Por José Gabriel Segarra
Desde hace más de 150 años sabemos que la química de la vida es asimétrica, aunque todavía desconocemos el porqué. En la actualidad se proyecta utilizar esta característica para detectar actividad biológica en otros planetas.
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En marzo de 1961 el químico británico James Lovelock empezó a trabajar en el proyecto Surveyor de la NASA, cuyo objetivo era diseñar experimentos para detectar señales de vida en otros planetas. Pero pronto su entusiasmo inicial fue dando paso a un creciente desencanto, al comprobar que los científicos optaban mayoritariamente por una línea de investigación reduccionista, orientada al diseño de instrumentos que sirvieran para medir el metabolismo microbiano. Cuando en cierta ocasión sus colegas le preguntaron qué clase de ensayos proponía él, Lovelock replicó:
– Creo que necesitamos un experimento de carácter general, algo capaz de buscar la vida en sí misma y no los atributos de la vida aquí en la Tierra.
El doctor Meghereblian, uno de los máximos responsables del proyecto, se interesó por esta opinión y le pidió que concretase algo más su propuesta.
– Mandaría un experimento que buscara una reducción de entropía. Contestó Lovelock con cierto embarazo.
Los ojos de Meghereblian brillaron ante esta sugerencia.
– Sería estupendo, pero ¿cómo podría hacerlo?
En ese momento Lovelock vaciló. Al fin y al cabo, el suyo había sido un comentario informal, producto más de la intuición que de un sesudo esfuerzo de introspección. De modo que pidió un par de días para reflexionar.
– De acuerdo. Vuelva el viernes a la tarde y dígame cómo vamos a colocar en Marte un experimento de reducción de entropía.
Dos días más tarde Lovelock proponía a Meghereblian estudiar desde la Tierra la atmósfera del planeta en cuestión, para buscar la huella de la vida en su anómala concentración de gases.
A la búsqueda de vida extraterrestre
Aquella propuesta, un tanto improvisada, se convertiría con el paso del tiempo en la hipótesis Gaia, que trata de explicar las interacciones entre la biosfera y los componentes abióticos de nuestro planeta como un conjunto integrado. Lo que no impidió que otros científicos tomaran buena nota de la sugerencia de Lovelock para detectar la presencia de vida en otros planetas, especialmente en aquellos que se encuentran fuera del Sistema Solar. Así, por ejemplo, se ha propuesto analizar en los nuevos planetas los gases producidos por procesos biológicos o la luz infrarroja reflejada por microbios tolerantes a la radiación. Ambos métodos, sin embargo, presentan serias limitaciones, porque no todos los microbios toleran la radiación y muchos procesos no biológicos pueden producir gases típicamente asociados con la vida.
Muy recientemente el astrónomo William B. Sparks, del Space Telescope Science Institute de San Martin Drive (Baltimore, Estados Unidos), en colaboración con un nutrido equipo, ha propuesto una nueva técnica en esa misma línea que consiste en analizar la luz que sale de los planetas para detectar la presencia de quiralidad. En su opinión, la vida extraterrestre tiene que estar formada por moléculas y, al igual que la nuestra, habrá optado por uno de los dos isómeros ópticos posibles, la forma levógira o la dextrógira.
¿Quirali... qué? Se dice que dos cuerpos presentan quiralidad cuando uno de ellos es la imagen especular del otro, como sucede, por ejemplo, con la mano derecha y la mano izquierda. Las moléculas orgánicas también pueden presentar quiralidad, en la medida en que hay parejas de moléculas químicamente idénticas, pero con simetría especular. Se diferencian entre sí porque ambas tienen la propiedad de desviar un cierto ángulo el plano en el que vibra la luz polarizada (que es la luz que vibra en un solo plano), aunque una de ellas la desvía hacia la derecha y la otra hacia la izquierda. La primera molécula se denomina dextrógira y la segunda levógira.
En opinión de Sparks, si se detectase quiralidad en la luz procedente de algún planeta, la única explicación razonable sería la presencia de mecanismos de autoensamblaje muy sofisticados, a los que de forma genérica podríamos denominar vida. La ventaja de este método con respecto a los anteriores es que se basa en una propiedad genuina de la vida, no sólo de la terrestre sino de cualquier otro punto del Universo. Pero... ¿podemos estar seguros de que la quiralidad es una propiedad exclusivamente biológica?
Pasteur y la asimetría cósmica
En realidad, todo este asunto empezó hace más de 150 años. En la primera mitad del siglo XIX el físico y químico francés Jean Baptiste Biot había descubierto que soluciones de compuestos orgánicos como el azúcar y el ácido tartárico, que se encuentra en la uva y otras frutas, eran ópticamente activas; es decir, que desviaban el plano en el que vibra la luz polarizada. Se conocía también otra forma de ácido tartárico, llamada ácido racémico, que no era ópticamente activa. Aquello era desconcertante: aunque ambas sustancias eran químicamente idénticas, tenían un comportamiento óptico distinto.
En 1848 entró en escena un joven y ambicioso químico francés, Louis Pasteur. Para resolver el misterio empezó cristalizando ambas sustancias y las observó al microscopio. Observó entonces que los cristales del ácido tartárico eran asimétricos y todos estaban orientados en la misma dirección. Los del ácido racémico eran igualmente asimétricos, pero los había de dos tipos, unos orientados en la misma dirección que los del tartárico y otros en la dirección opuesta. A continuación Pasteur separó con pinzas los dos tipos de cristales del ácido racémico, los disolvió en agua por separado y estudió su comportamiento óptico. Los cristales que tenían la misma orientación que el tartárico desviaban el plano de la luz polarizada en idéntica dirección, mientras que los otros lo hacían en la opuesta.
Aquella era la solución: el ácido racémico estaba formado a partes iguales por la mezcla de dos isómeros ópticos. ¡Bingo! Presa de una gran excitación, Pasteur abandonó corriendo su laboratorio y, al encontrarse a uno de sus colegas, lo abrazó mientras exclamaba: “Acabo de hacer un gran descubrimiento... Soy tan feliz que estoy temblando de arriba a abajo y soy incapaz de poner mis ojos otra vez en el polarímetro”.
Aquel descubrimiento fue el principio de la brillante carrera del genial químico francés. Y, sin embargo, tuvieron que pasar diez años para que Pasteur realizara su segundo gran descubrimiento sobre isomería óptica. Fue entonces cuando observó que cuando un moho crecía sobre una solución de ácido racémico, ésta se hacía ópticamente activa. Es decir, el moho seleccionaba únicamente uno de los dos isómeros y desechaba el otro. Pasteur razonó, acertadamente, que la capacidad de separar isómeros ópticos era exclusivo de la vida. Si un químico sintetiza in vitro un monosacárido o un aminoácido obtendrá lo que se conoce como una mezcla racémica, aquella formada por isómeros de ambos tipos y, por lo tanto, sin actividad óptica. Únicamente cuando interviene un ser vivo, como el propio Pasteur en su experimento de 1848, o las levaduras del segundo experimento, se obtendrán sustancias ópticamente activas.
De hecho, las principales moléculas orgánicas presentan isomería óptica: mientras que los glúcidos y ácidos nucleicos son dextrógiros, las proteínas son levógiras. O dicho de otra manera: el ADN, que es el que dirige todo el sistema de producción, es de derechas, y las proteínas, equiparables a los obreros, de izquierdas. La bioquímica como metáfora de la sociedad. ¿Por qué esa preferencia? Pasteur no lo sabía, pero estaba seguro de que en la asimetría de los compuestos orgánicos estaba el secreto de la vida y que ésta estaba inducida por alguna asimetría ambiental: “La vida tal como se nos manifiesta es una función de la asimetría del Universo y de las consecuencias de este hecho... Yo puedo incluso imaginar que todas las especies vivientes son primordialmente, en su estructura, en sus formas externas, funciones de la asimetría cósmica.”
La quiralidad: una firma de la vida
Hoy en día seguimos sin saber por qué la vida ha seleccionado un isómero en particular para cada tipo de molécula, aunque se barajan varias posibilidades. Según la teoría biótica, la vida se originó en un ambiente racémico y posteriormente se decantó por una forma u otra. ¿Por qué? Porque posiblemente sea más operativo que todas las moléculas de un mismo tipo compartan la misma quiralidad. Desde este punto de vista, el que al final se seleccionen las formas levógiras o dextrógiras sería una mera cuestión de azar. La teoría abiótica, por el contrario, afirma que la quiralidad apareció en nuestro planeta antes que la vida. Por último está la teoría extraterrestre, según la cual la quiralidad procede de las moléculas llegadas del espacio.
Esta última teoría cuenta con dos sólidos argumentos. Por un lado, en los meteoritos que impactan contra la Tierra hay un claro predominio de aminoácidos levógiros, al igual que sucede con los terrestres. Y, por otro lado, el reciente descubrimiento de la existencia de luz polarizada en el cosmos. Ronald Breslow, profesor de la Universidad de Columbia, afirma que los experimentos han mostrado que la luz polarizada destruye selectivamente una de las dos formas quirales de los aminoácidos. Al viajar por el espacio, apunta Breslow, los asteroides están sometidos a la luz polarizada de las estrellas de neutrones, que desequilibra las proporciones de ambas configuraciones moleculares. En el caso concreto del entorno terrestre, se favorece la forma levógira.
Independientemente de cual sea el origen de la asimetría óptica, la propuesta de Sparks se basa en la propiedad de las moléculas orgánicas para actuar como un “polarizador por absorción selectiva”, capaces de modificar el tipo de polarización de la señal que atraviesa el material; es decir, una onda inicialmente de polarización lineal (con una longitud de onda que oscila de arriba a abajo) puede adoptar polarización elíptica o circular (con una longitud de onda en forma de sacacorchos) tras impactar con una molécula orgánica.
El equipo de Sparks construyó un dispositivo que, en pruebas de laboratorio y a distancia cortas, analizaba la luz polarizada reflejada por la clorofila de superficies cubiertas con bacterias, detectando ondas de polarización circular. Si estas firmas están presentes en más organismos complejos es algo que aún tiene que determinarse, pero los investigadores consideran que las bacterias, descendientes directos de las primeras formas de vida, son las perfectas representantes de la vida temprana en cualquier lugar del Universo.
Aunque, por otra parte, también es posible que la quiralidad que se observa en la Tierra no sea universal. “Puede concebirse una forma de vida en la que la homoquiralidad no esté tan extendida”, dice Sandra Pizzarello, bioquímica de la Arizona State University, que no ha participado en el estudio. “Sucede que en la Tierra los aminoácidos son de mano izquierda, pero si se examinan las posibilidades, esto no es estrictamente necesario.” De todos modos, Pizzarello define como “ingenioso” el trabajo de Sparks: “Dicen que es posible que la fotosíntesis sea un proceso común, y eso es verdad.”
“Aunque el aparato para detectar vida sólo se ha empleado en el laboratorio, puede ser igualmente instalado en grandes telescopios”, añade Neill Reid, astrobiólogo del Space Telescope Science Institute. De momento, el siguiente objetivo es medir la polarización circular de otros organismos y ver si se puede hacer lo mismo con charcas o grandes regiones de la Tierra. Los investigadores necesitan asegurarse de que el sistema funciona bien en nuestro planeta antes de ponerse a observar otros.
Si tuvieran éxito propondrán acoplar un espectrómetro calibrado en un telescopio para detectar luz polarizada circular específica de la vida, lo que proporcionará “una poderosa técnica para buscar vida genérica remota”, tal como escriben los propios autores en los Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Cuando miras objetos del Sistema Solar, ¿cual es el método más probable de determinar si ese planeta tiene vida o no?”, se pregunta Reid. “La polarización circular tiene el potencial de ser una firma de la vida.”
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Bibliografía
Segarra, J.G. (2009). Latidos de la Tierra. Nivola. Madrid.
Sparks, W.B. y otros autores (2009). Detection of circular polarization in light scattered from photosynthetic microbes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (19): 7.816-7.821.
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