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Tres teorías para explicar el origen de la asimetría en los seres vivos

Por Luis Gómez- Hortigüela (CSIC) *

La quiralidad es la propiedad que tienen ciertos objetos de no ser superponibles con su imagen especular. Así, cada una de las imágenes especulares constituyen entidades diferentes. El mundo que nos rodea está lleno de objetos quirales, como el clásico ejemplo de nuestras manos (la izquierda se convertirá en la derecha si la ponemos frente a un espejo), u objetos que posean ejes helicoidales, como tornillos o escaleras de caracol.

La trascendencia más fundamental de la quiralidad tiene lugar en el nanomundo de las moléculas, en particular en las que conforman el funcionamiento de los seres vivos. Esto es así porque, ya desde su más remoto origen, la vida decidió funcionar de manera asimétrica, empleando compuestos quirales para construir las biomoléculas funcionales: aminoácidos para formar proteínas y azúcares para los ácidos nucleicos. En una entrada anterior, ya hablábamos de la asimetría como una propiedad esencial para la vida. Por alguna misteriosa razón, de las dos posibles formas especulares de estos compuestos quirales, la vida decidió comenzar su andadura empleando exclusivamente la forma zurda (L) de los aminoácidos y la forma diestra (D) de los azúcares, fenómeno que se conoce como homoquiralidad.

El pez platija con su extravagante asimetría en la posición de los ojos es un claro ejemplo de quiralidad.

A su vez, consciente de su eficiencia, la evolución trasmitió esta caprichosa selección quiral a todos los seres vivos, al menos en lo que concierne a nuestro planeta. Ahora bien, una vida imagen especular de la existente, con aminoácidos diestros y azúcares zurdos, en principio debería ser igualmente viable. ¿Por qué entonces la naturaleza se decantó por la vida basada en L-aminoácidos y D-azúcares? ¿Fue fruto de una mera casualidad o existe un imperativo cósmico detrás? ¿Podría existir vida imagen especular de la nuestra en otros planetas? Hasta el momento, hay tres posibles teorías que responden esta cuestión.

La homoquiralidad surgió por azar

Al ser las dos formas especulares (enantiómeros) de compuestos quirales igualmente estables, en principio existen en igual proporción (50% de cada uno). La senda hacia la homoquiralidad requiere el establecimiento de ciertos desequilibrios enantioméricos primigenios, una ruptura inicial de esa simetría del 50% que pueda derivar por diversos mecanismos de amplificación hacia la exclusividad quiral requerida para traspasar la barrera de la materia inerte a la viva. Un primer agente que podría haber generado esos desequilibrios es el propio azar.

Imaginemos que lanzamos una moneda al aire 100 veces; la estadística predice que lo más probable es que obtengamos 50 caras y 50 cruces. Sin embargo, si realizamos el experimento varias veces, es muy posible que en alguna ocasión obtengamos 49 caras y 51 cruces (o viceversa), lo que da lugar a una ruptura de la simetría. De manera similar, pequeños desequilibrios estocásticos en la proporción de uno y otro enantiómero de biomoléculas quirales en el caldo prebiótico habrían generado un germen de asimetría que habría derivado en la homoquiralidad. De ser este el mecanismo, la vida terrestre basada en L-aminoácidos y D-azúcares constituiría un mero accidente congelado fruto de un azaroso desequilibrio primigenio, condenado a la eternidad por la selección natural y las ventajas bioquímicas de la homoquiralidad. Esta selección quiral, por tanto, no sería imperativa en el universo, sino que podría encontrarse vida imagen especular en otros rincones del mismo.

El Hibiscus hawaiano, es quiral: los pétalos se montan unos sobre otros de manera helicoidal. / Wikipedia

Imperativo cósmico

No obstante, Einstein encontraba poco espacio en el universo para el azar: “Dios no juega a los dados con el universo” (o en este caso, la selección natural a través de la evolución química). Así, también se han propuesto mecanismos deterministas, donde ciertas influencias asimétricas debieron concurrir para generar esa ruptura inicial de simetría, lo que establecería una causa última para la selección quiral de la vida.

La primera de las teorías deterministas está relacionada con la naturaleza íntima de la materia. Uno de los más desconcertantes descubrimientos científicos del siglo XX fue la llamada caída de la paridad, que se deriva del hecho de que las partículas que conforman nuestro universo de materia son asimétricas. En palabras de Asimov, que el electrón es zurdo (su reverso de antimateria, el positrón, sería su análogo diestro).

Nuestro universo está constituido por partículas de materia, como el electrón, y por tanto es asimétrico. Esta asimetría es debida a un desequilibrio inicial, cuyas causas aún se desconocen, entre la cantidad de materia y antimateria tras el Big Bang, que hizo que la primera prevaleciera en su épica batalla ancestral contra la antimateria, conformando así nuestro universo.

Tal asimetría de la materia que configura las moléculas de nuestro universo implica que existe una ínfima diferencia de estabilidad entre los enantiómeros L y D de los aminoácidos construidos a base de materia, lo cual podría proporcionar la causa para un desequilibrio inicial. De hecho, estudios teóricos sugirieron una ligerísima mayor estabilidad para los L-aminoácidos y los D-azúcares, coincidente con la selección quiral de la vida. Sin embargo, las diferencias de energía calculadas eran extremadamente pequeñas y controvertidas. Así, por muy eficientes mecanismos de amplificación que existieran, resulta difícil predecir que tales mínimos desequilibrios condujeran a la homoquiralidad de la vida. En todo caso, si este fuera el origen, la quiralidad estaría impresa en los mismos entresijos de la materia, y por tanto cualquier vida en nuestro universo de materia debería reflejar la misma selección quiral que la terrestre.

La espiral de las conchas de caracol giran invariablemente hacia la derecha, una muestra de la quiralidad en esta especie.

Origen extraterrestre

En 1969, la llegada de un inesperado visitante en forma de meteorito a Murchison (Australia) proporcionó una nueva pista para otro posible mecanismo de ruptura de simetría quiral. El célebre meteorito contenía aminoácidos de origen extraterrestre. Sorprendentemente, se observaron ciertos desequilibrios enantioméricos en dichos aminoácidos, lo que sugería la provocativa idea de un germen de quiralidad exógeno, forjado en algún rincón del universo donde pudieran darse condiciones que no serían posibles en la Tierra. De esta manera, el desequilibrio quiral inicial habría alcanzado nuestro planeta a bordo de meteoritos.

Para estudiar esta sugerente posibilidad, la Agencia Espacial Europea envió en 2004 la sonda Rosetta al cometa 64P-Churiumov Guerasimenko para analizar in situ la existencia de desequilibrios enantiómericos en compuestos quirales de interés para el origen de la vida, si bien azares del destino impidieron llegar a conclusiones definitivas. En este caso, no existiría una quiralidad universal, sino que su origen sería local asociado a una región particular del universo, y podría por tanto existir vida imagen especular en otros planetas de otras regiones estelares.

Sea como fuere, resulta sobrecogedor pensar que el código quiral que describe la asimetría de la vida pudiera proceder en último término de algún lejano rincón del universo bañado por la luz asimétrica de una estrella de neutrones durante la llamada era química, o bien de lo más recóndito de la existencia, en el más insondable periodo posterior al Big-Bang, cuando la materia venció en su decisiva batalla contra la antimateria durante la era cósmica, salvándose de su desintegración absoluta y permitiendo la formación de las galaxias y el desarrollo de la era biológica que condujo, de la mano de la evolución, a nuestra propia existencia para admirar la asimétrica belleza del Universo… ¿O no fue más que una mera casualidad?

Luis Gómez-Hortigüela es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘La quiralidad’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

Una inmensidad fría y estéril: ¿Será así el final del universo?

Por Mar Gulis (CSIC)

A finales del siglo pasado, la mayor parte de la comunidad científica pensaba que el cosmos iría frenando poco a poco su expansión debido a la acción de la gravedad. Algunos incluso creían que, luego, el universo comenzaría a contraerse de forma progresiva hasta terminar concentrado en un punto, que señalaría el final del espacio-tiempo. En ese caso el final del cosmos sería una gran implosión o Big Crunch, algo semejante a una película al revés del Big Bang.

remanante supernova

Remanente de una explosión de supernova termonuclear. / NASA.

Con el objetivo de medir la desaceleración del universo, en los años 90 dos equipos científicos independientes (el High-z Supernova Search Team y el Supernova Cosmology Project) se propusieron determinar la velocidad de alejamiento de galaxias situadas a diferentes distancias. Lo hicieron observando supernovas termonucleares, también conocidas como supernovas de tipo Ia.

Estas estrellas en explosión se forman a partir de enanas blancas, objetos muy densos en los que acaban convertidas la mayoría de las estrellas tras perder su combustible nuclear. Cuando una enana blanca absorbe materia de una estrella cercana –o se funde con otra enana blanca– y su masa supera en 1,44 veces la masa del Sol, se alcanza el denominado límite de Chandrasekhar. En ese momento “la enana se contrae con rapidez y esto da lugar a la ignición termonuclear explosiva de la mezcla de carbono y oxígeno de la que está formada”, explica Pilar Ruiz Lapuente, investigadora del CSIC e integrante del Supernova Cosmology Project.

Las supernovas termonucleares constituyen un excelente patrón para medir distancias, ya que es posible calibrar su luminosidad con una gran precisión. Es como si observásemos a lo lejos una bombilla cuya potencia en vatios conocemos previamente: midiendo el brillo con el que su luz llega a nuestros ojos podemos saber a qué distancia se encuentra. Otra ventaja de estas supernovas es que son muy brillantes. “Mientras que con las cefeidas [estrellas cuya luminosidad también puede calibrarse] solo podemos ir a distancias de algunos millones de años-luz, con las supernovas podemos alcanzar miles de millones de años-luz: la supernova que más lejos se ha observado, por el momento, está a 12 mil millones de años-luz”, señala Ruiz Lapuente en su libro La aceleración del universo (CSIC-Catarata).

En 1998 los dos equipos presentaron sus impactantes conclusiones: las supernovas más lejanas observadas se encontraban entre un 10 y un 15% más distantes de lo esperado. Estos resultados, confirmados y reforzados después por otras investigaciones, acreditan que el universo, en lugar de desacelerar su expansión, está expandiéndose a un ritmo cada vez mayor.

El misterio de la energía oscura

Si tiramos una moneda al aire, esperamos que más tarde o más temprano comience a caer por efecto de la gravedad. Si en lugar de eso, empezase a alejarse de nosotros a mayor velocidad, pensaríamos que hay un componente que está contrarrestando la acción de la gravedad. La causa de que el universo siga el mismo patrón que la moneda del ejemplo y se expanda aceleradamente es lo que se conoce como energía oscura.

Todavía no se ha podido precisar la naturaleza física de la energía oscura, pero la mayoría de los datos actuales apuntan a que es una energía intrínseca al espacio-tiempo: una energía del vacío cuya presencia relativa aumenta a medida que el espacio-tiempo se expande. Así, aunque en los inicios del universo la energía oscura habría constituido una pequeña parte de toda la masa-energía del universo, en la actualidad constituye un 73% de la misma. El también investigador del CSIC Alberto Casas aclara que “la razón es que la densidad de materia va disminuyendo a medida que el universo se expande, ya que la misma cantidad de materia se va diluyendo en un espacio cada vez mayor. Pero la energía oscura está asociada al propio espacio, por lo que su densidad no disminuye.”

En concreto, las observaciones muestran que el universo no siempre se ha expandido de forma acelerada: hace más de 5.000 millones de años –la edad del cosmos se estima en unos 13.700 millones de años­– las galaxias estaban reduciendo el ritmo al que se alejaban unas de otras; pero, llegado ese momento, empezaron a distanciarse a un ritmo cada vez mayor. Todo indica que el espacio-tiempo había alcanzado una dimensión en la que la energía oscura se hizo dominante con respecto al resto de componentes del universo, y que fue entonces cuando sus efectos antigravitatorios comenzaron a notarse.

Gráfica energía oscura

En el centro, esquema de la historia del universo que refleja cómo la proporción de energía oscura ha ido aumentando con el tiempo. Arriba a la izquierda, visión de cómo se produce una supernova de tipo Ia en un sistema binario: la enana blanca absorbe materia de la estrella cercana hasta alcanzar el límite de Chandrasekhar (1,44 veces la masa del Sol) y muere en una explosión de supernova. / Nobel Prize Foundation

 

De ser así la energía oscura habría venido a resucitar la constante cosmológica de Albert Einstein. Cuando el físico alemán formuló su ecuación original del campo gravitatorio estaba convencido de que el universo ni se contraía ni se expandía, sino que era estático. Sin embargo, se percató de que “según su ecuación el cosmos perdería ese equilibrio y pasaría a contraerse bajo la acción de la gravitación”, señala Ruiz Lapuente. Por eso, introdujo la constante cosmológica en la ecuación, un término que actuaba como una ‘antigravitación’ que mantenía al universo en equilibrio.

En 1931 el ‘padre’ de la teoría de la relatividad tuvo que aceptar la evidencia de que el universo estaba en expansión. Eso hacía innecesaria la constante cosmológica, idea a la que renunció públicamente afirmando que había sido uno de los errores más importantes de su vida. Ahora vemos que quizás Einstein no estaba tan desencaminado: si la energía oscura es realmente una energía del vacío como la descrita –esta hipótesis todavía necesita confirmarse–, vuelve a ser necesario introducir la constante cosmológica en su ecuación. Esta vez no como factor de equilibrio del universo, sino como responsable de su expansión acelerada.

Malos tiempos para la cosmología

Todo ello tiene importantes implicaciones a la hora de predecir el destino del universo. Según Ruiz Lapuente, “si, en efecto, se confirma que la constante cosmológica es la causa de esta aceleración, esto significa que el universo seguirá expandiéndose de forma acelerada. Su materia será cada vez más dispersa e incapaz de formar galaxias y sistemas estelares. Además, lo que exista irá perdiendo conexión causal paulatinamente y no se podrían transferir señales de un punto del universo a otro. El panorama que surge es el de un universo que va apagando sus luces al acabarse la vida de las estrellas y va enfriándose hacia un final de una inmensidad fría y estéril”.

Casas, autor del libro El lado oscuro del universo, ahonda en esta idea: “Las pocas dece­nas de galaxias que forman el Grupo Local, pequeño cúmulo al que pertenece la Vía Láctea, continuarán ligadas por atrac­ción gravitatoria. Es decir, nuestro Grupo Local permanecerá unido, pero el resto de miles de millones de galaxias actual­mente visibles se alejarán de nosotros cada vez a mayor velo­cidad (de forma exponencial). Cuando el universo tenga 100.000 millones de años, la luz que nos llegará del resto de galaxias será tan débil y estará tan desplazada hacia el rojo, que se volverán invisibles a todos los efectos.”

“Sin embar­go, todavía habrá estrellas durante cientos de miles de millo­nes de años. Es decir, que podemos imaginar observadores inteligentes en esa época futura. A ellos les parecerá que el universo consiste en unas pocas galaxias que flotan en un océano de espacio totalmente vacío, exactamente como les parecía el universo a los astrónomos alrededor del año 1900. Además, no verán la expansión del universo (ya que no verán galaxias distantes alejándose) y no podrán detectar la propia energía oscura, principal responsable de la situación. En consecuencia, no podrán aprender del universo lo que hemos aprendido noso­tros (a menos que les dejemos algún tipo de testimonio que pudiera llegar hasta ese futuro extraordinariamente lejano, algo difícil de concebir). No será una época muy buena para hacer cosmología, esta es más divertida”, añade el investigador del CSIC.

“Los otros cúmulos de galaxias que vemos en el cielo actual formarán también sus propios universos-isla, totalmente desgajados unos de otros. Más allá de aquella época, las estrellas terminarán de consu­mir su combustible (hidrógeno y otros elementos ligeros) y se apagarán. Literalmente, la desolación final será absoluta. ¿Hubiera preferido usted el apoteósico final del Big Crunch?”, concluye Casas.

Para saber más:

Lecturas fresquitas para un verano de ciencia

Por Mar Gulis (CSIC)

Llegan las vacaciones de verano y en ‘Ciencia para llevar’ queremos invitarte a que hagas un hueco en tu maleta para la divulgación. La colección ¿Qué sabemos de? (CSIC-Catarata) te ofrece más de cien libros con los que podrás disfrutar de la ciencia durante estos días de descanso. Aquí te presentamos algunos de los más recientes.

Lecturas veraniegas

 

Mentiras de la física cuántica

El primero va de los falsos mitos que rodean a la física que estudia las partículas más diminutas, como los átomos o los electrones. En Verdades y mentiras de la física cuántica, Carlos Sabín, investigador del CSIC en el Instituto de Física Fundamental, desmonta creencias erróneas acerca de esta rama de la física y aclara que los gatos no están vivos y muertos a la vez, que no modificamos la realidad solo con observarla o que la información no puede viajar más rápido que la luz. En palabras del autor, el libro trae “malas noticias” para quienes creen que la física cuántica es “una manera de escapar a las leyes de la física y entrar en un mundo nuevo donde todo está permitido, todo es impredecible y la realidad puede modificarse a voluntad”. La buena noticia es que Sabín ofrece la explicación correcta a los fenómenos cuánticos más desconcertantes, y lo hace de forma clara y sencilla, sin renunciar al humor o la ironía.

Asimetrías en la materia, la vida y el universo

Aunque a priori parezca improbable, nuestras manos, un tornillo y la concha de un caracol tienen algo importante en común: todos ellos son objetos quirales. Esto quiere decir que su imagen especular no puede superponerse con la original, por mucho que la giremos. Por eso, en el espejo la mano derecha se convierte en la izquierda, un tornillo cambia la dirección de su rosca y la concha ‘da vueltas’ en sentido contrario. En el libro La quiralidad. El mundo al otro lado del espejo, el químico del CSIC en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica Luis Gómez-Hortigüela nos invita a emular a Alicia, el personaje de Lewis Carroll, y a embarcarnos en un viaje alucinante para descubrir las sorprendentes y variadas expresiones de esta propiedad, que está estrechamente relacionada con la asimetría. La quiralidad, por ejemplo, se manifiesta en el cuerpo humano, con un corazón que se encuentra desviado a la izquierda y un cerebro que compartimenta las funciones de forma asimétrica en sus dos hemisferios. Sin embargo, la relevancia fundamental de este fenómeno se expresa en objetos mucho más pequeños, como el ADN, con sus hélices retorciéndose invariablemente hacia la derecha, o las partículas elementales, entre las que ha prevalecido la materia sobre la antimateria, una asimetría que ha dado forma a nuestro universo.

Algas diatomeas, el otro pulmón de la Tierra

Las diatomeas, algas unicelulares capaces de producir más oxígeno que todos los bosques amazónicos, centroafricanos e indonesios juntos, son ‘el otro pulmón’ de la Tierra. El investigador del Instituto de Ciencias del Mar (CSIC) Pedro Cermeño explica, en Las diatomeas y los bosques invisibles del océano, la importancia de estos microorganismos para los ecosistemas marinos y el conjunto del planeta, y presenta algunas de sus posibles aplicaciones tecnológicas.

Con este libro podrás descubrir que en los océanos también hay bosques y desiertos, y que las diatomeas forman una parte esencial de los primeros, donde sirven de alimento para larvas, moluscos, crustáceos y peces. “Si pudiésemos acumular toda la biomasa que producen las diatomeas, en tan solo dos décadas tendríamos suficiente como para reemplazar todos los bosques tropicales del mundo”, ilustra el autor. Otra de sus cualidades es que incrementan la eficiencia de la bomba biológica, un proceso mediante el cual los ecosistemas marinos absorben dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y lo transfieren hacia las capas más profundas del océano, lo cual contribuye a paliar el efecto invernadero y a enfriar el clima del planeta. Si quieres saber más sobre las denominadas ‘joyas del mar’, no dejes de abrir las páginas de este libro.

Virus ‘buenos’ que combaten bacterias infecciosas

¿Existen los virus ‘buenos’? La respuesta es sí: algunos de ellos pueden usarse para luchar contra bacterias resistentes a los antibióticos, uno de los grandes retos de la biología y la medicina en la actualidad. En Los bacteriófagos. Los virus que combaten infecciones, cuatro investigadoras del CSIC en el Instituto de Productos Lácteos de Asturias (Lucía Fernández, Diana Gutiérrez, Ana Rodríguez y Pilar García) nos presentan a los virus que atacan a las bacterias. Como cualquier otro agente vírico, los bacteriófagos son parásitos que necesitan infectar una célula, en este caso una bacteria, para multiplicarse en su interior; pero, a diferencia de otros virus, resultan totalmente inocuos para los humanos, los animales, las plantas y el medioambiente. El libro presenta las bacterias patógenas que se esconden en el nanomundo y traza la historia de los antibióticos, que hasta ahora en Occidente han relegado a los bacteriófagos. También explica cómo la progresiva pérdida de eficacia de la penicilina y otros compuestos con el mismo efecto están abriendo la puerta al empleo de los bacteriófagos en múltiples campos: desde la terapia fágica para la salud humana y animal, hasta biocidas para la agricultura o productos desinfectantes.

Escritos por personal investigador del CSIC, los libros de la colección ¿Qué sabemos de? son ediciones de bolsillo, por lo que resultarán un práctico compañero de viaje. Pero, si lo prefieres, también podrás leerlos en formato electrónico. ¡Buenas vacaciones y buena lectura!

¿Pueden existir estrellas y galaxias de antimateria?

Por Beatriz Gato Rivera y Mar Gulis (CSIC)*

Quizás lo más distintivo de la antimateria es que al entrar en contacto con la materia se aniquilan la una a la otra produciendo una gran cantidad de radiación. Si se pudiera almacenar un gramo de antimateria –algo imposible con la tecnología actual–, al entrar en contacto con la materia generaría una deflagración equivalente a más de dos veces la bomba atómica que asoló Hiroshima en 1945.

La física de partículas y la cosmología han llegado a la conclusión de que en el Big Bang se crearon idénticas cantidades de materia y antimateria que, solo unos breves instantes después, se aniquilaron casi totalmente entre sí. Algo sucedió, sin embargo, justo antes de la Gran Aniquilación para que se generara un ligerísimo excedente de partículas sobre antipartículas, el cual bastó para que el universo material pudiese tomar forma y llegar a existir tal como lo conocemos. En efecto, de las observaciones se deduce que por cada protón primordial –originado en el Big Bang– que sobrevivió, miles de millones sucumbieron a la extinción, junto a la misma cantidad de antiprotones primordiales.

aniquilación de un antiátomo

Aniquilación de un átomo de antihidrógeno observada por el detector ATHENA en 2002. / CERN

Sin embargo, no es posible descartar que haya sobrevivido una pequeñísima cantidad de antimateria primordial en nuestro universo observable, quizás un antiprotón por cada decena de millones de protones. En este caso no es impensable que pudieran existir estrellas e incluso galaxias pequeñas de antimateria, como predicen algunos modelos teóricos propuestos por varios grupos de investigación, siempre que estas estuviesen suficientemente aisladas de la materia –y lo cierto es que en el universo hay regiones extremadamente vacías–. De confirmarse esta circunstancia tampoco sería inimaginable que orbitando dichas antiestrellas existieran antiplanetas habitados por seres vivos e incluso civilizaciones tecnológicas, compuestos todos ellos por antimateria.


¿Qué es la antimateria?

Para comprender mejor las consecuencias de esta posibilidad, hay que entender qué es la antimateria. En un sentido amplio, la antimateria puede considerarse como el reverso de la materia o como una imagen especular de la misma respecto a varios ‘espejos’. Como sabemos por experiencia propia, cuando nos miramos en un espejo el rostro que vemos no es nuestro rostro sino que tiene intercambiados los lados derecho e izquierdo. Del mismo modo, las partículas de antimateria tienen sus propiedades opuestas respecto a las de las partículas de materia. Esto se refiere solo a aquellas propiedades que admiten valores opuestos, ya que las propiedades que no admiten valores opuestos son idénticas para las partículas y sus antipartículas. Por ejemplo, el electrón y su antipartícula, el positrón, con la misma masa y el mismo espín, tienen valores opuestos de la carga eléctrica, la carga débil y la carga leptónica.

Todas las partículas elementales tienen su antipartícula, aunque hay partículas que son sus propias antipartículas. Es el caso del fotón –la partícula de luz– o del bosón de Higgs. Se da la curiosa circunstancia de que la única antipartícula con nombre propio es el positrón –“electrón positivo”–, así denominado por Carl Anderson tras descubrirlo en 1932. Las demás antipartículas se denominan como las partículas ordinarias pero anteponiendo el prefijo anti.

Al igual que las partículas, las antipartículas pueden dar lugar a estructuras más complejas, como átomos de antimateria, que están constituidos por las antipartículas de los átomos de materia. En su núcleo, en lugar de protones (de carga eléctrica +1) y neutrones, compuestos todos ellos por quarks, hay antiprotones (de carga eléctrica -1) y antineutrones, compuestos por antiquarks –los quarks y sus antiquarks tienen valores opuestos de la carga fuerte, la carga débil, la carga eléctrica y la carga bariónica–. Orbitando alrededor del núcleo, en lugar de electrones (de carga eléctrica -1), encontramos positrones (de carga eléctrica +1).

átomo y antiátomo

A la izquierda, un átomo de helio. A la derecha, uno de antihelio.


Antimateria primordial y antimateria secundaria

Estamos conviviendo constantemente con la antimateria y con los productos de su aniquilación con la materia. Por una parte, una lluvia incesante de partículas de materia y de antimateria, producidas por las colisiones de los rayos cósmicos con los átomos de nuestra atmósfera, cae sobre la superficie terrestre y nos alcanza. Es más, neutrinos y muones muy energéticos (y sus antipartículas) atraviesan casas y edificios.

Por otra parte, las mismas estrellas producen antimateria en grandes cantidades en sus hornos nucleares en forma de positrones. Y sucede que la aniquilación de estos con los electrones del plasma del interior produce parte de la luz y del calor que emiten. En el caso del Sol, aproximadamente un 10% de la luz visible que irradia proviene de tales aniquilaciones.

Además, algunas sustancias radiactivas naturales que abundan en compuestos orgánicos, como el Potasio-40, emiten positrones, los cuales se aniquilan de inmediato con los electrones de su entorno. Esto hace, por ejemplo, que un plátano mediano emita cada 24 horas 15 positrones, aproximadamente, provenientes de los núcleos radioactivos de los átomos de Potasio-40.

La inmensa mayoría de las partículas de antimateria con las que convivimos y que observamos es antimateria secundaria, pues se ha creado en colisiones entre partículas de materia ordinaria o en procesos astrofísicos conocidos muy energéticos, como las reacciones nucleares en el interior de las estrellas. Pero, como decíamos, cabe la posibilidad de que todavía haya en el universo partículas de antimateria primordiales.

El experimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), instalado en la Estación Espacial Internacional, se afana por encontrar indicios de tal posibilidad, escudriñando el espacio en busca de núcleos de antiátomos. Si encontrase un solo antinúcleo mayor que el de antihelio, como un núcleo de antilitio o antiberilio (con tres y cuatro antiprotones respectivamente), esto constituiría un gran acontecimiento, pues indicaría que la antimateria primordial no desapareció totalmente, ya que estos núcleos no se pueden producir en nuestro universo material, a diferencia del núcleo de antihelio. Pero si el experimento AMS encontrase un solo antinúcleo aún mayor, como un núcleo de antiboro o anticarbono (con cinco y seis antiprotones respectivamente), este hallazgo sería la prueba definitiva de la existencia de antiestrellas, pues estos antinúcleos solo podrían haberse generado en los hornos de las capas más profundas de estas.

AMS2

Simulación del detector AMS2 montado en la Estación Espacial Internacional. / NASA-JSC

Civilizaciones extraterrestres de antimateria

Ahora dejemos volar nuestra imaginación y vayamos hacia el futuro, a una época en la que pudiéramos realizar viajes intergalácticos de forma eficiente; por ejemplo, a través de atajos espacio-temporales o por otras dimensiones. Supongamos que descubrimos una estrella de antimateria, porque emite antineutrinos en lugar de neutrinos, y que al acercarnos avistamos todo un sistema planetario con algunos planetas localizados en la zona de habitabilidad. Así que decidimos enviar señales que denoten su procedencia inteligente, y con este propósito elegimos unas secuencias de flashes de luz láser con los números impares: 1, 3, 5, 7, 9…

Si nos encontramos lo suficientemente cerca de estos antiplanetas, por ejemplo a tan solo dos horas luz de distancia, nuestras señales tardarán dos horas en llegar a su destino. Imaginemos entonces que, para nuestro asombro, unas seis horas después recibimos una respuesta inteligente, consistente en otras secuencias de flashes de luz láser, pero esta vez con los números pares: 2, 4, 6, 8…

¡Nuestras señales han sido interceptadas por seres inteligentes de una civilización tecnológica!, y nos envían acuse de recibo utilizando señales similares aunque no idénticas, para que no las confundamos con un eco de nuestras propias señales. Con gran entusiasmo, esta vez les enviamos un vídeo amistoso enseñándoles la Tierra y sus gentes, al que nos responden con otro vídeo amistoso enseñándonos su planeta e invitándonos a visitarlo, como se deduce de su lenguaje no verbal y sus gesticulaciones.

Obviamente, estos seres ignoran que nosotros somos de antimateria en relación a la materia de la que ellos y su mundo están constituidos. Pero nosotros sí sabemos que ellos lo son, en relación a la nuestra. Así que no podemos aceptar la invitación y hemos de restringir nuestro contacto al intercambio de ondas electromagnéticas exclusivamente. Nada de recepciones oficiales, ni de intercambios de obsequios: la aniquilación mutua estaría asegurada.

 

* Beatriz Gato Rivera es investigadora del CSIC en el Instituto de Física Fundamental y autora del libro Antimateria (Editorial CSIC-Los libros de la Catarata).

El origen del universo: las tres grandes evidencias del Big Bang

AutorPor Alberto Fernández Soto (CSIC)*

Todo cambia: nosotros, otros seres vivos, la geografía de nuestro planeta, etc. El universo también evoluciona, aunque habitualmente lo hace en escalas de tiempo mucho mayores. Existen procesos, como la explosión de una supernova, que podemos observar en tiempo real. Pero además el cosmos cambia como un todo, y hace aproximadamente 13.800 millones de años conoció la mayor transformación que podemos imaginar: surgió de repente, de modo que la materia, la energía, e incluso el espacio y el tiempo aparecieron espontáneamente a partir de la nada en lo que hoy llamamos la ‘Gran Explosión.

Esta es una idea difícil de digerir, y como tal requiere evidencias muy sólidas que la apoyen. Tres son las grandes pruebas en que se basa:

  1. El universo se expande. Edwin Hubble observó hacia 1925 que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia entre ellas. Georges Lemâitre había probado anteriormente que un universo en expansión representaba una solución válida de las ecuaciones de Einstein, aunque éste se había mostrado reticente (sus ecuaciones son correctas, pero su física es abominable, cuentan que le dijo). Si el cosmos se encuentra en expansión es fácil imaginar que en el pasado ocupaba un volumen mucho menor y, en el límite, un volumen nulo. Tal instante, en el que la temperatura y la densidad serían extremadamente altas, es lo que llamamos ‘Gran Explosión’ o ‘Big Bang’.
  1. La composición del universo es tres cuartos de hidrógeno y un cuarto de helio, los dos elementos más ligeros. Todo el resto de la tabla periódica, incluyendo los elementos que componen la mayor parte de nuestros cuerpos y nuestro planeta (silicio, aluminio, níquel, hierro, carbono, oxígeno, fósforo, nitrógeno, azufre…), representa aproximadamente el 2% de la masa total. Cuando hacia 1950 algunos físicos (entre ellos Fred Hoyle, William Fowler y el matrimonio formado por Geoff y Margaret Burbidge) entendieron por primera vez las ecuaciones que regían las reacciones nucleares en las estrellas, probaron que todos esos átomos ‘pesados’ habían nacido en los núcleos estelares. George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman aplicaron las mismas ecuaciones a la ‘sopa’ de partículas elementales que debería haber existido en los primeros instantes del universo, teniendo en cuenta su rápido proceso de enfriamiento. Dedujeron que, aproximadamente tres minutos después del instante inicial, la temperatura habría bajado lo suficiente como para frenar cualquier reacción nuclear, dejando un universo con las cantidades observadas de hidrógeno y helio.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

  1. Si el universo nació en ese estado indescriptiblemente caliente y se ha ido enfriando, ¿cuál será su temperatura actual? Eso se preguntaban Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll y David Wilkinson en Princeton a mediados de los sesenta. Antes de completar su antena para intentar medir esa temperatura, supieron por un colega que dos astrónomos de los cercanos laboratorios Bell, que utilizaban una gran antena de comunicaciones para medir la emisión de la Vía Láctea, detectaban un ruido de fondo que no conseguían eliminar. Arno Penzias y Robert Wilson habían descubierto, sin saberlo, la radiación de microondas causada por la temperatura de fondo2,7 grados Kelvin (aproximadamente menos 270 grados)– que constituye el eco actual de la Gran Explosión.

Otros resultados recientes, como la medida de la tasa de expansión del universo a partir de observaciones de supernovas (1998) o la detección de escalas ‘fósiles’ características en el agrupamiento de galaxias (2005), han permitido estimar con precisión los parámetros del modelo. Así, la edad del universo es 13.800 millones de años (con una precisión menor del 1%).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

Eso sí, menos de un 5% del contenido del cosmos es la materia que estamos acostumbrados a ver. Existe otro tipo de materia del que hay una cantidad cuatro veces mayor que de materia normal –sólo notamos su efecto gravitatorio, y la llamamos ‘materia oscura–. Además una nueva componente, que llamamos ‘energía oscura a falta de un nombre mejor, representa casi un 75% del contenido del cosmos. ¿Su propiedad principal? Que genera una presión que se opone a la gravedad haciendo que el universo se encuentre en un proceso de expansión desbocada.

Hace 10.000 millones de años se formó nuestra galaxia, y nuestro sistema solar apareció solamente unos 5.000 millones de años atrás. En uno de sus planetas aparecieron hace casi 4.000 millones de años los primeros seres vivos: entes capaces de almacenar información genética, reproducirse y evolucionar. Tuvieron que pasar casi todos esos años para que, prácticamente ayer, apareciera una especie de primate capaz de observar el mundo a su alrededor, hacerse preguntas, y almacenar información de un nuevo modo: el instinto, el habla, la escritura, la cultura, la ciencia…

La cosmología observacional ha conseguido hoy responder a muchas preguntas que hace poco más de un siglo eran absolutamente inatacables para la física. No obstante un gran número de nuevos problemas se han abierto: ¿Qué es la materia oscura? ¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura y cómo provoca la expansión? ¿Qué produjo la asimetría inicial entre materia y antimateria? ¿Tuvo el universo temprano una fase inflacionaria de crecimiento acelerado? Multitud de programas observacionales y esfuerzos teóricos y computacionales se dedican a intentar resolver estas cuestiones. Esperamos que al menos algunas de ellas tengan respuesta en los próximos años.

 

* Alberto Fernández Soto investiga en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) y en la Unidad Asociada Observatori Astronòmic (UV-IFCA). Junto con Carlos Briones y José María Bermúdez de Castro, es autor de Orígenes: El universo, la vida, los humanos (Crítica).

Te contamos la historia del cosmos comprimida en un año

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Por Ricardo Moreno, Susana Deustua y Rosa M. Ros *

Supongamos que todo el tiempo desde el Big Bang hasta ahora [13.700 millones de años aproximadamente] lo comprimimos en un año, del 1 de enero al 31 de diciembre. Hasta mayo no se formó nuestra Vía Láctea. A primeros de septiembre se formó el Sol, y la Tierra tuvo forma esférica a mediados de ese mes. Pero no es hasta primeros de diciembre cuando el oxígeno se hace presente en nuestra atmósfera. Aunque unas células vivas muy sencillas aparecen enseguida sobre la Tierra, las células con núcleo como las actuales aparecen el 2 de diciembre y el día 12 los primeros organismos pluricelulares. El 19 aparecen las plantas y peces, y el 23 los árboles, insectos y reptiles. El 25 aparecen los dinosaurios, que duran hasta el 28. En el día 30 los mamíferos viven ya sobre la Tierra, pero no es hasta el 31 de diciembre, a las 23:00, cuando aparece el homo sapiens. En el último minuto se pintan las cuevas de Altamira. Cinco segundos antes de las doce de la noche es cuando nace Jesucristo. El último siglo serían las últimas dos décimas de segundo.

Calendario cósmico

 

* Este pasaje forma parte del libro 14 pasos hacia el Universo (2012). Es una de las múltiples iniciativas puestas en marcha por la Network for Astronomy School Education (NASE), con la que colabora el CSIC, con el objetivo de acercar la astronomía al profesorado de Primaria y Secundaria.

En la frontera de la química: cómo la materia se convirtió en vida

AutorPor Manel Souto Salom (CSIC)*

Hace tiempo, un redactor de una revista científica le preguntó a Jean-Marie Lehn, premio Nobel de Química en 1987, cuál era el gran interrogante de la química. “Los físicos tratan de desentrañar las leyes del universo. Los biólogos dicen que intentan resolver las reglas de la vida. Pero, ¿cuál es la gran pregunta que los químicos deben responder?” Lehn le contestó que la química tiene el reto de resolver la pregunta más importante de todas: ¿cómo la materia ha sido capaz de convertirse en algo que viva o piense? ¿De qué manera ha podido generar entidades capaces de preguntarse sobre el origen mismo del universo del que surgió?

Desde este punto de vista, la química constituye el puente que hay entre las leyes del universo y su específica forma de vida, es decir, entre la física y la biología. Su objetivo es descubrir y entender el proceso que gobierna la evolución de la materia hacia el aumento de su complejidad, desde las primeras partículas hasta la vida y la materia pensante.

Gran Salar de Uyuni

Imagen microscópica de cristales procedentes del Gran Salar de Uyuni flotando en el agua junto a diversos microrganismos. / María Jesús Redrejo Rodríguez y Eberhardt Josué Friedrich Kernahan (FOTCIENCIA12)

Y la clave de todo ello es la autoorganización, definida por Lehn como “la fuerza motriz del universo”. La premisa básica es que nuestro universo está construido de tal manera que la materia tiende a autoorganizarse; por lo que los seres humanos no somos un accidente, sino el resultado de nuestro universo.

Para estudiar de qué forma se organiza la materia, Lehn propone ir más allá de las fronteras de la química tal y como se la entiende comúnmente. Hoy día hablamos de química supramolecular para describir las interacciones de las moléculas entre sí. Si pensamos que una molécula es una casa compuesta por átomos que funcionan como ladrillos, la química supramolecular se ocuparía de la vida en el barrio.

Pues bien, Lehn parte de la base de que las interacciones entre moléculas son dinámicas y adaptativas. Es decir, que las casas y los edificios son capaces de ensamblarse y reordenarse para dar lugar a un barrio más complejo que el de partida; y que esos procesos responden a las condiciones del entorno en el que se producen. Lehn habla de una evolución predarwiniana – es decir, previa a la vida– para referirse a estas adaptaciones.

En el principio de la explosión original o Big Bang, era la física quien reinaba. Luego, cuando se alcanzaron temperaturas más bajas, vino la química. Las partículas formaron átomos y estos se unieron para producir moléculas cada vez más complejas dando a luz a las primeras células de las que brotó la vida en nuestro planeta. Esto ocurrió hace 3.800 millones de años. Hoy, la tarea de la química es revelar las vías de autoorganización y trazar los caminos que condujeron a la materia inerte hacia la materia orgánica, de ahí a la materia viva y, por último, a la pensante.

 

* Manel Souto Salom (Valencia, 1988) realiza su tesis doctoral en el Departamento de Materiales Orgánicos y Nanociencia Molecular (Nanomol) del Instituto de Ciencia de los Materiales de Barcelona del CSIC. Es autor del blog www.reaccionando.org y colaborador de El Huffington Post y El Periódico de Catalunya.

¿Es el universo infinito?

Por Mar Gulis

El otro día Gustavo Ariel Schwartz nos contaba que Edgar Alan Poe, gran aficionado a la astronomía, llegó a la conclusión de que el universo tuvo un principio después de estudiar lo que se conoce como la paradoja de Olbers.

Hoy compartimos un brevísimo vídeo que puede ayudar a entender mejor el razonamiento de Poe. Producido como parte de la serie ‘El universo en un minuto: diez preguntas clave de astronomía y cosmología’, en la que han participado astrofísicos del CSIC, este audiovisual explica que, como el universo nació hace unos catorce mil millones de años, solo podemos ver los objetos que están situados a menos de esa distancia.

¿Qué hay más allá? Aquí encontrarás algunas claves…

 

Edgar Alan Poe… el astrónomo

GASPor Gustavo Ariel Schwartz

Poe tenía una gran afición por la ciencia, y en especial por la astronomía. Tal era su interés por estos temas que estaba convencido de que iba a ser más recordado por sus ideas científicas que por sus escritos.

En 1848, con 39 años de edad y a uno de su muerte, propuso una solución realmente innovadora a la paradoja de Olbers. Esta paradoja señala que en un universo infinito, eterno e inmutable (como se creía entonces que era el universo) el cielo nocturno no podría contener regiones oscuras.

Paradoja

Según la paradoja de Olbers, a medida que observamos las estrellas situadas en capas más lejanas a la Tierra, el cielo debería verse más luminoso. / Kmarinas86 (CC-BY-SA-3.0)

Sabemos que cuanto más lejos está una estrella de la Tierra, menor es su intensidad aparente (en concreto, esta intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia). Por eso, cuando observamos dos estrellas similares situadas a diferente distancia de nuestro planeta, vemos más brillante la que está más cerca. Pero si suponemos que la densidad de estrellas en el universo es constante, a medida que nos alejamos de la Tierra y abarcamos un radio mayor del espacio, la cantidad de estrellas tendrá que aumentar (y no de cualquier manera, sino en proporción al cuadrado de la distancia). Por tanto, estos dos efectos se cancelan (cuanto más lejos, menos intensidad tienen los puntos de luz pero más puntos de luz hay) y, al observar el cielo en cualquier dirección, deberíamos ver una cantidad de luz infinita. Y éste, obviamente, no es el caso. Entonces, ¿cuál es el problema?

Alguna de las hipótesis arriba mencionadas no puede ser correcta: el universo no puede ser infinito, eterno e inmutable. Poe propuso entonces que “[…] podríamos comprender los vacíos que nuestros telescopios encuentran en innumerables direcciones suponiendo que la distancia hasta el fondo invisible es tan inmensa que ningún rayo de luz procedente de allí ha sido todavía capaz de alcanzarnos”. Esta idea echaba por tierra la hipótesis de eternidad; el universo tuvo un principio. De no ser así, por más lejos que estuviera una estrella, su luz habría tenido tiempo suficiente para llegar hasta nosotros.

Como si de un oxímoron borgiano se tratase, la oscuridad del cielo nocturno es una de las más claras y bellas evidencias a favor del Big Bang.

Cielo nocturno

 

Gustavo Ariel Schwartz es científico del CSIC en el Centro de Física de Materiales, dirige el Programa Mestizajes y mantiene un blog sobre Arte, Literatura y Ciencia.

¿Qué había ‘antes’ del Big Bang?

Por Mar Gulis

Dice el físico Alberto Casas que hacerse esta pregunta tiene el mismo sentido que preguntar qué hay al sur del Polo Sur.

Universo dedalSi nos guiáramos solo por las apariencias y creyéramos que la Tierra es plana, podríamos imaginarnos caminando hacia el sur de forma indefinida, del mismo modo que la intuición nos puede hacer pensar que es posible remontarnos a un tiempo anterior al Big Bang. Sin embargo, desde hace algunos siglos sabemos que nuestro planeta es redondo y que, una vez alcanzado el Polo Sur, por más que sigamos caminando en la misma dirección nos estaríamos dirigiendo hacia el norte.

Pues bien, al espacio-tiempo le pasa algo parecido. En su libro El lado oscuro del universo, el investigador del CSIC explica que podemos representar la historia del universo como un gigantesco dedal colocado hacia abajo. En el vértice inferior estaría el Big Bang, “el instante cero en el que todo el universo conocido estaba comprimido en un punto”, y en la abertura superior, el universo actual, con una edad de nada más y nada menos que de 14.000 millones de años.

Si nos desplazáramos hacia arriba por la superficie del dedal encontraríamos que su anchura es cada vez mayor porque, como sabemos, el universo se encuentra en expansión. En cambio, si tratáramos de retroceder  en el tiempo y quisiéramos remontarnos ‘más allá’ del Big Bag nos encontraríamos volviendo a avanzar en el tiempo.

Campo ultraprofundo del Hubble. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

Campo ultraprofundo del ‘Hubble’. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

“Cuesta imaginarlo, pero matemáticamente no hay ningún problema en formularlo”, explica Casas. En cierto modo, esta conclusión es muy parecida a la que llegó San Agustín cuando, en el siglo V, los teólogos se preguntaban qué hacía Dios antes de crear la Tierra y los Cielos. Su respuesta fue que no tenía sentido preguntar a qué dedicaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo.

No hay por qué desanimarse. Aunque la ciencia diga que no podemos remontarnos ‘antes’ del Big Bang, sí que puede explicarnos, y muy bien, qué pasó justo después. Tanto, que los físicos han establecido el ‘nacimiento’ de los primeros protones y neutrones una diezmillonésima de segundo después de la gran explosión, mientras que la aparición de los primeros núcleos formados por protones y neutrones (deuterio, helio, helio-3, litio) se habría producido a los 100 segundos.

Los primeros átomos no se formarían hasta pasados los 380.000 años, pero esta es otra historia de las que nos ocuparemos próximamente…