Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él (Astrofísica), fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el Big Bang y a una posterior fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

Hay procesos en el Universo que, si pudiera ser posible contemplarlos en directo, serían dignos del mayor asombro. Por ejemplo, a mí me maravilló comprender como se podía formar Carbono en las estrella y, de cómo éstas se valían del llamado “Efecto Triple Alfa” para conseguirlo.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

Esta serie de reacciones se conoce como cadena protón-protón y es la principal reacción que tiene lugar en nuestro Sol para convertir elementos sencillos en otros más complejos.

La cadena protón-protón es una de las dos reacciones de fusión que se producen en las estrellas para convertir el hidrógeno en helio, el otro proceso conocido es el ciclo CNO. Las cadenas protón-protón son más importantes en estrellas del tamaño del Sol o menores. El balance global del proceso es el equivalente de unir cuatro nucleones y dos electrones para formar un núcleo de helio-4 (2 protones + 2 neutrones).

Primer paso (dos veces)

    Segundo paso (dos veces)

El ciclo Carbono Nitrógeno Oxígeno

Las reacciones internas que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón(carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía para sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y super-masivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara hacia arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

La imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercanas galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de años luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y la nube, con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

El más conocido remanente estelar, la Nebulosa del Cangrejo cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio para saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos.

El pulsar de la nebulosa del cangrejo, en rojo del hubble

Antes dejámos una relación de materiales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitan Cook negociaban por el afecto de las tahitianas.

La muerte de una estrella super-gigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y, como más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio. ¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planeta Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creación de esos materiales complejos entre los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que se forman cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, pueden surgir planetas como la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plagado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuantas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

¡Qué gran secreto tiene el Universo! ¿Cómo se las arregla para crear, las precisas condiciones que dan lugar al surgir de la Vida?

emilio silvera

       Podemos leer en las piedras… ¡Cuentan tantas historias!

Estas estructuras han sido atribuidas a bacterias fosilizadas. La cantidad de carbono restante unida a estos microfósiles es generalmente muy débil ( 0,01-0,5% con puntas excepcionales hasta el 1%) lo que hace particularmente difícil el análisis del carbono orgánico. No obstante, se han podido determinar los isótopos de carbono y presentan un enriquecimiento variable pero así y todo significativo en carbono 12, lo que habitualmente se traduce en un origen biológico. En general, las moléculas biológicas producidas por fotosíntesis se caracterizan por un enriquecimiento en ¹²C en relación con los carbonatos minerales. Así, la relación ¹²C/¹³C pasa de 88,99 en los carbonatos minerales de referencia a valores comprendidos entre 90,8 y 91,7 en las moléculas orgánicas biológicas.

Aunque no son plantas, las cianobacterias son uno de los principales seres vivos capaces de realizar la fotosíntesis, y  están sujetos al mismo intercambio de gases. En ellos los gases fluyen a través de la membrana y la pared celular por transporte pasivo.

Arguyendo un parecido entre las cianobacterias modernas y los microfósiles de Pilbara, William Schopf, de la Los Angeles, ha descrito estos últimos como fósiles de cianobacterias. Estas bacterias ancestrales, pues, ya habrían practicado la fotosíntesis oxigenada. Interpretación muy importante ya que situaría la fotosíntesis oxigenada muy atrás en los tiempos geológicos, mientras que los indicios bioquímicos más antiguos de la fotosíntesis oxigenada encontrados en esquistos carbonados, también en Australia, sólo se remontan a 2.700 millones de años. Según el inglés Martin Brasier, de la Universidad de Oxford, las estructuras contendrían efectivamente carbono orgánico enriquecido en isótopo 12, pero la materia orgánica sería de origen puramente químico y no biológico. Podría proceder de la reacción del hidrógeno con el monóxido de carbono (reacción llamada de Fischer-Tropsch), dos gases presentes en los fluidos de las fuentes hidrotermales. La acumulación de materia orgánica en microestructuras sería debida a la cristalización del cuarzo en la vena hidrotermal, y el importante enriquecimiento en carbono 12 sería el resultado de procesos puramente químicos. La explicación de Brasier, no obstante, no es totalmente convincente porque no es probable que la reacción de Fischer-Tropsch produjera moléculas tan complejas como los kerógenos (materia orgánica compleja, insoluble en los disolventes habituales) depositados en las venas hidrotermales.

                                                

Sedimento de Isua, Groenlandia, de una antigüedad de 3.800 millones de donde se han encontrado Bacterias fósiles de una antigüedad aproximada de 3.500 millones de años.

Muchas veces hemos podido hablar de la datación del Carbono y, el sistema de datación radiométrica más conocido es el proporcionado por el ¹⁴C, o Carbono 14, un isotopo raro de Carbono que se produce en natural por acción de los rayos cósmicos y antro-pogénicamente por bombas nucleares. Se desintegra en Nitrogeno (¹⁴N) con una vida media de 5.730 años. Como el Carbono 14 es tan poco común (menos de uno de mil átomos de Carbono) y su vida media es tan corta, la datación con radio carbono queda limitada a los últimos cien mil años, aproximadamente.

Las trazas de vida primitiva han sido borradas por la geología, el fluir de las aguas, los UV y por la propia evolución de la vida, los cambios…del Oxígeno, de la atmósfera, etc.

En los materiales más antiguos simplemente no queda suficiente ¹⁴C que pueda medirse con precisión. Por consiguiente, el ¹⁴C proporciona una herramienta de datación valiosa para egiptólogos o para paleontólogos interesados en Mamuts lanudos, pero no sirve para desentrañar la historia profunda de la Tierra que sus secretos muy bien guardados en lo más profundo de los tiempos.

Conforme estudiamos los restos fósiles vamos sabiendo más de tiempos pretéritos. Cada descubrimiento nos retrotrae un poco más en el pasado y nos dice, por ejemplo, que el primer ojo o el primer ser fotosintético se remontan aún más en el tiempo de lo que pensábamos.

Frances Westall, del CNRS francés, y sus colaboradores han analizado unos tapetes microbianos fósiles encontrados en el cinturón Barberton Greenstone sudafricano y llegado a la conclusión de que la fotosíntesis ya existía al menos hace 3300 millones de años.

Estas capas de microbios crecían en una Tierra en la que no había oxígeno libre, una Tierra muy distinta a la que conocemos ahora. Probablemente su hábitat era la línea costera a muy baja profundidad bajo la superficie. Un sitio en el que había agua y la luz del Sol llegaba sin dificultad. Esa tonalidad, probablemente verde-azulada, sería la que cambiaría el planeta gracias a la luz y la evolución.

               ¡La Vida! Que estuvo presente en el pasado… ¡De tantas maneras!

Los microorganismos fósiles más antiguos fueron encontrados en los sedimentos de Barberton, en África del Sur, y de Pilbara, en Australia. Estos sedimentos, de una antigüedad de entre 3.200 y 3.500 millones de años, son ligeramente más jóvenes que las rocas de Groenlandia. Los sedimentos se han conservado bien y muestran la existencia de abundante vida en las aguas litorales de poca profundidad, y quizá incluso cerca de la superficie del agua (algunos biofilms tienen una estructura laminada que parece indicar una vida bacteriana que ya utilizaba energía ). Los microfósiles identificados comprenden estructuras filamentosas con una longitud de entre diez y algunos cientos de micras, bastoncillos de algunas micras de largo y estructuras esféricas y ovoides de aproximadamente 1 micra de diámetro.

Aquí hallaron la evidencia de la vida más antigua del planeta

Los trabajos realizados en Orleans, en el Centro de biofísica molecular del CNRS, por Frances Westall podrían aportar una explicación intermedia. Se han observado al electrónico morfologías de microfósiles tales como biofilms, polímeros, cascarones, filamentos, bastoncillos, en las muestras de sílice tomadas en Pilbara en zonas limítrofes con las venas hidrotermales de Schopf, pero nunca en el interior mismo de las venas. Estas morfologías contienen carbono identificado por microanálisis con el microscopio electrónico. Parece, en efecto, que las bacterias ancestrales vivían, y posteriormente fueron fosilizadas, en rocas sedimentarias cercanas a venas hidrotermales. Las venas hidrotermales pueden muy bien haber arrastrado la materia orgánica de las bacterias muertas y/o fosilizadas (por lo tanto, enriquecidas en carbono 12), materia orgánica que habría sido depositada nuevamente más arriba en las venas hidrotermales, para formar las famosas estructuras carbonadas complejas descritas por Schopf. Las estructuras de Schopf, pues, sólo serían restos de materia orgánica bacteriana y no bacterias fosilizadas. Esta explicación, por lo tanto, es intermedia entre el todo bacteriano de Schopf y el todo químico de Brasier. No obstante, afirma la presencia de vida bacteriana hace unos 3.500 millones de años.

 Sedimento de Isua, Groenlandia, de una antigüedad de 3.800 millones de años.

 Bacterias fósiles de una antigüedad de aproximadamente 3.500 millones de años

Las rocas más antiguas susceptibles de presentar trazas de vida son sedimentos de una antigüedad aproximada de 3.750 millones de años descubiertos en el sudoeste de Groenlandia.

Estos sedimentos demuestran la presencia permanente de agua líquida, de gas carbónico en la atmósfera y contienen kerógenos, moléculas orgánicas complejas. La relación isotópica del carbono está comprendida entre 90,2 y 92,4 en lo referente a la materia orgánica de los sedimentos de Groenlandia. Estos valores sugieren, pero no demuestran de manera cierta, la existencia de actividad fotosintética, y por lo tanto de vida primitiva, hace 3.800 millones de años. En efecto, materia orgánica muy antigua (a veces reducida a cristales de grafito) ha sufrido importantes modificaciones en el curso de la diagénesis.

    Muchos son los lugares en los que podemos encontrar moléculas orgánicas complejas

El producto final de degradación, los kerógenos, se compone de macromoléculas complejas estables resistentes, que pueden incluso ser transformadas en grafito puro durante el metamorfismo. Todos estos tratamientos pudieron muy bien generar los enriquecimientos en 12C observados. También hay que desconfiar mucho de la contaminación eventual de estas rocas por microorganismos más recientes, contaminación que, evidentemente, falseará los análisis. A causa de las múltiples transformaciones sufridas por estas rocas, hay muy pocas probabilidades de encontrar en ellas vestigios de microfósiles. En efecto, en los sedimentos de Groenlandia no se ha descubierto ninguna estructura parecida a bacterias fósiles.

También aquí hay que rendirse a la evidencia: la esperanza de encontrar pequeños autómatas químicos fosilizados hace 4.000 millones de años, o incluso moléculas orgánicas constitutivas de tales autómatas, es prácticamente nula. De hecho, tres factores han contribuido a borrar sus indicios sobre la Tierra: la historia geológica accidentada de la Tierra (y en particular la tectónica de placas), la erosión debida a la presencia permanente de agua líquida y la propia vida, que produce enormes cantidades de oxígeno, un veneno para las moléculas orgánicas reducidas. Por lo tanto, podemos temer que las primeras páginas del libro de la historia de la vida queden para siempre en blanco.

                 Mapa de Australia con la región de Pilbara coloreada en rojo.

En el Cinturón de Pilgangoora el Grupo Coonterunah de 3.517 millones de años y las granulitas de Carlindi (3.484-3.468 millones de años son la razón fundamental del Grupo Warrawoona bajo un desajuste de erosión, aportando así pruebas de la antigua corteza continental . La Cúpula del Polo Norte (NPD) se encuentra a 10 kilómetros del Grupo Warrawoona.

Son celulas que se agrupan en colonias formando rocas sedimentarias. Estas rocas se encuentran en mares calidos y son el resultado de la unión de seres uni-celulares, cianobacterias. Las rocas se forman muy lentamente, capa sobre capa y una capa se muere se deposita el carbonato de calcio de sus paredes sobre la capa anterior.

En el Grupo Warrawoona (3.400-3.500 millones de años) se encontraron estructuras sedimentarias que se identificaron como producidas por la actividad de organismos por William Schopf. Debido a identificación, se consideraron esos restos como la huella de vida más antigua de la que se tiene constancia. Son poco comunes (sólo se han encontrado, además de en Warrawoona, en el Supergrupo Pongola , de 2.700-2.500 millones de años, y en el Grupo de Bulawayan de Rhodesia, de 2.800 millones de años), por lo que no se puede estar seguro de que los organismos que los formaran fueran fotosintéticos y tampoco se pueden sacar conclusiones claras acerca de los ambientes en que se formaron. Ciertas bacterias no fotosintéticas forman estructuras similares a estromatolitos en fuentes termales de Yellowstone, por lo que existe la posibilidad de que bacterias similares formaran las estructuras estromatolíticas arcaicas.

Estos restos de Warrawoona incluyen microfósiles filamentosos y cocoides muy parecidos a cianobacterias, lo que ha inducido a pensar en la existencia de organismos fotosintéticos aeróbicos. Actualmente, estos restos están cuestionados tanto por su origen biológico por su edad.

Puede parecer sorprendente que las bacterias puedan dejar fósiles. Sin embargo, un grupo particular de bacterias, las cianobacterias o “algas azul-verdosas”, han dejado un fósil que se extiende en el Precámbrico – las cianobacterias más viejas, como fósiles conocidos tienen casi 3.500 millones años, son los fósiles más antiguos actualmente conocidos. El grupo muestra lo que probablemente es el conservacionismo más extremo de morfología de cualquier organismo. Aparte de las cianobacterias, las bacterias fósiles identificables no son muy frecuentes. Sin embargo, bajo ciertas condiciones del medio químico, pueden reemplazarse células bacterianas con minerales, muchas veces pirita o siderita (carbonato férrico), formando réplicas de las células que una vez estuvieron vivas.

Decíamos, en la datación de objetos más antiguos situados en las profundidades de la historia de la Tierra, el ¹⁴C no sirve, y, nos tenemos que valer de otros materiales cuya vida media sea más larga. ello, necesitamos un reloj mucho más imponente: un radioisótopo cuya vida media se mida en muchos millones de años o incluso, en miles de millones de años. El Potasio 40 (⁴⁰k) se identificó inicialmente como un candidato prometedor para la geocronología. Este isótopo inestable se desintegra formando o bien Calcio 40 (⁴⁰ Ca), que desafortunadamente no distinguirse de los iones de Calcio ya presentes en el mineral, o bien Argón (⁴⁰ Ar), que no puede distinguirse. La Vida Media del ⁴⁰K es de 1250 millones de años. Además, el Potasio es abundante y está ampliamente distribuido en los minerales que forman las rocas.

       Mineral de Circón

Sin embargo, lo que realmente necesitamos para datar las rocas muy antiguas es un sistema que funcione como las “cajas negras” de los avianes: un isótopo que no se pierda fácilmente en un mineral que no se altere fácilmente. Los circones, unos minerales que contienen uranio y se encuentran en los granitos y otras rocas igneas, son las cajas negras de la geología precámbrica. De hecho, el uranio enlazado a los cristales de circón en el de su formación nos proporcionan dos cronómetros fiables: el ²³⁸U se desintegra en Plomo 206 (²⁰⁶Pb) con una vida media de unos cuatro mil quinientos millones de años (la edad de la Tierra), mientras el osotopo ²³⁵U, abundante ( un 7 por mil), se desintegra en ²⁰⁷Pb con una vida media de algo más de setecientos millones de años. peculiaridad nos permite verificar por dos métodos las edades medidas en las rocas más antiguas de la Tierra y, podemos saber la edad de los fósiles hallados en ellas.

En la actualidad, nuestro conocimiento de la vida en ambientes arcaicos es a un tiempo drustrante y emocionante: frustrante porque tenemos muy pocas certezas, emocionante porque sabemos algo, por poco que esto sea. Además, es estimulante, pues el compañero de la ignorancia es la oportunidad. Así que nos quedan preguntas importantes que realizar sobre las rocas de Warrawoona y las de otros lugares que nos muestran fósiles que, no siempre sabemos descifrar. Si las rocas más antiguas que hemos podido identificar nos indican la presencia de organimos complejos, ¿Qué clase de células vivían en tiempos aún más lejanos? Y, en última instancia, ¿cómo pudieron surgir? ¿Cuál es el origen de la vida?

¿Quién puede contestar esa pregunta?

La vida fue el resultado de los mismos procesos químicos y físicos que formaron los océanos y la corteza continental de nuestro planeta. Nosotros (creo), junto con la inmensa diversidad de clases de vida que en la Tierra han sido, estábamos presentes en las que el Universo tenía impresas en la evolución de Gaia. Sin embargo, la vida es muy distinta a todo lo demás porque puede experimentar evolución darwiniana. La selección natural ha desempeñado un papel fundamental en la evolución de plantas y animales durante los primeros tiempos de la historia de nuestro planeta, pero también dirigió la evolución química que hizo posible la propia vida, y, esa evolución bioquímica de la materia para hacer posible la vida, se gestó, primero en las estrellas, más tarde en las explosiones supernovas que hicieron posible la transmutación de materiales sencillos en más complejos y, finalmente, en las Nebulosas donde se formaron nuevas estrellas y planetas que, cargados con estos materiales prebióticos, sólo tuvieron que esperar que, en algún planeta como la Tierra, situado en la Zona habitable de su estrella (el Sol) dejara que el Tiempo, con su transcurrir, hiciera el trabajo.

         Muchos son los planetas situados en la zona habitable de “sus estrellas”

A grandes rasgos entendemos como pueden haber evolucionado las moléculas biológicas a partir de precursores simples presentes en la Tierra joven. Sin embargo, sigue siendo un misterio cómo las proteínas, los ácidos nucleicos y las membranas llegaron a interaccionar de forma tan compleja hasta llegar a “fabricar” una “máquina” tan maravillosa como nuestro cerebro de cuyas funciones, simplemente conocemos una muy superficial.

Si pensamos en cómo se pudo conformar el cerebro humano, una estructura de tal complejidad que, posiblemente, nada en el Universo se le pueda igualar, toda vez que, llegar a transiciones de fase que pasan por sucesos que parten la materia inerte y llegan hasta los pensamientos y los sentimientos…, no existe nada que se le pueda igualar.

¿Conoceremos algún día la verdadera Historia? Esperemos que, al menos, en su mayor parte sí.

emilio silvera