Material orgánico de Marte revela el posible origen de los bloques de construcción de la vida
Dos muestras de Marte juntas proporcionan la “pistola humeante” en un nuevo estudio que muestra el origen del material orgánico marciano. El estudio presenta evidencia sólida para una predicción hecha hace más de una década por investigadores de la Universidad de Copenhague que podría ser clave para comprender cómo se formaron por primera vez las moléculas orgánicas, la base de la vida, aquí en la Tierra.
En un cráter de meteoritos en el planeta rojo, un robot solitario se mueve. Ahora mismo, probablemente esté recogiendo muestras de suelo con un taladro y un brazo robótico, como suele hacer. El rover Curiosity de la NASA ha estado activo en Marte como brazo extendido de la ciencia durante casi 12 años, y continúa haciendo descubrimientos que sorprenden y desafían la comprensión de los científicos tanto de Marte como de nuestro propio mundo aquí en la Tierra.
Más recientemente, el descubrimiento de material orgánico sedimentario con propiedades particulares ha tenido a muchos investigadores rascándose la cabeza. Las propiedades de estos materiales a base de carbono, en particular la proporción de sus isótopos de carbono, sorprendieron a los investigadores.
Los materiales orgánicos con tales propiedades, si se encontraran en la Tierra, generalmente serían un signo de microorganismos, pero también pueden ser el resultado de procesos químicos no biológicos. El hallazgo, obviamente, hizo que los investigadores buscaran una respuesta clara, pero nada parecía encajar.
Sin embargo, para la colaboración de investigación detrás de un nuevo estudio publicado en Nature Geoscience, ha habido pocos rasguños de cabeza y mucho entusiasmo.
De hecho, el descubrimiento en Marte proporcionó la pieza faltante que hizo que todo encajara para este grupo de investigadores de la Universidad de Copenhague y el Instituto de Tecnología de Tokio.
Como coautor y profesor de química Matthew Johnson lo expresa, es “la pistola humeante” necesaria para confirmar una teoría de hace una década suya sobre la llamada fotólisis en la atmósfera de Marte.
Con la muestra de Curiosity, la nueva investigación puede probar con una certeza razonable que el Sol descompuso el CO2 en la atmósfera marciana hace miles de millones de años, como lo predijo la vieja teoría. Y que el monóxido de carbono resultante reaccionó gradualmente con otros productos químicos en la atmósfera sintetizando moléculas complejas, y así proporcionando a Marte materiales orgánicos.
“Estas moléculas complejas a base de carbono son el requisito previo de la vida, los bloques de construcción de la vida, por así decirlo. Entonces, esto es un poco como el viejo debate sobre qué fue primero, el huevo o la gallina. Demostramos que el material orgánico que se encuentra en Marte se ha formado a través de reacciones fotoquímicas atmosféricas, sin vida, es decir. Este es el ‘huevo’, un requisito previo de la vida. Todavía queda por demostrar si este material orgánico dio como resultado vida en el Planeta Rojo “. dijo Johnson y continuó:
“Además, dado que la Tierra, Marte y Venus tenían atmósferas muy similares ricas en CO2 hace mucho tiempo cuando tuvo lugar esta fotólisis, también puede resultar importante para nuestra comprensión de cómo comenzó la vida en la Tierra”, dijo el profesor Matthew Johnson del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague.
Dos piezas separadas por 50 millones de kilómetros: un rompecabezas resuelto
Hace 12 años, Johnson y dos colegas utilizaron simulaciones basadas en la mecánica cuántica para determinar qué sucede cuando una atmósfera rica en CO2 se expone a la luz UV del Sol, en un proceso conocido como fotólisis.
Básicamente, en Marte, alrededor del 20% del CO2 se divide en oxígeno y monóxido de carbono. Pero el carbono tiene dos isótopos estables: carbono-12 y carbono-13. Por lo general, están presentes en una proporción de un carbono-13 por cada 99 carbonos-12. Sin embargo, la fotólisis funciona más rápido para el carbono-12 más ligero, por lo que el monóxido de carbono producido por la fotólisis tiene menos carbono-13 (está agotado), y el CO2 sobrante tiene más (está enriquecido).
Debido a esto, Johnson y sus colegas pudieron hacer predicciones muy precisas de la proporción de isótopos de carbono después de la fotólisis. Y esto les dio dos huellas dactilares distintivas para buscar. Uno de ellos se identificó en una muestra marciana diferente, hace años.
“En realidad tenemos un pedazo de Marte aquí en la Tierra, que fue desprendido de ese planeta por un meteorito, y luego se convirtió en uno él mismo, cuando aterrizó aquí en la Tierra. Este meteorito, llamado Allan Hills 84001 por el lugar en la Antártida donde se encontró, contiene minerales carbonatados que se forman a partir del CO2 en la atmósfera. La pistola humeante aquí es que la proporción de isótopos de carbono en él coincide exactamente con nuestras predicciones en las simulaciones de química cuántica, pero faltaba una pieza en el rompecabezas. Nos faltaba el otro producto de este proceso químico para confirmar la teoría, y eso es lo que ahora hemos obtenido”, dice Matthew Johnson.
El carbono en el meteorito Allan Hills está enriquecido en carbono-13, lo que lo convierte en la imagen especular del agotamiento en carbono-13 que ahora se ha medido en el material orgánico encontrado por Curiousity en Marte.
Por lo tanto, el nuevo estudio ha vinculado datos de dos muestras que los investigadores creen que tienen el mismo origen en la infancia de Marte, pero que se encontraron a más de 50 millones de kilómetros de distancia.
“No hay otra forma de explicar tanto el agotamiento del carbono-13 en el material orgánico como el enriquecimiento en el meteorito marciano, ambos en relación con la composición del CO2 volcánico emitido en Marte, que tiene una composición constante, similar a la de los volcanes de la Tierra, y sirve como línea de base”, dijo Johnson.
Espero encontrar la misma evidencia en la Tierra
Debido a que el material orgánico contiene esta “huella digital” isotópica de dónde vino, los investigadores pueden rastrear el origen del carbono en el material orgánico hasta el monóxido de carbono formado por la fotólisis en la atmósfera. Pero esto también revela mucho sobre lo que le sucedió en el medio.
“Esto demuestra que el monóxido de carbono es el punto de partida para la síntesis de moléculas orgánicas en este tipo de atmósferas. Así que tenemos una conclusión importante sobre el origen de los bloques de construcción de la vida. Aunque hasta ahora solo en Marte”, dijo Matthew Johnson.
Los investigadores esperan encontrar la misma evidencia isotópica en la Tierra, pero esto aún no ha sucedido, y podría ser un desafío mucho mayor porque nuestro desarrollo geológico ha cambiado la superficie de manera significativa en comparación con Marte, explica Johnson.
“Es razonable suponer que la fotólisis del CO2 también fue un requisito previo para el surgimiento de la vida aquí en la Tierra, en toda su complejidad. Pero aún no hemos encontrado este material de “pistola humeante” aquí en la Tierra para probar que el proceso tuvo lugar. Quizás porque la superficie de la Tierra está mucho más viva, geológica y literalmente, y por lo tanto cambia constantemente. Pero es un gran paso que ahora lo hayamos encontrado en Marte, desde una época en que los dos planetas eran muy similares”, dice Matthew Johnson.
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Datos: Material orgánico
La muestra que se encontró en Marte contiene depósitos de lo que se llama material orgánico. Para los legos, esto puede sonar más emocionante de lo que es. El material orgánico en un contexto químico no necesariamente significa algo vivo, como uno podría pensar normalmente. El término abarca moléculas que contienen carbono y al menos otro elemento y pueden existir fácilmente sin vida. Estas moléculas son más bien los bloques de construcción de la vida.
Datos: ¿Qué es la fotólisis?
La fotólisis significa que los rayos UV del Sol proporcionan a las moléculas energía para realizar una transformación química. Según la investigación, esto sucedió en la atmósfera marciana, donde el 20% de las moléculas de CO2 allí se dividieron en oxígeno y monóxido de carbono.
En investigaciones anteriores, Johnson y sus colegas demostraron que el dióxido de carbono que contiene el isótopo carbono-12 se fotoliza más rápidamente que el isótopo carbono-13 más pesado.
Con el tiempo, se produce CO que está agotado en 13C, y el 13C se acumula en el CO2 restante. Esto da como resultado lo que se conoce como enriquecimiento isotópico en CO2 y agotamiento en CO, como imágenes especulares o cada mitad de un plato roto.
Es la proporción de fraccionamiento en carbono, que sirve como evidencia de fotólisis en las dos muestras de Marte.
Datos: el oxígeno pintó Marte de rojo
La fotólisis de una molécula de CO2 produce monóxido de carbono (CO) y un átomo de oxígeno (O). En Marte, solo queda monóxido de carbono, que se transforma en el material orgánico que encontró el rover Curiosity.
Pero tampoco es ningún secreto a dónde ha ido el oxígeno. El oxígeno se combina en O2, que interactúa con el hierro en la superficie de Marte. El Planeta Rojo es de color rojo óxido debido al hierro oxidado.
Datos: los isótopos tienen diferentes pesos
Los isótopos son variantes del mismo elemento que tienen diferentes pesos porque el núcleo contiene más o menos neutrones.
El carbono tiene dos isótopos estables: normalmente, alrededor del 99% del carbono tiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo (12C). Aproximadamente el 1% tiene 6 protones y 7 neutrones en su lugar (13C). La proporción puede servir como huella digital química que revela qué reacciones ha experimentado el carbono.
La fotólisis favorece el carbono-12, y por lo tanto, una alta concentración del isótopo puede indicar este proceso.
Información adicional: El famoso meteorito marciano
El descubrimiento de sedimentos orgánicos en Marte con una baja proporción de carbono-13 completa el rompecabezas de la evidencia empírica de la teoría de la fotólisis, ya que los investigadores ya encontraron la otra parte de ese rompecabezas hace años en el famoso meteorito, Allan Hills 84001. El meteorito contiene carbonato con una mayor concentración de isótopos de carbono pesado 13.
Descubierto en la Antártida hace 40 años por Roberta Score, se cree que el meteorito se originó en el Planeta Rojo y se hizo particularmente conocido porque contiene algunos depósitos que llevaron a los investigadores de la NASA a anunciar en 1996 que creían haber encontrado rastros de fósiles microscópicos de bacterias de Marte.
Hoy, el consenso es que estos depósitos son abióticos, es decir, que provienen de procesos no biológicos.
Información adicional: Marte, la Tierra y Venus tenían la misma atmósfera
Según los investigadores, la Tierra tenía aproximadamente la misma atmósfera que nuestros planetas vecinos Marte y Venus hace miles de millones de años.
Cuando los primeros planetas Venus, la Tierra y Marte finalmente formaron superficies sólidas, los investigadores creen que comenzaron a liberar grandes cantidades de CO2 de una actividad volcánica extrema. Así es como formaron sus primeras atmósferas con grandes concentraciones del gas. El oxígeno aún no formaba parte de la atmósfera; esto sucedió más tarde en la Tierra, después del surgimiento de la vida.
La teoría de la fotólisis establece que los rayos UV del sol luego inician una cadena de reacciones químicas. Una cadena que comienza con la descomposición del CO2 en monóxido de carbono, que es el bloque de construcción de una multitud de otros compuestos químicos.
Por lo tanto, con la ayuda del Sol, se formaron los cimientos de los muchos compuestos de carbono y moléculas complejas que tenemos hoy en día: en el caso de la Tierra, los cimientos de la vida.
“Desde entonces, el destino de los tres planetas ha sido significativamente diferente. El dióxido de carbono de la Tierra reaccionó con nuestra gran cantidad de agua superficial y gran parte de él se depositó con el tiempo como rocas carbonatadas como la piedra caliza, dejando la atmósfera dominada por el nitrógeno, como la tenemos hoy. Surgió la vida, y los microorganismos produjeron oxígeno que, entre otras cosas, creó nuestra capa de ozono, mientras que Marte y Venus todavía tienen atmósferas muy dominadas por CO2 hoy en día”, explica Matthew Johnson.
Hoy, Venus tiene una atmósfera muy densa y tóxica, principalmente de CO2, lo que le da una temperatura superficial de alrededor de 450 grados centígrados.
En Marte, la atmósfera se ha vuelto mucho más delgada en comparación con la de la Tierra, y ha dejado un paisaje desértico.
Acerca del nuevo estudio:
El estudio está publicado en Nature Geoscience y acaba de aparecer en la edición de junio de la revista.
Los siguientes investigadores han contribuido al nuevo estudio:
Del Departamento de Química de la Universidad de Copenhague:
Matthew S. Johnson y Johan A. Schmidt
Del Instituto de Tecnología de Tokio:
Yuichiro Ueno, Xiaofeng Zang, Alexis Gilbert, Hiroyuki Kurokawa y Tomohiro Usui
De la Universidad de Tokio y el Real Instituto Belga de Aeronomía Espacial:
Shohei Aoki
Revista
Nature Geoscience
Título del artículo
Síntesis de materia orgánica agotada en 13C a partir de CO en una atmósfera marciana primitiva reductora
Fecha de publicación del artículo
09-mayo-2024
