Conferencia de la Astronómica de Sabadell. Alistair Ian Spearing, 23 de octubre de 2024.
La bioquímica alternativa es un tema muy interesante, porque es algo que podemos mirar en nuestras propias profundidades, las reacciones químicas, los compuestos químicos que nos mueven, y al mismo tiempo lo podemos proyectar en el Cosmos, y preguntarnos si los mecanismos que funcionan dentro de nuestros cuerpos -y los cuerpos de todos los organismos que conocemos en la Tierra- también son los que encontraríamos en la otra punta del Sistema Solar, o por el contrario, si el Cosmos también juega con muchas piezas diferentes en este puzle.
Lo primero que cabe preguntarse es qué es la bioquímica alternativa. Es muy sencillo si vemos toda la diversidad de vida que hay en la Tierra. Estamos hablando de millones y millones de especies que van desde las bacterias más pequeñas hasta las ballenas que pesan 200 toneladas. Pueden ser procariotas que cogen la energía de fumarolas submarinas y que utilizan esta energía térmica para reproducirse, vivir y evolucionar, o pueden ser árboles que se proyectan 20, 30, 40 metros hacia arriba para llegar a la luz del sol en un bosque. Pueden ser los insectos más efímeros que nacen, viven, se reproducen y mueren en un solo día hasta árboles que ya existían cuando se construyeron las pirámides.
Por tanto, como puede verse, tenemos una enorme diversidad de vida en la Tierra. Si contamos las especies extintas -que representan un 99% de todas las especies que han existido en la Tierra- es aún mayor, pero detrás de esta diversidad tan enorme se esconde un punto en común en todos los organismos que conocemos: a nivel fundamental todos estos organismos utilizan una bioquímica basada en el agua como solvente y las moléculas orgánicas, moléculas de carbono, para formar sus componentes fundamentales como los glúcidos, los carbohidratos, los ácidos nucleicos, las proteínas, etc. Todos los organismos que conocemos utilizan esta bioquímica para sus reacciones, para sus compuestos.
Entonces, ¿qué es lo que hace que en la Tierra, el agua y el carbono, sean tan ubicuos en todas las formas de vida? Empecemos por el agua (figura 1). El agua, no hace falta que os diga, lo útil que es en la vida común, pero también a nivel fundamental tiene varias grandes ventajas. Está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Ahora bien, la forma en que está repartida la carga eléctrica de esta molécula no es igual, porque el oxígeno tiene muchos más protones que los dos átomos de hidrógeno juntos y, por tanto, atrae a los electrones de la molécula hacia su lado. Es una molécula triangular, y el lado donde se encuentra el oxígeno tiene más carga eléctrica negativa que la parte del hidrógeno, y esto le permite formar puentes de hidrógeno, que son una especie de enlaces químicos extremadamente útiles a la hora de formar moléculas muy diversas. Y, por supuesto, esto es una gran ventaja en la vida porque en la vida necesitamos moléculas muy diversas. Y ser una molécula polar y otras características hace que sea un muy buen solvente. Se puede poner azúcar, sal, electrolitos y mil cosas más que son útiles para la vida y se disuelven muy bien.
Figura 1. Molécula de agua
El carbono, por su parte, su gran ventaja para la vida es que es un átomo extremadamente flexible. Se calcula que sólo en la Tierra existen unos 10 millones de moléculas orgánicas diferentes. 10 millones es mucho y, por supuesto, no se acerca a las moléculas generadas por ningún otro tipo de átomo.
Otra ventaja del carbono es que puede formar grandes cadenas. Por ejemplo, los hidrocarburos son cadenas de carbonos, normalmente con hidrógenos, y pueden ser tan largos como queramos. Lo que hace que el carbono sea tan flexible, entre otras cosas, es que, en su capa de valencia, es decir su última capa de electrónica, tiene cuatro electrones, lo que le permite tener básicamente cuatro puntos de conexión con otros átomos para formar compuestos.
Y otra gran ventaja que tiene sobre los demás elementos de su grupo de la tabla periódica es que es el más pequeño de todos ellos, el de menor masa atómica, y eso le permite ser más versátil, porque los elementos más pequeños son más flexibles.
Todo ello significa que el agua y el carbono no son solo excelentes por sí mismos, sino que juntos son más que la suma de sus partes. Y, por tanto, son una combinación, diríamos, imbatible para crear formas de vida, hasta tal punto que cuesta imaginarse una biosfera sin carbono. Incluso, si contempláramos la posibilidad de que se formaran otras biosferas evolutivamente, las basadas en el agua y el carbono tendrían unas ventajas tan descomunales que se comerían las demás y éstas desaparecerían.
Además, el agua con carbono es también una muy buena combinación porque el agua es líquida en un intervalo de temperaturas que también es óptimo para las reacciones de compuestos y la química en general del carbono. Si el agua fuera líquida a una temperatura más fría, las reacciones del carbono procederían a un ritmo mucho más lento y, por tanto, el metabolismo de los seres vivos en cuestión sería mucho más lento y la evolución sería mucho más lenta. Por el contrario, si el intervalo de temperatura al que el agua es líquida fuera más alto, perjudicaría gravemente la estabilidad de las moléculas de carbono y muchas veces estas moléculas se desintegrarían por la temperatura antes de que pudieran formar compuestos más interesantes para la vida.
Por tanto, recapitulando, lo que necesitamos para la vida es un solvente que sea más o menos igual de funcional que el agua, que llegue más o menos al mismo nivel, y un elemento - o dos o tres- que sea lo suficientemente flexible por formar un gran número de moléculas necesarias para la vida. Cuanto más compleja es la vida, evidentemente, más moléculas debe tener.
Hoy repasaremos los diferentes tipos de bioquímicas alternativas que los científicos han ido poniendo sobre la mesa a lo largo de las décadas, básicamente cuatro y medio. Y digo cuatro y medio porque el último no es realmente bioquímica sino la ausencia de bioquímica, que es la vida sintética, la inteligencia artificial.
Los cuatro tipos de bioquímica alternativa que vamos a explorar son: las biomoléculas de quiralidad inversa, los solventes alternativos al agua, los elementos exóticos que puedan sustituir o complementar el carbono, y una bioquímica menos alternativa, porque estaríamos hablando todavía de agua y carbono, pero alternativa en otros sentidos. Para cada una de estas opciones os explicaré la base teórica, y evaluaremos sus pros y contras en comparación con la bioquímica basada en el agua y el carbono.
Biomoléculas de quiralidad inversa
La quiralidad la definen los diccionarios especializados como incapacidad de dos objetos de alinearse perfectamente con su imagen especular (figura 2). Lo que viene a decir es que, básicamente, la quiralidad debe ser como unos guantes de jardinería, que son simétricos. Los vemos y uno parece la imagen especular del otro, pero si intentamos ponernos el guante de la mano izquierda en la mano derecha, o al revés, no entrará del todo bien. Pues esto también ocurre con la química. En la química, muchas veces tenemos a los enantiómeros, que son pares de moléculas que son la imagen especular la una de la otra, pero que no son intercambiables. No se puede tomar un aminoácido de una quiralidad diferente y esperar a que funcione. Por algún motivo que desconocemos, las categorías de moléculas esenciales para la vida tienden a ser todas de una misma homoquilaridad en la Tierra. Por ejemplo, los aminoácidos son levógiros, es decir que son como el guante izquierdo, y los glúcidos, los azúcares, son dextrógiros. Y reitero, las moléculas de un tipo no son compatibles con las moléculas del otro tipo.
Figura 2. Quiralidad
Esto no impide que en otra biosfera los aminoácidos puedan ser dextrógiros o los glúcidos levógiros. Pero esa biosfera seguiría teniendo el mismo problema. Allí sería de otra forma, pero no serían compatibles las moléculas de una quiralidad con las moléculas de la otra.
Existen diversas teorías sobre por qué en la Tierra todas las moléculas de una misma categoría tienden a ser de una misma quiralidad. Por ejemplo, se ha propuesto que la polarización de la luz del Sol al pasar a través de la nebulosa de gas inicial, polarizó de forma diferencial las moléculas orgánicas y esto hizo que, en un principio, las moléculas orgánicas más fundamentales terminaran siendo de una u otra quiralidad.
Dejando de lado las cuestiones más espinosas de bioética, técnicamente es muy probable que en los próximos años consigamos, mediante la genética, crear formas de vida con moléculas de quiralidad diferente. Es algo que con la tecnología actual es bastante “bricomanía”.
Solventes distintos del agua
Vamos a ver los solventes que pueden sustituir al agua. Haremos un repaso a la tabla periódica (figura 3). Esta tabla se llama periódica porque agrupa a los diferentes elementos químicos en filas y columnas que muestran ciertas propiedades que se van repitiendo. Por eso veremos que los elementos que pueden sustituir al carbono son los del grupo del carbono, los de su misma columna. Siendo simplistas, diríamos que son como el carbono, pero más pesados, más masivos. Igualmente ocurre con el oxígeno y los átomos de su grupo, de su columna.
Figura 3. Tabla periódica de los elementos químicos
El amoníaco es la primera opción que vamos a explorar. Este compuesto tiene una ventaja muy grande, que es que tanto en el Sistema Solar como en el resto del cosmos es muy abundante. Y también tiene propiedades bastante similares a las del agua: es una molécula polar, y aunque el nitrógeno no forma parte del mismo grupo de la tabla periódica que el oxígeno, puede formar moléculas que son análogas, como las aminas, por ejemplo, que son el equivalente biológico en muchos aspectos del grupo hidróxido. Sin embargo, también tiene problemas. A diferencia del agua, forma puentes de hidrógeno débiles, lo que afecta a su capacidad como solvente y a su capacidad de formar moléculas variadas. Además, es inflamable en presencia de oxígeno. Esto significa que no es compatible con la respiración aeróbica. Evidentemente aquí mismo en la Tierra tenemos organismos que respiran de forma anaeróbica, pero sus biosferas son muy limitadas.
Esto significa que esta bioquímica alternativa es muy dependiente del contexto. La bioquímica basada en el amoníaco es una bioquímica que será más útil y más probable que exista en ambientes fríos, como por ejemplo podría ser en Titán, el satélite de Saturno. Esta bioquímica utilizaría también moléculas basadas en el carbono, pero el solvente ya no sería el agua, sino diferentes tipos de hidrocarburos como el metano y el etano. Está demostrado que en este satélite existen ciclos hidrológicos comparables a los de la Tierra, con evaporación y nubes, llueve, hay ríos y lagos, pero no son de agua sino de hidrocarburos que cumplen el mismo ciclo. Y por tanto, los organismos con bioquímica basada en hidrocarburos podrían tener amplios recursos en Titán.
Figura 4. Posible bioquímica de Titán
En comparación con la bioquímica basada en el agua como solvente, la basada en los hidrocarburos, tiende a ser menos corrosiva con otros ingredientes básicos fundamentales de la vida. La hidrólisis es una reacción bastante nociva para las moléculas más básicas, y si no hay agua, no existe destrucción y las moléculas pueden ser más estables. Ahora bien, no son moléculas polares, lo que dificulta que pueda transportar sustancias.
Continuaremos hablando de Titán, pero con otro tipo de bioquímica alternativa, que son los azotosomas. Hace unos siete u ocho años, académicos de la Universidad Cornell desarrollaron un modelo que predecía la existencia de azotosomas, que serían como unas membranas celulares compuestas de acrilonitrilo y podrían ser estables, y no sólo estables, sino que podrían reproducirse en un medio de metano líquido. Aquí en la Tierra no existe de forma natural, pero en lugares como Titán, sería perfecto. Y poco después ALMA descubrió que efectivamente en Titán había acrilonitrilo. El problema es que no sabemos cómo ha llegado ese acrilonitrilo allí, y no sabemos si se podría convertir en azotosomas.
Otro solvente alternativo es el fluoruro de hidrógeno, formado por un átomo de flúor más un átomo de hidrógeno, que también es una molécula polar. Es líquido más o menos en un intervalo de temperaturas como el agua, y otro punto importante es que también forma enlaces de puentes de hidrógeno. Ahora bien, los que alguna vez han trabajado en seguridad química, sabéis que es un compuesto extremadamente corrosivo y peligroso en muchas condiciones. Y no sólo para las formas de vida grandes como nosotros, sino para las moléculas más básicas. Y además, el fluoruro de hidrógeno es muy poco abundante en el universo, por tanto, costaría ver un lugar donde hubiera suficiente acumulación para fomentar una bioquímica basada en este compuesto.
Otro candidato es el sulfuro de hidrógeno, formado por dos átomos de hidrógeno y uno de azufre. También tiene la ventaja de que es una molecular polar. Y recordando que los elementos que pertenecen a un mismo grupo de la tabla periódica tienden a tener propiedades químicas similares, el azufre es del mismo grupo que el oxígeno. En cuerpos donde exista vulcanismo puede ser muy útil y podría permitir la formación y emergencia de vida. Y, además, es compatible con otros gases emitidos por los volcanes, como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, y, por tanto, habría un círculo virtuoso. En contra, aunque tiene polaridad, no tiene tanta como el agua porque el azufre no es tan electronegativo como el oxígeno. Y además se encuentra en estado líquido entre -86 grados y -60 grados bajo cero, que es un intervalo bajo y muy pequeño.
El dióxido de silicio, formado por dos átomos de oxígeno más uno de silicio, tiene unas propiedades muy similares a las del agua en estado líquido. Es un compuesto muy abundante en planetas telúricos (el silicio es el principal elemento de la corteza terrestre). Su problema es que estamos hablando de arena, de cuarzo, de vidrio, pero ya sabéis que la arena no es líquida a temperatura ambiente, como tampoco lo son el cuarzo ni el vidrio, sino que son sólidos. Sólo es líquido entre 1713 y 2950 grados. Sorprendentemente, esto no lo hace del todo incompatible con la bioquímica, pero sí con la bioquímica basada en el carbono, porque a estas temperaturas las moléculas orgánicas tienen una duración de vida extremadamente corta.
Otras opciones aún más exóticas son los fluidos supercríticos, en las que se ha propuesto que burbujas de gas en ellos podrían tomar el rol y el papel de las membranas celulares, y por tanto estaríamos hablando de organismos extremadamente efímeros. El hidrógeno líquido y el nitrógeno líquido también podrían ser solventes en planetas muy fríos. Y en el otro extremo tendríamos también la sal común, que podría funcionar de forma algo similar a como lo haría el dióxido de silicio.
Alternativas al carbono
Pasaremos a revisar las alternativas al carbono. Vuelvo a poner la tabla periódica (figura 3). Los elementos del grupo del carbono son los que tienen una capa de valencia con igual número de electrones, y por tanto tendrán más o menos el mismo nivel de flexibilidad, con la excepción que os he dicho antes del tamaño de los átomos y también con la excepción de diferentes niveles de electronegatividad.
Antes os he dicho que hay muchos científicos que dicen que el agua y el carbono son una combinación tan buena que no hace falta ni que hablemos de diferentes opciones, que no se puede superar y que si existiera una bioquímica alternativa en algún sitio sería una cosa marginal. Los científicos que no están de acuerdo con esto se refieren a ello con el término, algo despectivo, de chovinismo del carbono. El propio Carl Sagan lo comentó hace ya muchas décadas, diciendo que le parecía muy complicado ver unas formas de vida que no utilizaran el agua y el carbono, pero entonces añadía que podía ser que nosotros lo viéramos así porque estamos hechos de agua y de carbono.
El silicio es el elemento que está justo debajo del carbono en la tabla periódica, por tanto es su vecino, su análogo más cercano. Tiene la ventaja de que puede formar silanes (moléculas formadas por un silicio y cuatro hidrógenos), que sería el equivalente del metano. Y también puede formar cadenas como el tetrasilano (que sería el equivalente al butano). Con las temperaturas y condiciones adecuadas podría formar una biosfera. Ahora bien, el silicio tiene un gran problema, y es que es un átomo mayor, y le cuesta mucho más formar moléculas que al carbono. Por tanto, las formas de vida que evolucionaran en una biosfera basada en el silicio, estarían jugando en un juego de Lego que tendrían muchas menos piezas. Y la versatilidad es importantísima en la vida. Además, los silanes no son compatibles con el agua, sufren la hidrólisis muy rápidamente, por tanto, requerirían una alternativa al agua como solvente. Pero, aunque no haya agua, tienden a ser muy inestables y desintegrarse por sí solos. Por tanto, ya podéis imaginaros que no es muy bueno para la evolución si se crea una molécula interesante y al poco se destruye espontáneamente.
Paradójicamente, las siliconas que utilizamos para la construcción son mucho más estables porque se combinan con oxígeno. Al silicio, además, tampoco le da miedo al frío, no tiene problemas con solventes, como tendría el agua en las circunstancias muy frías. Los polisilanos (análogos de los glúcidos) son solubles en nitrógeno líquido, lo que les haría muy interesantes para biosferas o para medios extremadamente fríos donde ni nos planteábamos que pudiera haber biosferas basada en el agua y el carbono.
Otro elemento que puede ser interesante es el boro. Éste, igual que el carbono, forma moléculas orgánicas llamadas boranes (dos átomos de boro más dos átomos de hidrógeno). Esta molécula es conocida porque es un combustible de cohetes, por tanto, es extremadamente inflamable, y esto no tiende a ser una buena combinación con la vida. Ahora bien, en una atmósfera reductora, rica en nitrógeno, por ejemplo, sí que podría funcionar, porque pondría límites a su inestabilidad y explosividad. Pero uno de los grandes problemas del boro es su escasez en el Universo.
Otros elementos que forman moléculas complejas con el oxígeno son el titanio, el aluminio, el magnesio y el hierro. Todos estos átomos pueden formar óxidos interesantes con el oxígeno, que en las condiciones adecuadas podrían sustituir las funciones que realizan las moléculas orgánicas en los organismos que encontramos en la Tierra.
El azufre es otro elemento interesante y, de hecho, es de los que más se asemejan al carbono, porque tiene muchas de las ventajas que hemos enumerado, y en cambio no tiene muchas de las desventajas que tienen otros elementos. Por tanto, a primera vista, podría ser una opción muy interesante, pero el problema es que el azufre sólo puede formar cadenas lineales, y en cambio el carbono puede formar cadenas ramificadas, como las que encontramos en muchos anticuerpos o en aminoácidos, y eso no es algo trivial, sino que afecta mucho a la función y la versatilidad de las moléculas.
Ahora hablaré del arsénico. Aquí ya no hablo de sustituir el carbono ni el agua, sino que, en una bioquímica como la nuestra, el arsénico podría sustituir al fósforo. Para nosotros el arsénico es un veneno, pero hay organismos que lo toleran y que lo han integrado en su biología. Existen algas, por ejemplo, que forman compuestos orgánicos de arsénico, y que son los principales responsables de la acumulación de arsénico en la red atrófica. También existen procariotas, bacterias, eubacterias y arqueas que las utilizan como donador o receptor de electrones. Por tanto, lo han integrado en sus procesos bioquímicos. Pero la pregunta es si el arsénico puede sustituir al fósforo, y la respuesta es que teóricamente sí.
Hace unos 15 años, la NASA anunció que habían descubierto unas bacterias extremófilas en el lago Mono, que es un lago extremadamente salado de California con grandes concentraciones de metales, arsénico y otros elementos no demasiado habituales en los lagos. Estas bacterias eran capaces de sustituir el fósforo por arsénico a un nivel mucho más fundamental que lo que se conocía. Y esto, a nivel de astrobiología, era importantísimo, porque parecía confirmar al menos un tipo de bioquímica alternativa. El fósforo no era imprescindible, puesto que se podía sustituir por el arsénico. Ahora bien, en los años siguientes, otros científicos intentaron replicar estas investigaciones con resultados nulos. Esto significaba que, en el mejor de los casos, se había hecho el estudio de manera muy deficiente, y en el peor de los casos era fraude. Al final, resultó que esta bacteria podía tolerar la presencia de arsénico mejor que otras bacterias, es decir que le mataba menos, pero no que pudiera integrarlo en su bioquímica.
Otros tipos de bioquímica compatibles con el agua y el carbono
En este cuarto bloque veremos distintos tipos de bioquímica menos alternativa, compatibles con el agua y el carbono.
El primero serían pigmentos alternativos a la clorofila. Las plantas son verdes por un motivo muy sencillo, y es que la luz que emite el Sol es especialmente abundante en las frecuencias rojas y azules. Por tanto, a las plantas les interesa absorber estas frecuencias y, en cambio, no absorben otras frecuencias porque el Sol genera menos. En el caso de la Tierra, la luz que no absorben las plantas es la verde porque no hay mucha.
Ahora bien, existen muchos tipos diferentes de estrellas en el Universo. Y podrían dar lugar a biosferas en las que el equivalente de las plantas fuera amarillas o rojas, por ejemplo. En cambio, por los tipos de estrellas que conocemos y por los conocimientos que tenemos de la estructura de compuestos como la clorofila, sabemos que es bastante improbable que exista una biosfera con plantas azules.
Otra opción sería la existencia de aminoácidos alternativos. Los mamíferos utilizamos básicamente 20 aminoácidos, algunos de los cuales son esenciales y debemos conseguirlos con la dieta, y otros no son esenciales, sino que los creamos nosotros mismos. Y si miramos a todos los organismos de la Tierra, vemos que hay una gran variedad de aminoácidos, pero hay cuatro que seguramente ya existían en los primeros organismos que aparecieron: la alanina, la valina, la glicina y la prolina. Los otros dieciséis que utilizamos son derivados de la alanina. Ahora bien, no hay ningún motivo por el que esto deba ser así. Podríamos tener otra biosfera en la que los aminoácidos adicionales no fueran derivados de la alanina, sino que fueran derivados de la prolina o de la glicina.
Coloquio
¿La fosfina que se encontró en Venus donde la colocamos, en todo esto?
No se confirmó. Yo, en su momento, ya dije que era muy interesante encontrar fosfina en Venus tanto por si era de origen biológico, porque entonces parecía obvio, pero incluso si resultaba que no era de origen biológico, porque entonces significaba que habíamos encontrado una fuente o mecanismo de creación de fosfina desconocida, porque nosotros no sabíamos que en Venus hubiera un mecanismo que pudiera permitir la generación fosfina.
Quería preguntarte en lo referente a la importancia del agua, que es líquida. Los sistemas gaseosos también son capaces de hacer solvencia. ¿Cuál es la posibilidad de formas de vida en altas capas de la atmósfera? Por ejemplo, en nuestro caso, aquí en la Tierra.
A temperaturas elevadas, tanto en gases como en plasmas, se forman burbujas, y hay quienes han postulado que podrían tener una función similar a las que tienen las membranas celulares muy primitivas. Y a partir de ahí se ha extrapolado que, en unas condiciones sostenidas, podrían dar lugar a una evolución.
Las misiones espaciales que irán a Europa, ¿están enfocadas hacia bioquímicas alternativas o enfocadas en lo que ya conocemos en la Tierra?
Pues ninguna de las dos cosas, la verdad, porque lo que ya conocemos en la Tierra, muy difícilmente lo encontraremos en lugares como Europa o Titán u otros lugares que se han planteado como posibles lugares en formas de hábitat en el sistema solar, pero tampoco están centrados específicamente en la astrobiología conocida.