Toda la materia está constituida por los 90 elementos químicos naturales de la tabla periódica, desde el hidrógeno hasta el uranio. La vida no necesita de tantos elementos, se basta con apenas la tercera parte. De forma mayoritaria sólo cuatro, hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno, se combinan de incontables formas para dar las moléculas de la vida, aunque para ello necesitan de la contribución indispensable de 23-25 elementos. En definitiva, unos 30 elementos químicos son suficientes para sostener la vida.
Origen de los elementos
Fue necesario esperar hasta la segunda mitad del siglo pasado para que cuatro físicos ilustres propusieran que los elementos químicos se formaron en las reacciones nucleares que ocurrieron en las estrellas, en un proceso que se conoce como la nucelosíntesis estelar, que utiliza como combustible nuclear el hidrógeno que se formó en la gran explosión.
La gran explosión cósmica, el big bang, es el mejor modelo del que disponemos para explicar el origen del universo. Postula que hace unos 13.700 millones de años de forma espontánea se produjo la gran explosión cósmica que dio origen al espacio, la energía y el tiempo.
La temperatura inicial fue extraordinariamente elevada pero pronto con la expansión el universo se enfrió y apenas un par de minutos después la temperatura había descendido hasta unos 1.000 millones de kelvins permitiendo que las partículas elementales se asociaran formando los núcleos de los elementos más ligeros, grandiosas cantidades de hidrógeno, también de helio y sólo trazas del elemento siguiente, el litio. Todos los demás elementos, con pocas excepciones, se formaron en la nucelosíntesis estelar.
Materia bariónica y materia oscura
Éste es el origen de la materia ordinaria, que los físicos llaman bariónica, que hasta hace sólo unas décadas se creía que era el constituyente casi único del universo. Hoy se sabe que la materia bariónica es tan sólo un 4,6% del total y que hay un 23% de una forma misteriosa de materia, denominada materia oscura, que ejerce un efecto gravitatorio pero que no emite ni absorben radicación. Y un 72% de otra forma, todavía más misteriosa de energía (energía oscura), que es al parecer responsable de la expansión acelerada del universo. Se cree que la materia oscura forma enormes halos entorno a las galaxias y otras estructuras cósmicas.
El estudio de la materia y de la energía oscura constituye uno de los temas más atractivos de la astrofísica moderna y, de hecho, la propuesta de que la energía oscura es responsable de la expansión acelerada del universo fue distinguida con un Premio Nobel de Física de 2011.
Durante los primeros cientos de millones de años el universo estuvo sumido en una oscuridad impenetrable. Las primeras estrellas se formaron unos 400 millones de años después del big bang a partir del gas primordial, hidrógeno y helio originado. Y en las altísimas temperaturas de su interior se produjeron enormes cantidades de todos los elementos químicos, los elementos más pesados. Muchas de esas estrellas murieron en grandes explosiones, llamadas supernovas, que esparcieron por el espacio interestelar las primeras cantidades de los elementos químicos más pesados. Y la semilla fructificó y dio origen a la vida que conocemos hoy en la Tierra.
El material expulsado al espacio interestelar se mezcló con el gas primordial y sirvió para formar las estrellas de siguiente generación que cumplieron su ciclo vital y así hasta nuestros días. El sol, de hecho, se cree que es una estrella de tercera generación.
Hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno
El sol, centro del sistema solar, se formó hace 4.570 millones de años con una masa extraordinariamente grande. Está constituido fundamentalmente por hidrógeno y helio. Aunque la temperatura en la superficie del sol no es muy elevada (5700 kelvins) en el interior alcanza cientos de miles de kelvin y en el núcleo es de entre 10-15 millones de kelvins.
En esas condiciones se produce la fusión de los núcleos de hidrógeno (combustión nuclear del hidrógeno), que ocurre mediante una secuencia de reacciones que se conoce como la cadena protón protón I (cuatro protones -es decir 4 núcleos de hidrógeno- se convierten en una partícula alfa, un núcleo de helio, y se producen dos positrones y dos neutrinos). Como hay una pequeña diferencia de masa entre la izquierda y la derecha de esa ecuación se convierte en energía, por lo que en este caso una pequeñísima cantidad de materia produce una enorme cantidad de energía, que se libera en el núcleo del sol en forma de radiación gamma de altísima frecuencia, que poco a poco se va atenuando.
En presencia de algunos elementos más pesados, especialmente de carbono 12, los protones pueden encontrar una vía alternativa para producir helio, a través del clico catalítico del carbono, del nitrógeno y del oxígeno. Y ésta es la única fuente del elemento nitrógeno en el universo. Parte de este nitrógeno lo fijamos para producir amoniaco, que es la base de la industria de los fertilizantes que permite la agricultura intensiva. Además es el nitrógeno que forma nuestros aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, y otras moléculas indispensables para la vida.
En las estrellas de masa muy grande la temperatura en el interior puede alcanzar valores muy elevados y se puede producir en el núcleo una contracción que hace que aumente la temperatura y cuando se sobrepasan los 100 millones de kelvins se produce el flash del helio (la combustión nuclear del helio), que ocurre a través de un proceso muy complejo cuya etapa inicial es la fusión nuclear de dos partículas alfa (dos núcleos de helio) para formar un núcleo de berilio 8, que es inestable y se desintegra produciendo las dos partículas alfa originales. Pero en las condiciones tan drásticas de densidad, temperatura y presión que existen en el núcleo de las estrellas se crea una pequeña concentración de equilibrio de berilio 8, que permite la captura de una tercera partícula alfa formando los núcleos de carbono 12, es el proceso triple alfa, y es el responsable de la existencia del carbono en el universo y por tanto el último responsable de la existencia de la vida. Y estos núcleos pueden capturar una cuarta partícula alfa formando oxígeno 16.
Después de cientos de miles de años en esta situación el resultado global es la formación de cantidades comparables de carbono 12 y oxígeno 16 que son los nucleidos más abundantes en el universo después del hidrógeno y del helio.
Es posible que ocurran otras reacciones nucleares de fusión que producen núcleos más complejos de neón, magnesio, la fusión de carbono 12 con oxígeno 16 para producir silíceo 28, la formación de núcleos de azufre e, incluso, la fusión nuclear de los núcleos de silicio 28 para dar hierro 56, que es el último que puede originarse en reacción de fusión nuclear, y es el más estable.
Cuando una estrella muy grande llega a su final, el núcleo de la estrella ha desarrollado una especie de estructura de capas. Cuando la cantidad de hierro de la estrella es muy grande se produce el colapso gravitacional del núcleo de la estrella, la temperatura aumenta enormemente y se produce la desintegración de los núcleos de hierro formando partículas alfa y neutrones, e incluso la desintegración de las partículas alfa para producir neutrones, y se genera un océano de neutrones.
Son procesos endotérmicos, es decir, absorben energía del núcleo de la estrella. El efecto de succión que origina se suma al colapso de la gravedad, y en cuestión de segundos una esfera enorme se colapsa sobre sí misma hacia el núcleo y encuentra, en el límite final, el núcleo de neutrones impenetrable que evita el colapso y devuelve hacia atrás en ondas de choque que salen expulsadas con velocidades próximas a las del sonido.
Mientras tanto las capas externas de la estrella, aunque ajenas al proceso, empiezan también a colapsar a una velocidad extraordinaria. Así que dos masas enormes a altísimas velocidades y en sentidos opuestos se encuentran y en una fracción cortísima de tiempo se produce uno de los actos más violentos del universo: la explosión de supernovas de tipo IIa.
La explosión va acompañada de un gran estallido de luz. El núcleo que queda puede formar una estrella de neutrones o un agujero negro. La explosión arroja al espacio trillones o más de todos los elementos químicos a grandes distancias y a altas velocidades, forman el remanente de una supernova. Se cree que una supernova tuvo una influencia decisiva en la formación del sistema solar.
Formación del Sol
Hace unos 4.600 millones de años en un lugar de nuestra galaxia se acumuló una nébula de proporciones inimaginables, constituida fundamentalmente por gas (hidrógeno y helio), pero también tenía materia sólida (polvo, óxidos metálicos, etc.). La nebulosa giraba lentamente y se encontraba en situación de equilibrio gravitacional metaestable. Se cree que la onda expansiva de una supernova propició el colapso gravitatorio de toda esta masa hacia el centro de la formación. Y se acumuló en el centro una gran cantidad de materia que dio lugar a una protoestrella, que recibía grandes cantidades de materia especialmente a través de un disco de acreción. Y al mismo tiempo arrojaba a lo largo de los polos enormes cantidades de material. Esta fase de formación de las estrellas se denomina fase de T Tauri y tiene miles de años de duración. Poco a poco la parte superior y la inferior del disco de acreción se iban limpiando de gas y de polvo. El proceso de contracción continuó, la masa siguió acumulándose en el centro del sistema y cuando la temperatura alcanzó algunos millones de kelvins comenzaron los procesos de fusión nuclear del hidrógeno y la protoestrella se convirtió en nuestra estrella: el Sol.
Formación de los planetas del sistema solar
El material que se arrojaba en los conos, el más ligero, alcanzó grandísimas distancias y dio lugar a los grandes gigantes gaseosos (Júpiter y Saturno) que están constituidos fundamentalmente por hidrógeno y también a los grandes gigantes helados Urano y Neptuno, formados fundamentalmente por hielo. En cambio la materia sólida quedó en regiones próximas a la estrella y constituyeron semillas de planetas (planetesimales) que dieron lugar a los cuatro planetas rocosos del sistema solar: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.
Numerosas evidencias experimentales y también infinidad de cálculos teóricos han puesto de manifiesto que unos 30 millones de años después de formarse la Tierra sufrió la brutal colisión de un planetesimal que tenía el tamaño de Marte en vuelo rasante y que arrancó de ella el material que compuso la Luna.
Planeta Tierra
Inicialmente la temperatura de nuestro planeta era altísima debido a las múltiples colisiones de miles y miles de asteroides y cometas, y también por la intensísima radiación solar y por el calor que se liberaba en la superficie de la tierra como consecuencia de la desintegración de los elementos radiactivos.
Poco a poco se fue enfriando y se produjo un proceso que se conoce como de diferenciación, el hierro, el cobalto y el níquel (metales muy abundantes en la tierra) formaron el núcleo del planeta y le acompañaron otros elementos metálicos que tienen gran afinidad química por el hierro. En cambio los materiales más ligeros formaron el manto y la corteza terrestre.
La atmósfera primitiva tenía grandes cantidades de hidrógeno y de helio que se escaparon pronto venciendo el campo gravitatorio terrestre, también grandes cantidades de amoniaco, de metano y muy especialmente de agua. En este periodo la Tierra (como les decía) sufrió el impacto de miles de asteroides y de cometas y se cree que gran parte del agua que hay en nuestro planeta tuvo esa procedencia externa. Inicialmente el agua estaba en la atmósfera en forma de vapor, la tierra estaba todavía muy caliente, pero con el paso de los miles de años se fue enfriando y debió llegar un momento en el que la temperatura de la superficie fue lo suficientemente baja para acoger el agua líquida en su seno y entonces empezaría un diluvio que arrojó sobre el planeta cientos de billones de toneladas de agua.
LUCA
Lejos de erradicar la vida parece que este tremendo acontecimiento la propició y hace 3.600 millones de años surgieron las primeras formas de vida, un antepasado común que muchos designan con el acrónimo LUCA (Last Uniform Common Ancestor). De él en el proceso evolutivo, en los siguientes cientos de millones de años, surgieron las formas de vida actuales: arqueas, bacterias, y eucarias.
Pero antes de todo eso para que pudieran surgir estas formas primitivas de vida debieron existir en la Tierra las moléculas precursoras de la vida: los aminoácidos, hidratos de carbono, bases nitrogenadas y otras muchas.
Hipótesis sobre el origen de las moléculas precursoras
Las primeras hipótesis proceden de comienzos del siglo pasado. Fueron formuladas por un bioquímico ruso, Alexander Oparin, y simultáneamente por un biólogo escocés, Haldane, que propusieron una atmósfera reductora en la Tierra que por acción de los rayos, las altas temperaturas y la radiación ultravioleta, a partir de las moléculas sencillas (amoniaco, agua, metano), formaron grandes cantidades de sustancias orgánicas que se descompusieron y fueron acumulándose en los depósitos de agua naturales, lagos, mares, y de ellas surgieron de alguna forma las moléculas de la vida.
Primeras evidencias experimentales
Durante toda la primera mitad del siglo XX fueron hipótesis meramente especulativas. En 1952 llegó la primera evidencia experimental de las investigaciones de Stanley Miller, quien propuso a su supervisor de tesis doctoral que era Harold Urey, premio Nobel de Química, un experimento sencillo: en un matraz de vidrio de cinco litros de capacidad Miller insertó dos electrodos y hacía saltar periódicamente descargas eléctricas para simular los rayos y relámpagos de las tormentas en la atmósfera primitiva. Llenó el matraz con amoniaco, metano, hidrógeno y sobre todo con grandes cantidades de vapor de agua. Al cabo de unos días detuvo el experimento y analizó las sustancias químicas que se habían formado y encontró una gran variedad de ellas, y no menos de 10-12 aminoácidos naturales.
Cuando Miller murió en el 2007 uno de sus discípulos Bada tomó muestras guardadas y averiguó su contenido utilizando las modernas técnicas de análisis y encontró una gran variedad de sustancias, incluidos prácticamente todos los aminoácidos naturales.
Poco tiempo después investigadores alemanes repitieron la experiencia utilizando radiación ultravioleta como fuente de excitación con resultados parecidos. Y también el bioquímico catalán Juan Oró (que trabajaba en Houston) hizo un descubrimiento muy importante al obtener varios aminoácidos y también adenina a partir de ácido cianhídrico y de amoniaco, gases comunes en la tierra primordial.
Origen hidrotermal
Una segunda corriente de pensamiento asocia a las moléculas de la vida un origen hidrotermal. Propone que se formaron en las fosas volcánicas de las grandes profundidades oceánicas, en un proceso muy complejo que es catalizado por sulfuros de metales de transición como el hierro, el cobalto y el níquel. Estos sulfuros son extraordinariamente abundantes en nuestro planeta.
Esta corriente se debe a un bioquímico alemán, que se llama Wächtershäuser, que propone la existencia de un organismo pionero que está constituido por una subestructura inorgánica y una superestructura orgánica que contiene las moléculas orgánicas que resultan de la acción catalítica de los sulfuros anteriores.
A diferencia de la propuesta de Miller la fuente de carbono no es el metano sino óxidos del carbono, monóxido y dióxido de carbono, y en este esquema de reacción se forman moléculas que habitualmente participan en los procesos de síntesis de las moléculas precursoras de la vida (por ejemplo el ácido acético y el ácido pirúvico, cuya aminación reductora produce directamente alanina, un aminoácido).
Hipótesis de la Panspermia
Hay una tercera hipótesis que asocia la presencia de las moléculas de la vida a un origen extraterrestre. En este caso se supone que las moléculas precursor de la vida llegaron a la Tierra desde el espacio, bien en los asteroideos o cometas, o trasportadas por el polvo interplanetario e interestelar. Se conoce como la hipótesis de la panspermia que tiene apoyo científico de grandes investigaciones contemporáneas.
Se sabe que en el espacio interestelar, sobre la superficie de los asteroides y de los cometas, se forman las moléculas sencillas (agua, formaldehido, amoniaco, ácido cianhídrico) a partir de las cuales resultan moléculas más elaboradas. Y se ha demostrado también la formación de estas sustancias en estos objetos celestes.
La evidencia experimental más importante que apoya esta hipótesis es el análisis del material contenido en los meteoritos que han llegado a la Tierra y especialmente en el meteorito de Murchison que cayó sobre esta localidad australiana en el año 1967. El análisis riguroso ha demostrado la presencia de numerosos aminoácidos y no sólo en forma de mezclas racémicas sino con ligeros excesos de un enantiómero sobre otro.
Formas de vida primitivas
De cualquier forma no hay ninguna duda de que en la Tierra se acumularon enormes cantidades de sustancias orgánicas a partir de las cuales resultaron las moléculas precursoras de la vida.
El paso siguiente resulta difícil de explicar y la ciencia no tiene explicación de cómo se produjo el cambio siguiente hasta llegar a dar las formas de vida primitivas. Explicar cómo cientos de moléculas de esta clase se asociaron y formaron entidades pequeñas en un reciento protegido por una membrana originando un sistema capaz de desarrollar reacciones químicas para producir las sustancias deseadas y al mismo tiempo eliminar las sustancias tóxicas de desecho, un sistema que además fuera capaz de auto reproducirse, transfiriendo la información genética de una generación a la siguiente y finalmente capaz de evolucionar y adaptarse al medioambiente no se puede explicar.
Para muchos en alguna etapa de este larguísimo proceso, en algún momento (o en muchos de ellos), se produjo una intervención sobrenatural (la mano de Dios) que guió los acontecimientos en la forma adecuada hasta conseguir los resultados que todos conocemos. Para otros muchos, en cambio, fue simplemente el resultado de un tiempo de evolución química y bioquímica, que para nosotros es prácticamente infinito. En ese larguísimo proceso las sustancias químicas evolucionaron de acuerdo con sus propias afinidades químicas, con su naturaleza complementaria, adaptándose a las situaciones.
Sea como fuere, hace 3.600 millones de años surgieron las primera formas de vida, formas muy primitivas. Y fue necesario esperar alrededor de 1.000 millones de años para que las formas primitivas de vida aprendieran a utilizar la energía del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua, sustancias abundantes, en hidratos de carbono y oxígeno. Fue el comienzo de la evolución del oxígeno, de la colonización del planeta por el oxígeno. Primero el oxígeno cambió la superficie de la tierra, oxidó todos los materiales que componían la corteza, después se disolvió en las aguas, y alteró su composición, y después comenzó a colonizar la atmósfera y así hasta la situación actual. Y en la atmósfera se formó la capa protectora de ozono que permitió que las formas de vida entonces existentes pudieran salir al exterior y comenzaran a colonizar la superficie del planeta. Después de millones de años aquella esfera fundida y deforme se ha convertido en el Planeta Azul.
Aparece el Homo Sapiens Sapiens
En los últimos 2.000-2500 millones de años han surgido gran variedad de especies de formas de vida y entre ellas hace unos 15 millones de años los primeros homínidos que evolucionaron hasta hace tan sólo 25.000 años para dar lugar al Homo Sapiens Sapiens, el cual hace unos 10.000 años comenzó la práctica de la agricultura, el cuidado de los animales y otras actividades que han conducido a la sociedad moderna que nosotros conocemos.
Reflexiones finales: “Estamos hechos de materia de estrellas”
-Cuando contemplen el cielo nocturno lleno de estrellas piensen que nuestros átomos se originaron hace miles de millones de años en estrellas de generación anterior a las que ahora vemos. Y piensen también que en esas estrellas se están generando núcleos de elementos que, tal vez algún día en algún otro lugar del universo, vuelvan a dar origen a formas de vida avanzadas.
-Cuando usen el agua, denle toda la importancia que tiene. Es una molécula extraordinaria no hay otra capaz de hacer la función que el agua hace. La vida se basa en el elemento carbono pero sin agua nada podría existir porque el agua es el medio en el cual se desarrolla la vida.
-Y cuando sufran los rigores del sol démosle también la importancia que tiene, porque sin su calor y su energía la vida no sería posible.
-Hace más de una década Carl Sagan, un famoso astrónomo norteamericano, acuñó una sentencia de gran éxito: “Estamos hechos de materia de estrellas”. Y añadiría: “Somos polvo de estrellas empapado en agua de cometas e iluminado por la luz del Sol”.
