Astrobiología

Una investigación revela cómo la química básica de la vida podría haber comenzado en el espacio profundo.

Los científicos han utilizado experimentos de laboratorio para volver sobre los pasos químicos que conducen a la creación de hidrocarburos complejos en el espacio, mostrando vías para formar nanoestructuras basadas en carbono 2-D en una mezcla de gases calentados.

El último estudio, que presentó experimentos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), podría ayudar a explicar la presencia de pireno, que es un compuesto químico conocido como un hidrocarburo aromático policíclico y compuestos similares en algunos meteoritos.

«Así es como creemos que algunas de las primeras estructuras basadas en carbono evolucionaron en el universo», dijo Musahid Ahmed, científico de la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab, quien se unió a otros miembros del equipo para realizar experimentos en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) de Berkeley Lab.

«Partiendo de gases simples, puedes generar estructuras unidimensionales y bidimensionales, y el pireno podría llevarte al grafeno en 2-D», dijo Ahmed. «Desde allí puedes llegar al grafito, y comienza la evolución de una química más compleja».

El pireno tiene una estructura molecular compuesta de 16 átomos de carbono y 10 átomos de hidrógeno. Los investigadores encontraron que los mismos procesos químicos calentados que dan lugar a la formación de pireno también son relevantes para los procesos de combustión en motores de vehículos, por ejemplo, y la formación de partículas de hollín.

El último estudio se basa en trabajos anteriores que analizaron hidrocarburos con anillos moleculares más pequeños que también se han observado en el espacio, incluso en la luna Titán de Saturno, a saber, benceno y naftaleno.

Ralf I. Kaiser, uno de los autores principales del estudio y profesor de química en la Universidad de Hawai en Manoa, dijo: “Cuando estos hidrocarburos se vieron por primera vez en el espacio, la gente se emocionó mucho. Estaba la cuestión de cómo se formaron”. ¿Se formaron puramente a través de reacciones en una mezcla de gases, o se formaron en una superficie acuosa, por ejemplo?

Ahmed dijo que hay una interacción entre astrónomos y químicos en este trabajo de detectives que busca volver a contar la historia de cómo se formaron los precursores químicos de la vida en el universo.

«Hablamos mucho con los astrónomos porque queremos su ayuda para descubrir qué hay ahí afuera», dijo Ahmed, «y nos informa a pensar cómo llegó allí».

Kaiser señaló que los químicos físicos, por otro lado, pueden ayudar a iluminar los mecanismos de reacción que pueden conducir a la síntesis de moléculas específicas en el espacio.

El pireno pertenece a una familia conocida como hidrocarburos aromáticos policíclicos, o HAP, que se estima que representan aproximadamente el 20 por ciento de todo el carbono en nuestra galaxia. Los HAP son moléculas orgánicas que se componen de una secuencia de anillos moleculares fusionados. Para explorar cómo se desarrollan estos anillos en el espacio, los científicos trabajan para sintetizar estas moléculas y otras moléculas circundantes que se sabe que existen en el espacio.

Alexander M. Mebel, profesor de química en la Universidad Internacional de Florida que participó en el estudio, dijo: “Se construyen un anillo a la vez, y hemos estado haciendo estos anillos más y más grandes. Esta es una forma muy reduccionista de ver los orígenes de la vida: un bloque de construcción a la vez».

Para este estudio, los investigadores exploraron las reacciones químicas derivadas de una combinación de un hidrocarburo complejo conocido como el radical 4-fenantrenilo, que tiene una estructura molecular que incluye una secuencia de tres anillos y contiene un total de 14 átomos de carbono y nueve átomos de hidrógeno. Con acetileno (dos átomos de carbono y dos átomos de hidrógeno).

Los compuestos químicos necesarios para el estudio no estaban disponibles comercialmente, dijo Felix Fischer, profesor asociado de química en UC Berkeley que también contribuyó al estudio, por lo que su laboratorio preparó las muestras. «Estos productos químicos son muy tediosos para sintetizar en el laboratorio», dijo.

En el ALS, los investigadores inyectaron la mezcla de gases en un microrreactor que calentó la muestra a una temperatura alta para simular la proximidad de una estrella. El ALS genera haces de luz, desde infrarrojos hasta longitudes de onda de rayos X, para respaldar una variedad de experimentos científicos de investigadores internos y visitantes.

La mezcla de gases fue expulsada del microreactor a través de una pequeña boquilla a velocidades supersónicas, deteniendo la química activa dentro de la celda calentada. Luego, el equipo de investigación enfocó un haz de luz ultravioleta al vacío del sincrotrón en la mezcla de gas calentada que eliminó los electrones (un efecto conocido como ionización).

Luego analizaron la química que tiene lugar utilizando un detector de partículas cargadas que midió los tiempos de llegada variados de las partículas que se formaron después de la ionización. Estos tiempos de llegada llevaban las firmas reveladoras de las moléculas parentales. Estas mediciones experimentales, junto con los cálculos teóricos de Mebel, ayudaron a los investigadores a ver los pasos intermedios de la química en juego y a confirmar la producción de pireno en las reacciones.

El trabajo de Mebel mostró cómo el pireno (una estructura molecular de cuatro anillos) podría desarrollarse a partir de un compuesto conocido como fenantreno (una estructura de tres anillos). Estos cálculos teóricos pueden ser útiles para estudiar una variedad de fenómenos, «desde las llamas de combustión en la Tierra hasta las salidas de estrellas de carbono y el medio interestelar», dijo Mebel.

Kaiser agregó: «Los estudios futuros podrían estudiar cómo crear cadenas aún más grandes de moléculas anilladas utilizando la misma técnica, y explorar cómo formar grafeno a partir de la química del pireno».

Otros experimentos realizados por miembros del equipo de la Universidad de Hawái explorarán lo que sucede cuando los investigadores mezclan gases de hidrocarburos en condiciones de hielo y simulan radiación cósmica para ver si eso puede provocar la creación de moléculas portadoras de vida.

«¿Es esto suficiente como un disparador?», Dijo Ahmed. «Tiene que haber algo de autoorganización y autoensamblaje involucrado» para crear formas de vida. «La gran pregunta es si esto es algo que, inherentemente, las leyes de la física sí permiten».

Mayor información en: Long Zhao, Ralf. I. Kaiser, Wenchao Lu, et al. «Molecular mass growth through ring expansion in polycyclic aromatic hydrocarbons via radical–radical reactions» Nature Communications, Published: 15 August 2019.

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