Nuevos observatorios y misiones de naves espaciales están explorando entornos de nuestro sistema solar que podrían albergar vida pero que han permanecido ocultos durante mucho tiempo. Es probable que las lunas heladas como Encelado de Saturno y Europa de Júpiter contengan océanos debajo de sus capas exteriores heladas. Pero la capa de hielo impide que las sondas espaciales los tomen directamente.
Explorar estas lunas heladas es casi forense: sus superficies conservan un registro parcial de interiores inaccesibles. Los científicos necesitan herramientas que puedan ayudarles a comprender si hay evidencia de vida debajo sin observarla directamente.
Soy científico planetario y mis colegas y yo hemos desarrollado una herramienta que podría ayudar a evaluar si un entorno tiene las condiciones adecuadas para la vida, basándose en patrones en los tipos de moléculas que se encuentran en una muestra.
Buscan las huellas de la vida
La búsqueda de vida a menudo comienza con moléculas orgánicas: las moléculas basadas en carbono a partir de las cuales se construye la vida en la Tierra. Dos familias de moléculas particularmente importantes son los aminoácidos, que las células utilizan para formar proteínas, y los ácidos grasos, que ayudan a formar las membranas celulares.
Sin embargo, estas moléculas no son exclusivas de la vida: también pueden formarse mediante química no biológica. Los científicos los han descubierto anteriormente en asteroides y meteoritos.
Dado que la simple detección de aminoácidos o ácidos grasos en un entorno planetario no les dirá a los investigadores si son producidos por vida o no, deben buscar evidencia adicional.
Una pista es la devoción molecular o "quirancia". Ciertos aminoácidos se presentan en dos formas especulares. Los procesos no biológicos a menudo producen ambas formas en cantidades similares, mientras que la vida en la Tierra utiliza casi exclusivamente las formas zurdas. Un fuerte exceso de una forma puede indicar biología.
Otra pista se encuentra en el equilibrio entre las formas más pesadas y más ligeras del mismo elemento dentro de una molécula. Por lo general, la vida prefiere usar la forma más clara.
Ambas pistas son indicadores poderosos, pero difíciles de medir en el espacio. Requieren instrumentos sensibles, muestras limpias y, a menudo, más material del que la nave espacial puede manejar.
Además, las misiones actuales y planificadas pueden proporcionar un tipo de medición más limitado, pero aún valioso: una lista de moléculas y las proporciones en las que se encuentran. Nuestro estudio muestra cómo los investigadores pueden utilizar esta información más simple para aprender más sobre los orígenes químicos de las moléculas.
Explorando la diversidad
La vida no sólo produce ciertas moléculas: las produce en disposiciones de patrones únicos. Los sistemas vivos invierten energía en la creación de moléculas que cumplen funciones específicas, incluso cuando esas moléculas son complejas y difíciles de formar. Las proteínas, por ejemplo, requieren un amplio conjunto de aminoácidos, incluidos los relativamente complejos. La química no biológica también puede producir aminoácidos, pero normalmente lo hace de forma más sencilla.
Su cuerpo necesita muchos aminoácidos diferentes para sobrevivir. Pero los procesos químicos no vivos también pueden producir aminoácidos, por lo que su presencia en una muestra no prueba definitivamente la vida.
En nuestro estudio, investigamos si estas moléculas dejan un patrón estadístico que podría servir como biofirma: un rastro mensurable que pueda indicar vida.
Para cuantificar esta idea, utilizamos un método de la ecología llamado teoría de la diversidad. Los ecologistas preguntan no sólo cuántas especies existen en un ecosistema determinado, sino también cómo se distribuyen esas especies: si la comunidad está dominada por unas pocas especies muy comunes o por muchas especies que se encuentran en cantidades comparables. El objetivo de la teoría de la diversidad es compilar una lista de especies y capturar la prevalencia de cada una.
Aplicamos la misma lógica a las moléculas. Dentro de una familia, como los aminoácidos, tratamos cada molécula como una especie en la comunidad ecológica y medimos su abundancia. Queríamos saber: ¿una determinada mezcla de moléculas está distribuida uniformemente entre diferentes tipos o sólo dominan unas pocas? ¿Y podría ese patrón reflejar el proceso que produjo esas moléculas, ya sean biológicas o no biológicas?
Pruebas de marco
Para probar esta idea, compilamos un conjunto de datos deliberadamente amplio que incluía aminoácidos de una variedad de fuentes: meteoritos, muestras de misiones a asteroides, simulaciones de laboratorio de química no biológica, organismos modernos, sedimentos, fósiles antiguos y muestras de diversos entornos de la Tierra. Posteriormente hicimos lo mismo con los ácidos grasos.
Para los aminoácidos encontramos una clara diferencia. Las muestras biológicas tendían a contener muchos aminoácidos complejos, en proporciones similares a las más simples. Las muestras no biológicas tendían a ser más raras, es decir, más fuertemente dominadas por moléculas simples.
Este resultado tiene sentido. Si la biología puede superar los obstáculos químicos necesarios para crear moléculas más complejas, se esperaría ver más de esas moléculas. Por otro lado, la química no biológica es más limitada y dominada por moléculas formadas al azar. Es mucho menos probable que se formen moléculas complejas en condiciones no biológicas.
Los ácidos grasos mostraron un patrón opuesto pero igualmente informativo. Las cadenas de ácidos grasos forman las membranas externas de las células vivas. Descubrimos que en muestras biológicas todas las cadenas de ácidos grasos tenían una longitud similar. Por el contrario, las muestras no biológicas tenían una distribución más amplia de longitudes de cadena.
Los ácidos grasos son cadenas de moléculas formadas por carbono e hidrógeno, con oxígeno al final. Corriente interna/Wikimedia Commons
Aunque, a diferencia de los resultados de aminoácidos, las muestras no biológicas mostraron una mayor diversidad de ácidos grasos, este hallazgo de la longitud de la cadena respalda la idea principal detrás de nuestra investigación: la vida da forma a las mezclas moleculares según su función.
En conjunto, nuestros resultados sugieren que la diversidad molecular puede servir como un nuevo tipo de firma biológica. No puede probar de forma independiente la presencia de vida y debe interpretarse junto con otras mediciones. Pero ofrece una forma práctica de utilizar el tipo de datos que es más probable que obtengan las naves espaciales: las proporciones de las moléculas.
La búsqueda de vida en el sistema solar y más allá
Es poco probable que las futuras naves espaciales encuentren material biológico intacto, incluso si existe. Es más probable que encuentren rastros químicos de moléculas, alteradas por las duras condiciones de las superficies planetarias.
A continuación, queríamos saber cuánto tiempo puede sobrevivir la señal de diversidad en el tipo de entorno hostil que los científicos pueden observar, como la superficie de Europa. Su superficie es constantemente bombardeada por partículas energéticas atrapadas en el campo magnético de Júpiter, que pueden descomponer diferentes moléculas orgánicas a diferentes velocidades.
La misión Europa Clipper de la NASA volará alrededor de la luna de Júpiter y tomará medidas para investigar si podría albergar vida. NASA/JPL-Caltech
Modelamos cómo estas moléculas se degradarían en tales condiciones y descubrimos que la señal de diversidad podría permanecer reconocible durante miles de años cuando las moléculas quedaran enterradas bajo varios centímetros de hielo. La señal no es indestructible, pero no requiere una muestra extremadamente nueva.
Nuestros resultados sugieren que, en algunos casos, el patrón dejado por la vida aún puede ser reconocible incluso después de que las moléculas individuales hayan comenzado a descomponerse.
El mensaje de nuestro estudio es que la vida organiza la química de manera que puede persistir incluso después de que esos ingredientes cambien. Los sistemas vivos organizan las moléculas según las necesidades biológicas, mientras que la química no biológica suele seguir lo que es más fácil de producir. Si esta organización puede persistir en los materiales planetarios, las futuras naves espaciales podrán buscar no sólo los componentes básicos de la vida, sino también el patrón estadístico más profundo que la vida deja tras de sí.
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