molècules orgàniques, molècules de carboni, per a formar els seus components fonamentals com els glúcids, els carbohidrats, els àcids nucleics, les proteïnes, etc. Tots els organismes que coneixem fan servir aquesta bioquímica per les seves reaccions, pels seus compostos.
Llavors, què és el que fa que a la Terra, l'aigua i el carboni, siguin tan ubicus en totes les formes de vida? Comencem per l'aigua (figura 1). L'aigua no cal que us digui com d'útil és en la vida comuna, però també a nivell fonamental té diversos grans avantatges. Recordeu que està formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen. Ara bé, la manera com està repartida la càrrega elèctrica d'aquesta molècula no és igual, perquè l'oxigen té molts més protons que els dos àtoms d'hidrogen junts i, per tant, atreu els electrons de la molècula cap a aquella banda. És una molècula triangular, i la banda on hi ha l'oxigen té una càrrega elèctrica més negativa i, en canvi, l'altra, una càrrega més positiva. Té la seva càrrega elèctrica repartida de manera desigual i això li permet formar ponts d'hidrogen, que són una mena d’enllaços químics extremament útils a l'hora de formar molècules molt diverses. I, evidentment, això és un gran avantatge en la vida perquè en la vida necessitem molècules molt diverses. I també el fet de ser una molècula polar i altres característiques fa que sigui un molt bon solvent. S’hi pot posar sucre, sal, electròlits i mil coses més que són útils per a la vida i es dissolen molt bé.
Figura 1. Molècula d’aigua
El carboni, per altra banda, el seu gran avantatge per a la vida és que és un àtom extremament flexible. Es calcula que només a la Terra hi ha uns 10 milions de molècules orgàniques diferents. 10 milions és molt i, evidentment, no s’acosta a les molècules generades per cap altre tipus d’àtom.
Un altre avantatge del carboni és que pot formar grans cadenes. Per exemple, els hidrocarburs són cadenes de carbonis, normalment amb hidrògens, i poden ser tan llargs com vulguem. El que fa que el carboni sigui tan flexible, entre altres coses, és que a la seva capa de valència, és a dir, la seva última capa d'electrònica, té quatre electrons, i això li permet tenir bàsicament quatre punts de connexió amb altres àtoms per formar compostos.
I un altre gran avantatge que té sobre els altres elements del seu grup de la taula periòdica és que és el més petit de tots ells, és el que té la massa atòmica més petita. Una massa atòmica que li permet ser més versàtil, perquè en general, tot i que els elements d'un mateix grup de la taula periòdica tenen característiques químiques similars, són més flexibles els que són més petits.
Tot plegat, significa que l'aigua i el carboni no només són excel·lents per la seva banda, sinó que junts són més que la suma de les seves parts. I per tant, són una combinació, diríem, imbatible per crear formes de vida, fins a tal punt que costa imaginar-se una biosfera sense carboni. Fins i tot, si contempléssim la possibilitat que es forméssim altres biosferes evolutivament, les basades en l'aigua i el carboni tindrien uns avantatges tan descomunals que es menjarien les altres i aquestes desapareixerien.
Dit això, l’aigua amb carboni també és una molt bona combinació perquè l'aigua és líquida en un interval de temperatures que també és òptim per a les reaccions de compostos i la química en general amb el carboni. Si l'aigua fos líquida a una temperatura més freda, les reaccions del carboni procedirien a un ritme molt més lent i, per tant, el metabolisme dels éssers vius en qüestió seria molt més lent i l'evolució seria molt més lenta. Al contrari, si l'interval de temperatura al qual l'aigua és líquida fos més alt, perjudicaria greument l'estabilitat de les molècules de carboni i moltes vegades aquestes molècules es desintegrarien per la temperatura abans que poguessin formar compostos més interessants per a la vida.
Per tant, recapitulant, el que necessitem per a la vida és un solvent que sigui més o menys igual de funcional que l'aigua, que arribi més o menys al mateix nivell, i un element - o dos o tres- que sigui prou flexible per formar un gran nombre de molècules necessàries per a la vida. Com més complexa és la vida, evidentment, més molècules ha de tenir.
Avui repassarem els diferents tipus de bioquímiques alternatives que els científics han anat posant sobre la taula al llarg de les dècades, que són bàsicament quatre i mig. I dic quatre i mig perquè l'últim no és realment bioquímica sinó l'absència de bioquímica, que és la vida sintètica, la intel·ligència artificial.
Els quatre tipus de bioquímica alternativa que explorarem avui són: les biomolècules de quiralitat inversa, els solvents alternatius a l'aigua, els elements exòtics que puguin substituir o complementar el carboni, i una bioquímica menys alternativa, perquè estaríem parlant encara d'aigua amb carboni, però que sigui exòtica en altres sentits. Per a cadascuna d'aquestes opcions us explicaré la base teòrica, i n'avaluarem els pros i els contres en comparació amb la bioquímica basada en l'aigua i el carboni.
Biomolècules de quiralitat inversa
La quiralitat la defineixen els diccionaris especialitzats com la incapacitat de dos objectes d'alinear-se perfectament amb la seva imatge especular (figura 2). El que ve a dir és que, bàsicament, la quiralitat ha de ser com uns guants de jardineria, que són simètrics. Els veiem i semblen la imatge especular l'un i de l'altre, però si intentem posar-nos el guant de la mà esquerra a la mà dreta, o al revés, no acabarà d'entrar del tot bé. Doncs això també passa en la química. En la química, moltes vegades tenim els enantiòmers, que són parells de molècules que són la imatge especular l'una de l’altra, però que no són intercanviables. No es pot agafar una aminoàcid d'una quiralitat diferent i esperar que funcioni. Per algun motiu que desconeixem, les categories de molècules essencials per a la vida tendeixen a ser totes d'una mateixa homoquilaritat a la Terra. Per exemple, els aminoàcids són levogirs, és a dir que són com el guant esquerre, i els glúcids, els sucres, són dextrogirs. I reitero, les molècules d'un tipus no són compatibles amb les molècules d'un altre.
Figura 2. Quiralitat
Això no impedeix que en una altra biosfera els aminoàcids puguin ser dextrogirs o els glúcids levogirs. Però aquesta biosfera continuaria tenint el mateix problema. Allà seria de l'altra manera, però no serien compatibles les molècules d'una quiralitat amb les molècules d'una altra.
Hi ha diverses teories sobre per què a la Terra totes les molècules d’una mateixa categoria tendeixen a ser d'una mateixa quiralitat. Per exemple, s'ha proposat que la polarització de la llum del Sol al passar a través de la nebulosa de gas inicial, va polaritzar de forma diferencial les molècules orgàniques i això va fer que, de bon principi, les molècules orgàniques més fonamentals acabessin sent d'una quiralitat o l'altra.
Deixant de banda les qüestions més espinoses de bioètica, tècnicament és molt probable que en els propers anys aconseguim, mitjançant la genètica, crear formes de vida amb molècules de quiralitat diferent. És una cosa que amb la tecnologia actual és bastant “bricomania”.
Solvents diferents de l’aigua
Anem a veure els solvents que poden substituir l’aigua. Farem una repassada a la taula periòdica (figura 3). Aquesta taula es diu periòdica perquè agrupa els diferents elements químics en files i columnes que mostren certes propietats que es van repetint. Per això veurem que els elements que poden substituir el carboni són els del grup del carboni, els de la seva mateixa columna. Sent simplistes, diríem que són com el carboni però més pesats, més massius. Igualment passa amb l’oxigen i els àtoms del seu grup, de la seva columna.
Figura 3. Taula periòdica dels elements químics
L’amoníac és la primera opció que explorarem. L’amoníac té un avantatge molt gran, que és que tant en el Sistema Solar com en la resta del cosmos, és molt abundant. I també té propietats bastant similars a les de l'aigua: és una molècula polar, i tot i que el nitrogen no forma part del mateix grup de la taula periòdica que l'oxigen, pot formar molècules que són anàlogues, com les amines, per exemple, que són l'equivalent biològic en molts aspectes del grup hidròxid. Ara bé, també té problemes. A diferència de l'aigua, forma ponts hidrogen febles, i això afecta la seva capacitat com a solvent i la seva capacitat de formar molècules variades. I a més és inflamable amb presència d'oxigen. Això significa que no és compatible amb la respiració aeròbica. Evidentment a la pròpia Terra tenim organismes que respiren de forma anaeròbica, però en limita els contextos en els quals pots existir.
Això vol dir que aquesta bioquímica alternativa és molt dependent del context. La bioquímica basada en l’amoníac, és una bioquímica que serà més útil i més probable que existeixi en ambients freds, com per exemple podria ser a Tità, satèl·lit de Saturn. Aquesta bioquímica faria servir també molècules basades en el carboni, però el solvent ja no seria l'aigua, sinó diferents tipus d'hidrocarburs com el metà i l’età. Està demostrat que en aquest satèl·lit hi ha cicles hidrològics comparables als de la Terra, és a dir, hi ha evaporació i núvols, plou, hi ha rius i llacs, però no són d’aigua sinó d’hidrocarburs que compleixen el mateix cicle. I per tant, els organismes que tinguessin bioquímica basada en hidrocarburs podrien tenir amplis recursos a Tità.
Figura 4. Possible bioquímica de Tità
En comparació amb la bioquímica basada en l'aigua com a solvent, la basada en els hidrocarburs, tendeix a ser menys corrosiva amb altres ingredients bàsics fonamentals de la vida. La hidròlisi és una reacció bastant fumuda per a les molècules més bàsiques, i si no hi ha aigua, no hi ha destrucció i les molècules poden ser més estables. Per contra, no són molècules polars i això dificulta que pugui transportar substàncies.
Continuem parlant de Tità, però passant pàgina a un altre tipus de bioquímica alternativa, que són els azotosomes. Fa uns set o vuit anys, acadèmics de la Universitat Cornell van desenvolupar un model que predeia l'existència d'azotosomes, que vindrien a ser com unes membranes cel·lulars que estarien compostes d'acrilonitril i podrien ser estables, i no només estables, sinó que podrien reproduir-se en un volum de metà líquid. Aquí a la Terra no existeix de forma natural, però en llocs com Tità, això seria perfecte. I poc després ALMA va descobrir que efectivament a Tità hi havia acrilonitril. El problema és que no sabem com ha arribat aquell acrilonitril allà, no sabem si són fenòmens que podrien afavorir la seva conversió en azotosomes.
Un altre solvent alternatiu és el fluorur d’hidrogen, format per un àtom de fluor més un àtom d'hidrogen, que també és una molècula polar. Té un interval de temperatures al qual està líquid més o menys com l'aigua, i un altre punt important és que també forma enllaços de pont d'hidrogen. Ara bé, els que alguna vegada heu treballat en seguretat química, sabeu que és un compost extremament corrosiu i perillós en moltes condicions. I no només per a les formes de vida grans com nosaltres, sinó també per a les molècules més bàsiques. I a més, el fluorur d'hidrogen és molt poc abundant a l'univers, per tant, costaria veure un lloc on hi hagués prou acumulació per fomentar una bioquímica basada en aquest compost.
Un altre candidat és el sulfur d'hidrogen, format per dos àtoms d'hidrogen i un de sofre. També té l'avantatge que és una molecular polar. I recordant el que dèiem abans, que els elements que pertanyen a un mateix grup de la taula periòdica tendeixen a tenir propietats químiques similars, el sofre és del mateix grup que l'oxigen. En cossos on hi hagi vulcanisme pot ser molt útil i permetre la formació i l'emergència de vida. I, a més, és compatible amb les emissions de volcans, com poden ser el monòxid de carboni i el diòxid de carboni, i, per tant, hi hauria un cercle virtuós. En contra, tot i que té polaritat, no en té tanta com l’aigua perquè el sofre no és tan electronegatiu com l'oxigen. I a més es troba en estat líquid entre , -86 graus i -60 graus sota zero, que és un interval baix i molt petit.
El diòxid de silici, format per dos àtoms d’oxigen més un àtom de silici, té unes propietats molt semblants a les de l’aigua en estat líquid. És un compost molt abundant en planetes tel·lúrics (el silici és el principal element de l’escorça terrestre). El problema que té és que estem parlant de sorra, de quars, de vidre, però ja sabeu que la sorra no és líquida a temperatura ambient, com tampoc no ho són el quars ni el vidre, sinó que són sòlids. Només és líquid entre 1.713 i 2.950 graus. Sorprenentment, això no ho fa del tot incompatible amb la bioquímica, però sí amb la bioquímica basada en el carboni, perquè a aquestes temperatures les molècules orgàniques tenen una durada de vida extremament curta.
Opcions encara més exòtiques són els fluïts supercrítics, en les quals s'ha proposat que bombolles de gas en ells podrien agafar el rol i el paper de les membranes cel·lulars, i per tant estaríem parlant d'organismes extremament efímers. L'hidrogen líquid i el nitrogen líquid també podrien ser solvents en planetes molt freds. I a l'altre extrem tindríem la sal comuna, que podria funcionar de manera una mica similar al que dèiem fa un moment sobre el diòxid de silici.
Alternatives al carboni
Passarem a revisar les alternatives al carboni. Torno a posar la taula periòdica (figura 3). Els elements del grup del carboni són els que tendeixen a tenir una capa de valència amb el mateix nombre d'electrons. I per tant tindran més o menys el mateix nivell de flexibilitat, amb l'excepció que us he dit abans sobre la mida dels àtoms i també amb l'excepció de diferents nivells d’electronegativitat.
Abans us he dit que hi ha molts científics que diuen que l'aigua i el carboni són una combinació tan bona que no cal ni que parlem de diferents opcions, que no es pot superar i que si existís una bioquímica alternativa en algun lloc seria una cosa marginal. Els científics que no hi estan d'acord s'hi refereixen amb el terme, un xic despectiu, de xovinisme del carboni. El propi Carl Sagan ho va comentar ja fa moltes dècades, dient que li semblava molt complicat veure unes formes de vida que no fessin servir l'aigua i el carboni, però llavors afegia que podia ser que nosaltres ho veiéssim així perquè estem fets d'aigua i de carboni.
El silici és l’element que està just a sota del carboni a la taula periòdica, per tant és el seu veí, el seu anàleg més proper. Té l'avantatge que pot formar silans (molècules formades per un silici i quatre hidrògens), que seria l’equivalent del metà. I també pot formar cadenes com el tetrasilà (que seria l’equivalent al butà). Amb les temperatures i en les condicions adequades podria formar una biosfera. Ara bé, el silici té un gran problema, i és que és un àtom més gros, i li costa molt més formar molècules que al carboni. Per tant, les formes de vida que evolucionessin en una biosfera basada en el silici, estarien jugant en un joc de Lego que tindrien moltes menys peces. I la versatilitat és importantíssima en la vida. A més els silans no són compatibles amb l'aigua, pateixen la hidròlisi molt ràpidament, per tant, requeririen una alternativa a l'aigua com a solvent. Però encara que no hi hagi aigua, tendeixen a ser molt inestables i a desintegrar-se per si sols. Per tant, ja us podeu imaginar que no és gaire bo per a l'evolució si es crea una molècula interessant i al cap de poc es destrueix espontàniament.
Paradoxalment, les silicones que fem servir per a la construcció són molt més estables perquè es combinen amb oxigen. Al silici, a més, tampoc no li fa por al fred, no té problemes amb solvents, com tindria l'aigua en les circumstàncies molt fredes. Els polisilans (anàlegs dels glúcids) són solubles en nitrogen líquid, cosa que els faria molt interessants per biosferes o per medis extremament freds on ni ens plantejàvem que hi pogués haver biosfera basada en l'aigua i el carboni.
Un altre element que pot ser interessant és el bor. Aquest, igual que el carboni, forma molècules orgàniques anomenades borans (dos àtoms de bor més dos àtoms d’hidrogen). Aquest molècula és coneguda perquè és un combustible de coets, per tant és extremadament inflamable, i això no tendeix a ser una bona combinació amb la vida. Ara bé, en una atmosfera reductora, rica en nitrogen per exemple, sí que podria funcionar, perquè posaria límits a la seva inestabilitat i explosivitat. Però un dels grans problemes del bor és la seva escassedat a l’Univers.
Altres elements que formen molècules complexes amb l'oxigen són el titani, l’alumini, el magnesi i el ferro. Tots aquests àtoms poden formar òxids interessants amb l'oxigen, que en les condicions adequades podrien substituir les funcions que fan les molècules orgàniques en els organismes que trobem a la Terra.
El sofre és un altre element interessant i, de fet, és dels que més s'assemblen al carboni, perquè té molts dels avantatges que hem enumerat, i en canvi no té molts dels desavantatges que tenen altres elements. Per tant, a primera vista, podria ser una opció molt interessant, però el problema és que el sofre només pot formar cadenes lineals, i en canvi el carboni pot formar cadenes ramificades, com les que trobem en molts anticossos o en aminoàcids, i això no és una cosa trivial, sinó que afecta molt la funció i la versatilitat de les molècules.
Ara us parlaré de l’arsènic. Aquí ja no parlo de substituir el carboni ni l’aigua, sinó que en una bioquímica com al nostra, l’arsènic podria substituir el fósfor. Per a nosaltres l’arsènic és un verí, però hi ha organismes que el toleren i que l'han integrat en la seva biologia. Hi ha algues, per exemple, que formen els compostos orgànics d'arsènic, que són els principals responsables de l'acumulació d'arsènic a la xarxa atròfica. També hi ha procariotes, bacteris, eubacteris i arqueobacteris que els fan servir com a donador o receptor d'electrons. Per tant, l'han integrat en els seus processos bioquímics. Però la pregunta és si l'arsènic pot substituir el fòsfor, i la resposta és que teòricament sí.
Fa uns 15 anys, la NASA va anunciar que havien descobert uns bacteris extremòfils al llac Mono, que és un llac extremament salat de Califòrnia amb grans concentracions de metalls, d'arsènic i d'altres elements no massa habituals en els llacs. Aquest bacteris eren capaços de substituir el fòsfor per arsènic a un nivell molt més fonamental que el que es coneixia. I això, a nivell d'astrobiologia, era importantíssim, perquè semblava que confirmava com a mínim un tipus de bioquímica alternativa. El fòsfor no era imprescindible, ja que es podia substituir per l’arsènic. Ara bé, als anys següents, altres científics van intentar replicar aquestes investigacions amb resultats nuls. Això volia dir que, en el millor dels casos s'havia fet l'estudi de manera molt deficient, i en el pitjor dels casos era frau. Al final, va resultar que aquest bacteri podia tolerar la presència d'arsènic millor que altres bacteris, és a dir, que el matava menys, però no que el pogués integrar en la seva bioquímica.
Altres tipus de bioquímica compatibles amb l’aigua i el carboni
En aquest quart bloc veurem diferents tipus de bioquímica menys alternativa, compatibles amb l’aigua i el carboni.
El primer serien pigments alternatius a la clorofil·la. Les plantes són verdes per un motiu molt senzill, i és que la llum que emet el Sol és especialment abundant en les freqüències vermelles i blaves. Per tant, a les plantes els interessa absorbir aquestes freqüències i, en canvi deixen anar altres freqüències perquè el Sol en genera menys. En el cas de la Terra, la llum que deixen anar les plantes és la verda perquè no n’hi ha gaire.
Ara bé, hi ha molts tipus diferents d'estrelles a l’Univers. I podrien donar lloc a biosferes on l'equivalent de les plantes fossin grogues o vermelles, per exemple. En canvi, pels tipus d'estels que coneixem i pels coneixements que tenim de l’estructura de compostos com la clorofil·la, sabem que és bastant improbable que hi hagi una biosfera amb plantes blaves.
Una altra opció seria l’existència d’aminoàcids alternatius. Els mamífers fem servir bàsicament 20 aminoàcids, alguns dels quals són essencials i els hem d'aconseguir amb la dieta, i altres no són essencials, sinó que els creem nosaltres mateixos. I si mirem tots els organismes de la Terra, veiem que hi ha una gran varietat d’aminoàcids, però n’hi ha quatre que segurament ja existien en els primers organismes que van aparèixer: l’alanina, la valina, la glicina i la prolina. Els altres setze que utilitzem són derivats de l'alanina. Ara bé, no hi ha cap motiu pel qual això hagi de ser així. Podríem tenir una altra biosfera on els aminoàcids addicionals no fossin derivats de l'alanina, sinó que fossin derivats de la prolina o de la glicina.
Col·loqui
La fosfina que es va trobar a Venus on la col·loquem, en tot això?
No es va confirmar. Jo, en el seu moment, ja vaig dir que era molt interessant trobar fosfina a Venus tant per si era d'origen biològic, perquè llavors la importància i la evidència era òbvia i evident, però fins i tot si resultava que no era d'origen biològic, perquè llavors significava que havíem trobat una font o un mecanisme que crea fosfina que fins ara no coneixíem, perquè nosaltres no sabíem que Venus hi hagués un mecanisme que pogués permetre la generació fosfina.
Volia preguntar-te referent a la importància de l'aigua, que és líquida. Els sistemes gasosos també són capaç de fer solvència. Quina és la possibilitat de formes de vida a altes capes de l’atmosfera? Per exemple, en el nostre cas, aquí a la Terra.
En temperatures elevades, tant en gasos com en plasmes, es formen bombolles, i hi ha qui ha postulat que podrien tenir una funció similar a les que tenen les membranes cel·lulars molt primitives. I a partir d'aquí s'ha extrapolat que en unes condicions en les quals aquestes condicions fossin sostingudes, podria donar peu a una evolució.
Les missions que estan ara de cara a anar a Europa, estan enfocades en bioquímiques alternatives o enfocades en el que ja coneixem a la Terra?
Doncs cap de les dues coses, la veritat, perquè el que ja coneixem a la Terra, molt difícilment ho trobarem a llocs com Europa o Tità o altres llocs que s'han plantejat com a possibles llocs en formes d'habitat al sistema solar, però tampoc no estan centrats específicament en l'astrobiologia.