La importancia del Carbono para la Vida y otros

                  El concepto de Gaia, considera a la Tierra como un Ente Vivo que evoluciona y se recicla

Nuestro planeta, la Tierra, forma parte del Universo, y, es una prueba indiscutible de que sus componentes biológicos y físicos forman parte de una única red que funciona de un modo autorregulado, y, de esa forma, mantiene las condiciones que son ampliamente adecuadas para la existencia de vida, pero que sufren fluctuaciones a todas las escalas (incluidos los ritmos de alternancia de glaciaciones y periodos interglaciales, así como las extinciones masivas). En un sentido real, la Tierra es el lugar que alberga una red de vida como seguramente estará presente en muchos otros mundos en el que se den las circunstancias adecuadas, y la existencia de esta red (Gaia) sería visible para cualquier forma de vida inteligente que hubiera en Marte o en cualquier otro planeta y que fuera capaz de aplicar la prueba conocida de Lovelock y buscar señales de reducción de la entropía.

Cuando Lovelock publicó la hipótesis de Gaia, provoco una sacudida en muchos científicos, sobre todo en aquellos con una mente más lógica que odiaban un concepto que sonaba tan místico. Les producía perplejidad, y lo más desconcertante de todo era que Lovelock era uno de ellos. Tenía fama de ser algo inconformista, pero sus credenciales científicas eran muy sólidas. Entre otros logros a Lovelock se le conocía por ser el científico que había diseñado los instrumentos de algunos de los experimentos para buscar vida que la nave estadounidense Viking había llevado a cabo en la superficie de Marte.

Ni la NASA, tomó nunca la prueba de Lovelock lo suficientemente en serio como para aplicarla a la búsqueda de vida en el Sistema Solar; pero si se lo tomó en serio para buscar vida más allá del Sistema Solar. Pero recapacitaron y comenzaron a enviar al planeta Marte, una serie de ingenios en forma de pequeñas navez robotizadas como la Mars Phoenix que comenzó encontrando hielo de agua diluyendo porciones de la tierra marciana en agua y debidamente tratada, hallaron la presencia de magnesio, sodio, potasio y cloruros.  Uno de los científicos responsables llegó a decir:

 

“Hay más que evidencia de agua porque las sales están ahí. Además hemos encontrado los compuestos químicos necesarios para la vida como la conocemos. y, lo sorprendente de Marte es que no es un mundo extraño, sino que, en muchos aspectos es igual que la Tierra.”

 

Se están analizando los gases y los compuestos químicos del suelo y del hielo allí encontrados, y, todo ello, debidamente procesado nos dará una respuesta de lo que allí existe.

Lo que para mí está muy claro es que, los mecanismos del Universo son los mismos en cualquier región del cielo, y, las estrellas y los planetas surgen en todas partes de la misma manera. Y, si eso es así, sería lógico pensar que la vida podría estar en cualquier parte, y, además, con muchas probabilidades de que sea más o menos tal como la conocemos, ya que, la nuestra, basada en el Carbono y el Nitrógeno (siempre en presencia de agua), es la más natural dadas las características de estos elementos para unirse.

La historia de la vida en el Universo es otro ejemplo de complejidad superficial construida sobre cimientos de una profunda sencillez. Actualmente la prueba de que el universo tal como lo conocemos surgió a partir de un estado denso y caliente (Big Bang) hace unos 14.000 millones de años, es poco discutida.

Con los elementos primordiales creados en las estrellas, miles de años más tarde, en los mundos situados en las zonas habitables de sus estrellas, se habrán podido conformar células replicantes que habrían dado comienzo a la aventura de la vida. En la Tierra, el único planeta con vida que conocemos (por el momento), las formas de vida y especies que han estado aquí y siguen estando ha sido de una rica variedad y de asombrosos metabolismos.

Los bloques de construcción básicos que emergieron del big bang fueron el hidrógeno y el helio, casi exactamente en una proporción de 3:1. Todos los demás elementos químicos (excepto unos leves vestigios de unos pocos elementos muy ligeros, como el litio) han sido fabricados en el interior de las estrellas y dispersados por el espacio cuando estas se dilataron y expulsaron materiales, o, al final de sus vidas, agotado el combustible nuclear de fusión, explotaron como Supernovas regando grandes regiones con Nebulosas creadoras de nuevas estrellas y nuevos mundos.

Una estrella como el Sol genera calor convirtiendo hidrógeno en helio dentro de su núcleo; en otras estrellas los procesos cruciales incluyen fusiones sucesivas de núcleos de helio. Dado que cada núcleo de helio es una unidad que contiene cuatro “nucleones” (dos protones y dos neutrones), y este elemento se denomina abreviadamente helio-4, esto significa que los elementos cuyos núcleos contienen un número de nucleones que es múltiplo de cuatro son relativamente comunes en el universo, excepto el berilio-8, que es inestable.

El carbono-12 es el más abundante de los dos isótopos estables del elemento Carbono, representando el 98,89% de todo el carbono terrestre. Está conformado por 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones.

Adquiere particular importancia al usarse como patrón para el cálculo de la masa atómica de los distintos nucleidos existentes en la naturaleza; dado que la masa atómica del ¹²C es, por definición, 12 umas.

Concretamente, en las primeras etapas de este proceso se produce carbono-12 y oxígeno-16, y resulta que el nitrógeno-14, aunque no contiene un número entero de núcleos de helio-4, se obtiene como subproducto de una serie de interacciones en las que participan núcleos de oxígeno y de carbono que operan en estrellas de masa un poco mayor que la de nuestro Sol.

Como consecuencia, estos son, con gran diferencia, los elementos más comunes, aparte del hidrógeno y del helio. Dado que éste último es un gas inerte (noble) que no reacciona químicamente, se deduce que los cuatro elemenbtos reactivos más comunes en el universo son el Carbono, el Hidrógeno, el Oxígeno y el Nitrógeno, conocidos en el conjunto por el acrónimo CHON.

No es casualidad que los cuatro elementos químicos que participan con una aplastante mayoría en la composición de los seres vivos de la Tierra sean el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno.

En estado puro y dependiendo de cómo estén dispuestos sus átomos, este elemento puede formar tanto el mineral más duro que ocurre en la naturaleza, el diamante, como uno de los más blandos, el grafito. Organizados en hexágonos y formando láminas, los átomos de carbono dan lugar al grafeno, un material del que habréis oído hablar estos últimos años por sus “increíbles” propiedades

              Estructuras basadas en el Carbono

El Carbono desarrolla el papel clave en el desarrollo de la vida, porque un solo átomo de este elemento es capaz de combinarse químicamente nada menos que con otros cuatro átomos al mismo tiempo (incluídos otros átomos de carbono, que pueden estar unidos a su vez  a más átomos de carbono, formando anillos y cadenas), de tal modo que este elemento tiene una química excepcionalmente rica. Así decimos con frecuencia que la vida en la Tierra está basada en el Carbono, el elemento más ductil y crucial en nuestra formación.

Claro que, tal comentario, no implica la negación de que pudieran existir otras clases de vida basadas en el Silicio o en cualquier otra combinación química, pero todas las pruebas que aporta la Astronomía sugieren que es mucho mayor la probabilidad de que la vida más allá de nuestras fronteras esté basada también en el CHON.

Es inadmisible lo poco que la gente común sabe del Universo al que pertenecen y también lo poco que se valora el trabajo de Astrónomos, Astrofísicos y Cosmólogos, ellos son los que realizan las pruebas y las comprobaciones que finalmente nos llevan al conocimiento que hoy tenemos del cielo y de los objetos que lo pueblan y de las fuerzas que allí actúan.

La Nebulosa de la Quilla, una de las regiones de nacimiento de estrellas más grandes del universo: pilares de 3 años luz de altura que parecen abultados como las velas de un barco por la fuerza tirante de los astros que, literalmente, da a luz en su interior.

Gran parte de estas pruebas proceden del análisis espectroscópico del material que está presente en las Nebulosas, esas inmensas nubes de gas y polvo que se encuentran en el espacio como resultado de explosiones de supernovas o de otros fenómenos que en el Universo son de lo más frecuente. A partir de esas nubes se forman los sistemas planetarios como nuestro sistema solar, allí, nacen nuevas estrellas que contienen los mismos materiales expulsados por estrellas de generaciones anteriores.

En estas nubes hay muchos compuestos construidos en torno a átomos de carbono, y este elemento es tan importante para la vida que sus compuestos reciben en general el nombre de compuestos “orgánicos”. Entre los compuestos detectados en nubes interestelares hay sustancias muy sencillas, como metano y dióxido de carbono, pero también materiales orgánicos mucho más complejos, entre los que cabe citar el formaldehído, el alcohol etílico, e incluso al menos un aminoácido, la glicina. Lo que constituye un descubrimiento muy esclarecedor, porque es muy probable que toso los materiales existentes en las nubes interestelares hayan estado presentes en la nube a partir de la cual se formó nuestro Sistema Solar, hace unos cinco milo millones de años.

En este cúmulo estelar llamado NGC 602, cerca de la Pequeña Nube de Magallanes, millones de estrellas jóvenes emiten radiación y energía en forma de ondas que erosionan el material que las rodea creando formaciones visualmente interesantes. El tamaño de lo que se ve en la foto abarca 200 años luz de lado a lado

A partir de estos datos, equipos científicos han llevado a cabo en la Tierra experimentos en los que unas materias primas, debidamente tratadas simulando las condiciones de densidad y energías de aquellas nubes interestelares (ahora en laboratorio), dieron como resultado el surgir expontáneo de tres aminoácidos (glicina, serina y alanina). Todos conocemos el experimento de Miller.

En otro experimento utilizando otra mezcla de ingredientes ligeramente distinta, se producian no menos de dieciseis aminoácidos y otros compuestos orgánicos diversos en unas condiciones que eran las existentes en el espacio interestelar.

Para hacernos una idea, las proteínas de todos los seres vivos de la Tierra están compuestas por diversas combinaciones de tan sólo veinte aminoácidos. Todas las evidencias sugieren que este tipo de materia habría caído sobre los jóvenes planetas durante las primeras etapas de formación del sistema planetario, deposita por cometas que habría sido barridos por la influencia gravitatoria de unos palnetas que estaban aumentando de tamaño.

En idénticas condiciones de temperatura y presión que el universo de hace 4.600 millones de años, Experimentos llevados a cabo en el laboratorio, han logrado originar ribosa, la molécula que luego acabó convirtiéndose en ADN.

Como hemos podido deducir, una sopa de aminoácidos posee la capacidad de organizarse por sí sóla, formando una red con todas las propiedades que ha de tener la vida. De esto se deduce que los aminoácidos que estuvieron formando durante largos períodos de tiempo en las profundidades del espacio (utilizando energias proporciona por la luz de las estrellas), serían transportados a la superficie de cualquier planeta joven, como la Tierra.

Algunos planetas pueden resultar demasiado calientes para que se desarrolle la vida, y otros demasiado fríos. Pero ciertos planetas como la propia Tierra (existentes a miles de millones), estarían justo a la temperatura adecuada. Allí, utilizando la expresión de Charles Darwin, en alguna “pequeña charca caliente” tendrían la oportunidad de organizarse en sistemas vivos.

                      Sopa primigenia de la que surgió la primera célula replicante precursora de la Vida

Claro que, por mi parte, como dijo aquel famoso Astrofísico inglés del que ahora no recuerdo el nombre: ” milagro no es que aparezca vida fuera de la Tierra, el verdadero milafro sería que no apareciera”.

Y, en cuanto a las condiciones para que haga posible la existencia de vida, conviene ser reservados y no emitir un juicio precipitado, ya que, todos sabemos de la existencia de vida en condiciones que se podrían comparar o denominar de infernales. Así que, estaremos a la espera de que, el Universo nos de una respuesta.

Veamos algunos conceptos: Nova.

Antiguamente, a una estrella que aparecía de golpe donde no había nada, se le llamaba nova o ” estrella nueva “. Pero este nombre no es correcto, …

En realidad es una estrella que durante el periodo de sólo unos pocos días, se vuelve 10³-10⁴ veces más brillantes de lo que era.  Ocurren 10 ó 15 sucesos de ese tipo cada año en la Vía Láctea.  Las novas se cree que son binarias próximas en las que, uno de sus componentes es usualmente una enana blanca y la otra una gigante roja.

La materia se transfiere de la gigante roja a la enana blanca, en cuya superficie se acumula, dando lugar a una explosión termonuclear, y, a veces se convierte en una estrella de neutrones al ver incrementada su masa.

Nucleones.

Protones y neutrones, los constituyentes de los núcleos atómicos que, a su vez, están conformados por tripletes de Quarks. Un protón está hecho por 2 Quarks up y 1 Quark Down, mientras que un Neutrón está conformado por 2 Quarks Down y 1 Quark up. Son retenidos en el núcleo por los Bosones llamados Gluones que son transmisores de la fuerza nuclear fuerte.

Núcleo.

Corazón central de un átomo que contiene la mayor parte de su masa.  Está positivamente cargado y constituido por uno o más nucleones (protones y neutrones).

La carga positiva del núcleo está determinada por el número de protones que contiene (número atómico) y en el átomo neutro está compensada por un número igual de electrones, que se mueven alrededor del núcleo y cuya carga eléctrica negativa anula o compensa a la positiva de los (electro) protones.

El núcleo más simple es el núcleo de hidrógeno, consistente en un único protón.  Todos los demás núcleos contienen además uno o más neutrones.

Los neutrones contribuyen a la masa atómica, pero no a la carga nuclear.

El núcleo más masivo que se encuentra en la Naturaleza es el Uranio-238, que contiene 92 protones y 146 neutrones.

Nucleosíntesis,  nucleogénesis.

Fusión de nucleones para crear los núcleos de nuevos átomos más complejos.  La nucleosíntesis tiene lugar en las estrellas y, a un ritmo más acelerado, en las supernovas.

La nucleosíntesis primordial tuvo lugar muy poco después del Big Bang, cuando el Universo era extremadamente caliente y, ese proceso fue el responsable de la abundancia de elementos  ligeros, por todo el cosmos, como el Helio y el Hidrógeno que, en realidad es la materia primordial de nuestro Universo, a partir de estos elementos se obtienen todos los demás en los procesos estelares de fusión.

Omega.

Índice de densidad de materia del Universo, definida como la razón entre la actual densidad y la “Densidad crítica” requerida para “cerrar” el Universo y, con el tiempo, detener su expansión.

Para la materia oscura se dirá: “Omega Negro”.

Si Omega es mayor que 1, el Universo se detendrá finalmente y las galaxias recorrerán, a la inversa, el camino recorrido para colapsar en una gran Bola de fuego, el Big Crunch, estaríamos en un Universo cerrado.

Se dice que, un Universo con exactamente 1, la Densidad crítica ideal, estará alrededor de 10^-29 g/cm³ de materia, lo que esta descrito por el modelo e Universo descrito por Einstein-de Setter.

En cualquier caso, sea cual fuere Omega, no parece muy atractivo el futuro de nuestro Universo que según todos los datos que tenemos acabará en el hielo o en el fuego y, en cualquier de estos casos.

¿Dónde nos meteremos?

Onda, función.

Función, denotada por Y (w,y,z), que es solución de la ecuación de Schrödinger en la mecánica cuántica.  La función de ondas es una expresión matemática que depende de las coordenadas de una partícula en el espacio.

Si la función de ondas (ecuación de Schrödinger) puede ser resuelta para una partícula en un sistema dado (por ejemplo, un electrón en un átomo), entonces, dependiendo de las colisiones en la frontera, la solución es un conjunto de soluciones, mejor de funciones de onda permitidas de la partícula (autofunciones), cada una correspondiente a un nivel de energía permitido.

El significado físico de la función de ondas es que el cuadrado de su valor absoluto en un punto, [Y]², es proporcional a la probabilidad de encontrar la partícula en un pequeño elemento  de volumen, dxdydz, en torno a ese punto.  Para un electrón de un átomo, esto da lugar a la idea de orbitales atómicos moleculares.

elimino ecuación para no confundir al lector no versado.

donde Y es la función de ondas, Ѳ es el operador Laplace, h es la constante de Planck, m es la masa de la partícula, E la energía total= y È la energía potencial.

Colaboración de Emilio Silvera.

Ondas.

La velocidad de una estrella puede generar enormes onda

Propagación de la energía mediante una vibración coherente.

Está referido a la perturbación periódica en un medio o en el espacio.  En una onda viajera (u onda progresiva) la energía es transferida de un lugar a otro por las vibraciones. En el Espacio puede estar causada por el movimiento de las estrellas.

En una onda que atraviesa la superficie del agua, por ejemplo, el agua sube y baja al pasar la onda, pero las partículas del agua en promedio no se mueven.  Este tipo de onda se denomina onda transversal, porque las perturbaciones están en ángulo recto con respecto a la dirección de propagación.  La superficie del agua se mueve hacia arriba y abajo mientras que la onda viaja a lo largo de la superficie del agua.

Las ondas electromagnéticas son de este tipo, con los campos eléctricos y, magnéticos variando de forma periódica en ángulo recto entre sí y a la dirección de propagación.

En las ondas de sonido, el aire es alternativamente comprimido y rarificado por desplazamiento en la dirección de propagación.  Dichas ondas se llaman longitudinales.

Las principales características de una onda es su velocidad de propagación, su frecuencia, su longitud de onda y su amplitud.  La velocidad de propagación y la distancia cubierta por la onda en la unidad de tiempo.  La frecuencia es el número de perturbaciones completas (ciclos) en la unidad de tiempo, usualmente expresada en hertzios.  La longitud de onda es la distancia en metros entre puntos sucesivos de igual fase de onda es la distancia en metros entre puntos sucesivos de igual fase de onda.  La amplitud es la diferencia  máxima de la cantidad perturbada medida con referencia a su valor medio.

Recuerdo cuando allá por el año 2009 publiqué: “Pronto oiremos que Kip S. Thorne ha detectado y medido las ondas gravitacionales de los Agujeros Negros.” Y, en el presente es noticias pasada.

Las ondas gravitacionales son aquellas que se propagan a través de un campo gravitacional. Cuando eso suceda, tendremos nuevos conocimientos sobre el Universo, ya que, el que ahora conocemos sólo está dado por las lecturas de las ondas electromagnéticas, no de las gravitatorias.

La predicción de que una masa acelerada radia ondas gravitacionales (y pierde energía) proviene de la teoría general de la relatividad. Por ejemplo cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan.

El Experimento LIGO se afanó en localizar y medir estas ondas y, a la cabeza del proyecto, como he dicho, está el experto en agujeros negros, el físico y cosmólogo norteamericano, amigo de Stephen Hawking, kip S.Thorne, que está buscando las pulsaciones de estos monstruos del espacio, cuya energía infinita (según él), algún día podrá ser aprovechada por la humanidad cuando la tecnología lo permita.

Aunque podríamos continuar hablando sobre onda continua, onda cósmica, onda cuadrada, onda de choque, onda de espín (magnón), onda de tierra, onda estacionaria, onda ionosférica, onda portadora, onda sinuosidad, onda viajera, onda sísmica, onda submilimétrica, onda de ecuación, etc., sería salirse del objeto perseguido aquí.

Oort, nube de ; Constante de.

La nube de Oort está referida a un halo aproximadamente esférico de núcleos cometarios  que rodea al Sol hasta quizás unas 100.000 UA (más de un tercio de la distancia a la estrella más próxima).  Su existencia fue propuesta en 1950 por J.H.Oort (1900-1992) astrónomo holandés, para explicar el hecho de que estén continuamente acercándose al Sol nuevos cometas con órbitas altamente elípticas y con todas las inclinaciones.

La nube Oort sigue siendo una propuesta teórica, ya que no podemos en la actualidad detectar cometas inertes a tan grandes distancias.  Se estima que la nube contiene unos 10¹² cometas restantes de la formación del Sistema Solar.  Los miembros más distantes se hallan bastante poco ligados por la gravedad solar.

Puede exitir una mayor concentración de cometas relativamente cerca de la eclíptica, a  10.000-20.000 ÈA del Sol, extendiéndose hacia adentro para unirse al Cinturón de kuiper.  Los comentas de la Nube de Oort se ven afectados por la fuerza gravitatoria de los estrellas cercanas, siendo perturbadas ocasionalmente poniéndoles en órbitas que los llevan hacia el Sistema Solar interior.

La constante de Oort está referida a dos parámetros definidos por J.H.Oort para describir las características más importantes de la rotación diferencial de nuestra Galaxia en la vecindad del Sol.  Son usualmente expresadas en unidades de kilómetros por segundo por kiloparsec.  Los dos parámetros están dados por los símbolos A y B.  Restando B de A se obtiene la velocidad angular del estándar local de repaso alrededor del centro de la Galaxia, que corresponde al periodo de unos 200 millones de años.

Órbita.

En astronomía es el camino a través del espacio de un cuerpo celeste alrededor de otro.  Para un cuerpo pequeño que se mueve en el campo gravitacional de otro, la órbita es una cónica.  La mayoría de esas órbitas son elípticas y la mayoría de las órbitas planetarias en el sistema solar son casi circulares.  La forma y tamaño de una órbita elíptica se determina por su excentricidad, e, y la longitud de su semieje mayor, a.

En física, la órbita esta referida al camino de un electrón al viajar alrededor del núcleo del átomo (ver orbitales).

emilio silvera

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