¿Por qué la biología utiliza sólo una de las dos formas especulares de la imagen en la que las moléculas más complejas pueden existir?
La última respuesta dada a esta pregunta afecta al campo de la astrofísica, la física de partículas y la bioquímica.
La conclusión del último estudio dice que las explosiones estelares conocidas como supernovas son las culpables de que se produzca este fenómeno.
"Es una idea interesante," dice Daniel Glavin, astrobiólogo de la NASA del Goddard Flight Center, en Greenbelt, Maryland.
Es sin duda un giro novedoso en el cuento de cómo la vida llegó a ser zurda.
La propiedad de las manos, conocida por los químicos como quiralidad, es una característica que poseen muchas moléculas cuya disposición de los átomos no es completamente simétrica.
Una molécula quiral se presenta en dos formas que son más bien como un par de guantes.
Dos guantes, uno diestro y otro zurdo, son esencialmente idénticos, con los mismos componentes básicos, cuatro dedos y un pulgar, y la misma función de mantener las manos cómodas y protegidas.
Pero, evidentemente, no son exactamente iguales: no se puede girar o voltear un guante de un tipo para que se superponga perfectamente en el otro.
Pero si lo miras en un espejo, un guante de la mano izquierda se convierte en uno de la mano derecha.
Similares formas moleculares de imagen especular se denominan enantiómeros. Están hechas de los mismos átomos y tienen las mismas sustancias químicas y propiedades físicas.
La mayoría de las reacciones químicas producen la misma cantidad de ambos tipos.
Eso hace que la predilección de la naturaleza para una forma -su "homoquiralidad"- sea un tanto extraña.
Sólo los zurdos o "l" aminoácidos, son capaces de formar las proteínas que forman la estructura de las células y que regulan su acción.
Y sólo las derechas, o "d" azúcares, desempeñan un papel activo en la bioquímica.
Es como tener un cajón lleno de guantes de una especie que se niegan a tener compañeros de la otra especie.
Turno de las estrellas.
Tal vez la homoquiralidad sea el resultado de una asimetría de posibilidades en la historia temprana de la vida en la Tierra, amplificada por el tiempo y la evolución.
En ese caso, es de esperar que sea inexistente e incluso pueda revertirse en otros lugares.
Sin embargo, los escombros sobrantes de la construcción del Sistema Solar cuentan una historia diferente.
"Para cada tipo de aminoácido que se encuentra en los meteoritos hay un exceso de zurdos sobre diestros en un factor de entre el 2 al 18 por ciento", dice Uwe Meierhenrich, de la Universidad de Niza Sophia Antipolis, en Francia. "Un exceso de diestros nunca ha sido encontrado."
Eso por sí solo no prueba nada: los meteoritos podrían haber sido contaminados cuando entraron en contacto con la superficie de la Tierra e incluso antes del impacto.
Sin embargo, existe una fuerte implicación que evidencia que este sesgo de los diestros frente a los zurdos es anterior a la existencia de vida en nuestro planeta, y es más, anterior a la existencia del Sistema Solar, aunque este fenómeno se profundizara posteriormente en nuestro planeta.
¿Es esta simetría una cuestión de física básica?
Es una posibilidad, pero también hay otras sugerencias más atractivas.
Una de ellas fue identificada en 1998, cuando un equipo dirigido por Jeremy Bailey, de la Universidad de Nueva Wales del Sur, en Sydney, Australia, descubrió en las regiones de la nebulosa de Orión, una zona de formación estelar situada a 1.300 años luz de la Tierra, áreas que están impregnadas de luz infrarroja polarizada circularmente.
La luz se polariza circularmente cuando su campo eléctrico vibra en un plano que la hace girar hacia la derecha o hacia la izquierda sobre su sentido de la marcha.
En una nebulosa, la polarización puede ocurrir cuando la luz es dispersada por los átomos y las moléculas, incluyendo a los aminoácidos, que flotan en las nubes de gas.
La luz polarizada circularmente interfiere en la distribución de los electrones de los átomos, que se unen entre sí de tal manera que se pueden romper selectivamente las moléculas de una u otra forma quiral, dependiendo de la forma en la que están girando.
Las regiones de la nebulosa de Orión identificadas por Bailey y sus colegas, por lo tanto, podrían poseer un exceso de un tipo de aminoácidos.
Una situación similar en la nube a partir de la que se formó nuestro Sistema Solar podría haber sido la semilla de la quiralidad asimétrica de la vida en la Tierra.
Es una posibilidad seductora, pero tiene sus problemas. La destrucción selectiva de aminoácidos sólo se activa si la luz tiene energía suficiente como para desencadenar las reacciones químicas necesarias - en la práctica requiere la presencia de luz ultravioleta, en lugar de la luz infrarroja menos energética vista en la nebulosa de Orión.
"Nadie ha detectado esta luz todavía", dice Meierhenrich - aunque esto puede deberse a que las nubes de gas dispersan la luz ultravioleta con tanta eficacia que muy poca llega a nuestros telescopios.
El nuevo escenario dibujado por Richard Boyd, del Fondo Nacional de Ignición de Livermore, California, junto con Toshitaka Kajino y Takashi Onaka, de la Universidad de Tokio, Japón, deja de lado este problema.
También comienza con una nube en la que las moléculas, incluyendo los aminoácidos, ya se han formado.
Pero la luz no es el catalizador para el cambio, sino que es el efecto combinado de los campos magnéticos y la inmensa mayoría de los flujos de partículas de alta energía que se producen en una explosión de supernova.
Una supernova de colapso de núcleo, o tipo II, superdensa, de sólo decenas de kilómetros de diámetro, deja un remanente que genera un campo magnético muy intenso, con líneas de campo que salen de su polo norte y regresan a su polo sur.
Los núcleos atómicos tienen una propiedad cuántica conocida como giro que, si todo sigue igual, se suma a un campo magnético.
El quid de la idea de Boyd es el efecto de tales campos magnéticos, sobre los núcleos de nitrógeno-14 en un aminoácido.
Dentro de una molécula, el nitrógeno no tienen la libertad de movimiento que tendría si fuera libre, y los cálculos efectuados por el químico AD Buckingham, de la Universidad de Cambridge, en 2004, muestran cómo el cambio en un campo magnético, produce un efecto de rotación en diferentes direcciones de las moléculas de quiralidad opuesta.
Como resultado, Boyd sugiere, que cuando el campo magnético de un remanente de supernova se pone en marcha, los aminoácidos con una quiralidad, terminan,al final, con su nitrógeno apuntando a lo largo de las líneas del campo magnético, mientras que los de la quiralidad opuesta se verán obligados a alinearse con su nitrógeno girando en la dirección contraria.
Esto hace que cuando la estrella explota y envía una intensa explosión de neutrinos y antineutrinos radialmente en todas las direcciones, incluyendo a lo largo de las líneas de campo magnético, se produzcan unas reacciones.
Los antineutrinos reaccionan fácilmente con los núcleos de nitrógeno-14,produciendo un núcleo de carbono-14 y un positrón.
Los neutrinos reaccionan con el nitrógeno-14 produciendo oxígeno-14 y un electrón, en una reacción menos favorecida.
En ambos casos, cuando el nitrógeno del núcleo del aminoácido es golpeado, se produce la disolución total de la molécula.
Hay una advertencia. Las reacciones en la naturaleza se producen más fácilmente si la magnitud total y la dirección del spin es igual antes y después de la reacción.
Los núcleos de nitrógeno-14 tienen un spin de magnitud 1, mientras que los núcleos de carbono-14 y oxígeno-14,no tienen spin. Los electrones, neutrinos, positrones y antineutrinos tienen un spin de ½ magnitud.
El spin de un antineutrino siempre apunta en su sentido de la marcha, mientras que la de un neutrino apunta en dirección contraria.
Un poco más de cuántica complica los cálculos, pero en esencia la conservación del spin significa que un neutrino o antineutrino es más probable que proceda de una explosión de aminoácidos en la que el spin del nitrógeno-14 apunte en la dirección opuesta a la suya.
El resultado final es que alrededor de uno de los polos, los aminoácidos de una quiralidad son preferentemente disparados por los antineutrinos, mientras que los neutrinos hacen algo similar a los aminoácidos de la quiralidad opuesta reuniéndolos alrededor del otro polo, pero en menor medida ya que esta reacción es energéticamente menos probable.
Eso crea un desequilibrio quiral general en el medio ambiente del remanente de supernova.
Esto, creen Boyd y sus colegas, es el origen de la preferencia quiral demostrada no sólo en la vida, sino también en los meteoritos que han caído en la Tierra.
"La materia de la que formó nuestro Sistema Solar fue procesada por los neutrinos de muchas supernovas", dice Boyd. "Pero todos ellos seleccionaron más aminoácidos zurdos que los diestros."
El mecanismo no está exento de inconvenientes.
Uno de ellos, es que una lluvia de fotones de rayos gamma de alta energía producidos por la explosión de la supernova podría aniquilar todos los aminoácidos a lo largo y ancho, sin dejar nada que provoque un desequilibrio quiral.
No hay manera de eludir este problema, especialmente si el remanente de la supernova creado es una estrella de neutrones.
No ocurre lo mismo si la explosión de supernova genera un remanente aún más extremo, un agujero negro.
"Esto sucede en muchos casos", dice Boyd.
Un agujero negro elimina el problema de rayos gamma al atraerlos hacia su interior evitando la aniquilación de los aminoácidos.
"Si estamos en lo cierto, debemos la quiralidad zurda de los aminoácidos en la Tierra a la acción de un agujero negro."
Es una sugerencia atrevida, pero que hasta ahora ha formulado pocas objeciones.
Una de ellas es que el tamaño de la asimetría producida es pequeño. Pero eso podría ser todo lo que se necesita, dice Meierhenrich.
Señala que los experimentos han demostrado que una asimetría inicial quiral de entre un 1 y un 5 por ciento puede ser amplificada por "procesos autocatalíticos químicos", en la que un pequeño exceso de una forma quiral estimula la producción de más moléculas de esa forma.
Esto es poco probable que suceda alrededor de una supernova. "La amplificación requiere de un medio líquido como el encontrado en los asteroides acuosos o en la primitiva Tierra", dice Glavin.
Así, un proceso que se inició en una supernova todavía tendría que ser terminado cerca de casa.
Una explicación alternativa prometedora se basa en el hecho de que, por cada 99 átomos del isótopo carbono-12, hay un átomo más pesado del carbono-13.
En abril de 2009, Kawasaki Tsuneomi y sus colegas de la Universidad de Tokio, en Japón, mostraron que esta asimetría natural reducida podría desencadenar un proceso autocatalítico que resultó en un producto orgánico con asimetría quiral notable - aunque todavía está por verse si esto también es válido para aminoácidos.
Próximo paso: Rosetta.
En 2014, cuando la sonda Rosetta llegue al encuentro con el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, se enviará una nave para que perfore y analice el núcleo de hielo de 20 centímetros de profundidad del cometa, proporcionando una muestra de material que data de los inicios del Sistema Solar, con la garantía de que está libre de contaminación, a diferencia de los meteoritos que han aterrizado en la Tierra.
Si los aminoácidos que encuentran muestran todos un sesgo zurdo, sugeriría que las supernovas están detrás de la asimetría.
Si algunos aminoácidos son predominantemente zurdos y otros diestros, entonces podría ser posible encontrar que la energía de la luz ultravioleta polarizada circularmente tiene la culpa.
En secreto, sin embargo, Meierhenrich tiene esperanzas de otro resultado.
"¿No sería maravilloso si todos los aminoácidos que encontráramos fueran diestros?",
dice. "Ninguno de los mecanismos propuestos funcionaría entonces.
Astrofísica y Física
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