Un equipo de Chalmers y la NASA revela que ciertas reacciones químicas pueden producirse en el frío extremo de Titán, lo que redefine reacciones clave antes de la aparición de la vida en la Tierra.
Titán, la mayor luna de Saturno, es uno de los mundos más singulares del Sistema Solar y podría compartir rasgos con la evolución temprana de la Tierra. La envuelve una atmósfera espesa compuesta sobre todo por nitrógeno y metano, una composición que podría parecerse a la de la Tierra de hace miles de millones de años, antes de que emergiera la vida. La luz solar y otras radiaciones espaciales hacen que estas moléculas reaccionen entre sí, por eso la luna está cubierta por una neblina anaranjada de compuestos orgánicos, es decir ricos en carbono. Uno de los principales productos formados de este modo es el cianuro de hidrógeno.
La superficie extremadamente fría de Titán alberga lagos y ríos de metano y etano líquidos. Es el único lugar conocido, aparte de la Tierra, donde hay líquidos formando lagos en la superficie. Titán tiene meteorología y estaciones. Hay viento, se forman nubes y llueve, aunque en forma de metano en lugar de agua. Las mediciones también indican que probablemente exista un gran mar de agua líquida a muchos kilómetros bajo la superficie, que en principio podría albergar vida.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, y del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA han hecho un descubrimiento que cuestiona una regla básica de la química y aporta nueva información sobre la luna Titán. En su entorno extremadamente frío, sustancias que normalmente no se mezclan pueden combinarse. Este hallazgo amplía la comprensión de la química previa a la aparición de la vida.
La comunidad científica se ha fijado en la gran luna anaranjada de Saturno porque su evolución puede enseñarnos más sobre nuestro propio planeta y sobre los primeros pasos químicos hacia la vida. El frío de Titán y su atmósfera espesa, cargada de nitrógeno y metano, se parecen a las condiciones que se cree que existían en la Tierra joven hace miles de millones de años. Al estudiar Titán, los investigadores esperan encontrar pistas sobre el origen de la vida en nuestro mundo.
Martin Rahm, profesor asociado del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers, lleva años intentando descifrar qué ocurre en Titán. Ahora confía en que el hallazgo del grupo, que ciertas sustancias polares y no polares pueden combinarse, guíe estudios futuros sobre esta luna.
Una luna tan grande como el planeta Mercurio
“Estos son resultados muy emocionantes que pueden ayudarnos a entender algo a una escala enorme, una luna tan grande como el planeta Mercurio”, afirma.
El artículo del equipo, publicado en PNAS, muestra que metano, etano y cianuro de hidrógeno, presentes en grandes cantidades en la atmósfera y en la superficie de Titán, pueden interactuar de una manera que hasta ahora no se consideraba posible. Que el cianuro de hidrógeno, una molécula excepcionalmente polar, forme cristales con sustancias completamente no polares como metano y etano resulta sorprendente, porque estas sustancias normalmente permanecen estrictamente separadas, igual que aceite y agua.
“El descubrimiento de la interacción inesperada entre estas sustancias podría afectar a cómo entendemos la geología de Titán y sus extraños paisajes de lagos, mares y dunas de arena. Además, es probable que el cianuro de hidrógeno desempeñe un papel importante en la creación abiótica de varios de los componentes básicos de la vida, por ejemplo aminoácidos, que se usan para construir proteínas, y nucleobases, que se necesitan para el código genético. Por eso nuestro trabajo también aporta ideas sobre la química anterior al surgimiento de la vida y sobre cómo podría avanzar en entornos extremos e inhóspitos”, explica Martin Rahm, quien lideró el estudio.
La investigación de Chalmers nació de una pregunta sin respuesta sobre Titán. Qué sucede con el cianuro de hidrógeno después de que se forme en la atmósfera de la luna. ¿Se acumulan metros de este material en la superficie o ha interactuado o reaccionado con su entorno de algún modo. Para buscar la respuesta, un grupo del JPL de la NASA en California comenzó experimentos en los que mezcló cianuro de hidrógeno con metano y etano a temperaturas tan bajas como 90 kelvin, unos 180 grados bajo cero. A esas temperaturas, el cianuro de hidrógeno es un sólido cristalino y el metano y el etano son líquidos.
Cuando estudiaron esas mezclas con espectroscopia láser, una técnica que examina materiales y moléculas a nivel atómico, hallaron que las moléculas seguían intactas, pero que algo había pasado. Para entenderlo, contactaron con el grupo de Martin Rahm en Chalmers, que ya había investigado extensamente el cianuro de hidrógeno.
“Esto dio lugar a una colaboración teórica y experimental muy interesante entre Chalmers y la NASA. La pregunta que nos hicimos era un poco loca. ¿Pueden explicarse las medidas por una estructura cristalina en la que metano o etano se mezclen con cianuro de hidrógeno. Esto contradice una regla de la química, ‘lo semejante disuelve a lo semejante’, que básicamente significa que no debería ser posible combinar estas sustancias polares y no polares”, señala Rahm.
Para poner a prueba la idea, los investigadores de Chalmers recurrieron a simulaciones computacionales a gran escala. Probaron miles de formas de organizar las moléculas en estado sólido. Buscaban configuraciones que explicaran los datos experimentales. En su análisis, detectaron que los hidrocarburos se habían introducido en la red cristalina del cianuro de hidrógeno y habían formado nuevas estructuras estables, conocidas como co-cristales.
“Esto puede ocurrir a temperaturas muy bajas, como las de Titán. Nuestros cálculos no solo predijeron que las mezclas inesperadas son estables en las condiciones de Titán, también espectros de luz que coinciden bien con las mediciones de la NASA”, afirma.
El hallazgo desafía una de las reglas más conocidas de la química, aunque Rahm no cree que haya que reescribir los libros de texto.
“Lo veo como un buen ejemplo de cuándo la química amplía sus límites y una regla universalmente aceptada no siempre se cumple”, añade.
En 2034, se espera que la sonda Dragonfly de la NASA llegue a Titán con el objetivo de investigar su superficie. Hasta entonces, Rahm y sus colegas planean seguir explorando la química del cianuro de hidrógeno, en parte en colaboración con la NASA.
“El cianuro de hidrógeno se encuentra en muchos lugares del Universo, por ejemplo en grandes nubes de polvo, en atmósferas planetarias y en cometas. Los resultados de nuestro estudio pueden ayudarnos a entender qué ocurre en otros entornos fríos del espacio. Y quizá podamos averiguar si otras moléculas no polares también pueden entrar en los cristales de cianuro de hidrógeno y, si es así, qué podría significar para la química que precede a la aparición de la vida”, concluye.
En 2028, la NASA planea lanzar la misión Dragonfly, que debería llegar a Titán en 2034. Su objetivo es estudiar la química prebiótica, la química que precede a la vida, y buscar señales de vida.
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