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¿Podría existir vida que no esté basada en el carbono?

Una particularidad que tienen en común todos los organismos vivos de la Tierra, desde las bacterias hasta los seres humanos, es que toda la vida que se puede encontrar en nuestro planeta es orgánica o, lo que es lo mismo, está compuesta por moléculas basadas en el carbo

¡Mentira! ¡Hace unos años se encontraron bacterias que están basadas en el arsénico!

No, voz cursiva, pese a lo que afirmaran algunos titulares, lo que se creía haber descubierto eran bacterias que usaban arsénico en su ADN en lugar de fósforoEl estudio se refutó hace tiempo pero, de todas maneras, incluso aunque realmente hubieran sido capaces de sustituir el arsénico de su ADN por fósforo, el código genético de estas bacterias seguiría estando formado por moléculas organizadas en torno a átomos de carbono, con el arsénico como “complemento”.

Para evitar confusiones durante el resto de la entrada, que una forma de vida esté basada en el carbono significa que la estructura de las moléculas que la componen está organizada por los átomos de este elemento. En este esquema de una molécula de ADN se puede ver que los átomos de carbono (gris) forman el “esqueleto” del código genético, mientras que el fósforo (amarillo) está en la periferia de la molécula para cumplir otras funciones.

 (Fuente)

Para ilustrar la diferencia entre una sustancia basada en el carbono y otra que sólo contiene este elemento, en la siguiente imagen tenéis una molécula de vitamina C y otra de polidimetilsiloxano.

Como podéis ver, la vitamina C tiene un “esqueleto” de carbono, pero el del polidimetilsiloxano está compuesto de átomos de silicio y de oxígeno. Por tanto, esta segunda sustancia está basada en el silicio, pero contiene el carbono como “complemento”.

Pero, bueno, la cuestión es que todos los organismos que viven en nuestro planeta deben su existencia principalmente a cuatro macromoléculas basadas en el carbono:

  • El ADN, que codifica la información del ser vivo.
  • Las proteínas, que tienen funciones estructurales y también sirven para mandar señales químicas.
  • Los lípidos, que también forman parte de la estructura de las células y, además, almacenan energía.
  • Y los carbohidratos, de los que se puede extraer energía.

Por supuesto, distintos organismos necesitan cantidades mayores o menores de otras sustancias inorgánicas para mantenerse vivos pero, aun así, sin un esqueleto de carbono, el resto de elementos que contienen las moléculas orgánicas no se podrían ensamblar por sí solas para dar lugar al complejo tinglado que es la vida tal y como la conocemos.

Ya, bueno, pero en la tabla periódica hay otros 79 elementos que son estables. ¿Qué tiene el carbono de especial? ¿No sería posible que existiera otro tipo de vida basada en un elemento distinto al carbono?

Vamos a echarle un vistazo a la cuestión, voz cursiva.

Hay que tener en cuenta que cualquier organismo, sea grande o pequeño, tendrá que llevar a cabo un montón de funciones diferentes para permanecer con vida: necesita materiales con los que sintetizar los diferentes tejidos que lo componen, codificar su código genético, almacenar energía, recibir y procesar señales de su entorno y coordinar las diferentes partes de su organismo. Estos procesos no sólo requieren la intervención muchos tipos de moléculas diferentes sino que, además, esas moléculas tienen que ser compatibles entre ellas.

El carbono es el elemento ideal para abastecer esta demanda de diversidad molecular porque, gracias a sus propiedades químicas y al pequeño tamaño de sus átomos, puede formar una gran variedad de sustancias, desde las gigantescas moléculas en las que está codificada la información genética de un ser vivo hasta compuestos más simples y necesarios para que un cuerpo siga funcionando a largo plazo.

De hecho, para hacernos una idea de lo versátil que es el carbono, de los 12 millones de compuestos químicos conocidos, 10 millones son moléculas orgánicas, así que el carbono es capaz de producir más compuestos diferentes que el resto de los elementos de la tabla periódica juntos. Ese es el motivo por existe una rama entera de la química dedicada a estudiar el comportamiento del carbono, la llamada química orgánica.

Total, que el hecho de que el 85% de los compuestos conocidos estén basados en el carbono deja claro que es el elemento más versátil de la tabla periódica. Y eso convierte al carbono en el candidato ideal para abastecer la demanda de diversidad química que necesita la vida.

Bueno, vale, pero, de entre esos millones de compuestos orgánicos a los que da lugar el carbono, los organismos vivos “sólo” utilizan unos cuantos miles. ¿No hay ningún otro elemento que tenga una química lo suficientemente variada como para dar lugar a alguna forma de vida?

Buen matiz, voz cursiva.

Se suele considerar el silicio como la alternativa más plausible para la vida porque es el único elemento, además del carbono, que puede formar cadenas de átomos lo bastante largas como para codificar información biológica en su interior o, lo que es lo mismo, formar algún tipo de ADN (aunque sea muy simple) que permita a un ser vivo replicarse.

Pero no cantemos victoria todavía, porque el silicio tiene una serie de propiedades distintas al carbono que limitan mucho su capacidad para producir vida.

En primer lugar, los átomos de silicio tienden a unirse entre ellos mediante enlaces simples, que son muy débiles en comparación con los enlaces dobles o triples que se forman entre los átomos de carbono. Como resultado, las moléculas complejas basadas puramente en el silicio, como los silanos, son mucho más inestables que las del carbono, sobre todo en ambientes ricos en oxígeno y/o agua.

Las moléculas que tienen un esqueleto de átomos de silicio alternados con átomos de oxígeno (las siliconas) son más estables en estas condiciones… Pero eso es precisamente porque son bastante inertes, lo que limita su potencial para formar compuestos complejos con otras moléculas de su entorno.

Además, al tener un tamaño mayor, a los átomos de silicio les cuesta mucho más encajar átomos de otros elementos a su alrededor y formar moléculas tan grandes y complejas como las que forma el carbono.

Una molécula orgánica grande perteneciente a la familia de las porinas. (Fuente)

Otro impedimento que presenta el silicio a la hora de formar vida es que, en la naturaleza, tiende a encontrarse unido con el oxígeno en forma de dióxido de silicio (SiO2), una sustancia sólida, dura, insoluble e inerte. De hecho, es el compuesto del que están hechos el cuarzo y el vidrio.

Cristales de cuarzo ahumado enormes encontrados en los Alpes Suizos. Crédito: Franz von Arx/Elio Mulle.

El problema es que los enlaces entre el oxígeno y el silicio son muy fuertes así que, incluso aunque el silicio pueda ser mucho más abundante que el carbono en un planeta rocoso (como ocurre en la Tierra), prácticamente todos los átomos de este elemento estarán unidos al oxígeno, sin posibilidad de reaccionar químicamente con su entorno para dar lugar a otros compuestos más complejos.

Total que, en términos de producir vida, el silicio no…

¡Espera, espera, no concluyas nada aún! Si todo esto es cierto y a la vida le cuesta tanto asimilar el silicio, ¿cómo puede ser que haya organismos que lo utilizan en nuestro planeta, eh?

Si, tienes razón, hay organismos marinos como las diatomeas que tienen caparazones hechos de sílice, precipitado a partir del ácido silícico que hay disuelto en el mar. Pero hay que tener en cuenta que este sílice no forma parte de la estructura molecular del propio ser vivo, sino que simplemente se deposita sobre el organismo hasta formar un caparazón inerte a su alrededor.

Una diatomea de la especie Thalassiosira pseudonana.

Como iba diciendo, las propiedades químicas del silicio limitan mucho su capacidad para producir vida en condiciones similares a las de la Tierra, donde las moléculas a las que da lugar serían demasiado inestables. Ahora bien, ¿existiría algún entorno en el que el silicio fuera un elemento más apropiado para la vida que el carbono?

Es difícil saberlo. Por ejemplo, hay compuestos de silicio que son solubles en nitrógeno líquido, lo que podría convertir este elemento en el mejor candidato para formar vida en mundos muy fríos y sin oxígeno que potencialmente puedan contener océanos (o charcos, aunque sea) de esta sustancia. De hecho, es posible que existan ambientes muy distintos a las condiciones que se pueden encontrar en la Tierra y en los las moléculas basadas en el silicio tengan más éxito que las orgánicas a la hora de producir sustancias complejas precursoras de algún tipo de vida.

En cualquier caso, aunque teóricamente hay situaciones en las que el silicio podría tener ventajas sobre el carbono, de momento no hay señales de que exista vida basada en el silicio, por simple que sea, ni en la Tierra ni en ningún otro lugar del universo. Y, aunque no se sabe qué tipos de compuestos de silicio pueden combinarse para dar lugar a algún tipo de forma de vida, sí que se sabe que este elemento tiene una química mucho más limitada que el carbono, así que es posible que un organismo con base de silicio nunca pudiera alcanzar el grado de complejidad que ha demostrado la vida orgánica.

Ahora bien, el silicio sí que funciona estupendamente para fabricar circuitos electrónicos así que, si se considerara que un robot con una inteligencia artificial lo bastante avanzada estaría vivo, entonces se podría razonar que la vida basada en el silicio puede surgir siempre y cuando exista alguna forma de vida basada en el carbono que la invente primero. Pero, por supuesto, eso es un debate completamente distinto del que tal vez hablaría otro día.

Hasta entonces, os dejo con las informaciones de siempre.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

 

 

 

 

 

 

 

Respuestas (LXXII): ¿Por qué casi todos los metales son grises?

Un señor que se hace llamar Pepe dejó escrita la pregunta de hoy en la entrada del vídeo en el que extraía hierro de unas rocas. Os dejo aquí su comentario, para que Pepe pueda comunicaros los matices de su duda en sus propias palabras:

Aprovecho para recordar que podéis enviarme vuestras preguntas a jordipereyra@cienciadesofa.com (este es un caso extraordinario).

Tienes toda la razón, Pepe, quitando el oro, el cobre y el cesio, los elementos metálicos (señalados en verde en esta imagen) tienen un color más bien grisáceo que dificulta mucho la tarea de distinguirlos a simple vista.

¡Bah! Chorradas, podría distinguir claramente cualquier metal a ojo.

¿Ah, sí? ¿Entonces qué es esto?

Eeeeh… Pues… Claramente…

Es iridio, voz cursiva, IRIDIO.

Antes de empezar, como ha comentado Pepe, los metales se pueden unir con otros elementos químicos que no son metálicos para dar lugar a algunas sustancias coloridas. Por ejemplo, tres átomos de plomo se pueden combinar con cuatro átomos de oxígeno para producir una sustancia roja llamada tetraóxido de plomo (Pb3O4), aunque los átomos de plomo también pueden formar un compuesto amarillo cuando se unen con uno de cromo y cuatro de oxígeno, generando cromato de plomo (II) (PbCrO4).
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¿Qué aspecto tiene un átomo? (3/3) (Parte 1)

Por fin os traigo la (primera parte de la) última entrega de la serie de vídeos que empecé en diciembre “¿Qué aspecto tiene un átomo?“. Grabando este último vídeo me he dado cuenta de que la cosa se estaba alargando mucho, así que he preferido separarlo en dos para hacerlo más llevadero (tanto para vosotros como para mi portátil).

En el capítulo de hoy hablaré del estudio de la luz y cómo empezó a influir en los modelos atómicos… Y servirá de introducción para el último vídeo (que intentaré tener terminado para el día 28, como tarde), en el que tocará tratar la mecánica cuántica.

Os dejo con mi versión miniaturizada bidimensional.

Respuestas (XLVII): ¿Cuál es el material más letal conocido, en términos de masa?

Rubén García-Valcárcel me planteó por correo electrónico (jordipereyra@cienciadesofa.com) el tipo de pregunta que más me gusta responder: algo que nunca me había planteado y que me resulta desconcertante a primera vista. ¿Cual es la cantidad mínima de materia necesaria para matar a un ser humano?

Quería aclarar que me ha parecido otra manera de enfocar la pregunta “¿cual es el material más mortífero?” y he preferido poner eso como título, ya que el objetivo de la entrada es hablar un poco de las peculiaridades de las sustancias que trataré y su efecto sobre el cuerpo humano, no de la idea de matar.

La cuestión es que, en el e-mail, Rubén también especifica que la forma en la que se encuentre la sustancia y el mecanismo a través del cual conduzca a la muerte son indiferentes. Puede ser un compuesto venenoso, un explosivo o cualquier cosa que se me ocurra, lo único que importa es que se trate de la menor cantidad de material posible.

Si las reglas han quedado claras, podemos empezar por los venenos.

Cualquier sustancia puede matarnos si nos exponemos a ella en cantidades suficientes. De hecho, la mayoría de cosas que nos metemos en el cuerpo en nuestro día a día son potencialmente letales en este sentido. Paracelso ya lo transmitió en el siglo XVI: “Todo es veneno, nada es sin veneno. Sólo la dosis hace el veneno“.

Para evaluar la toxicidad de compuesto químico se utiliza la dosis letal mediana (DL50), que es la masa de una sustancia que provoca la muerte al 50% de los sujetos expuestos a ella. Por ejemplo, el agua, la misma sustancia que nos mantiene vivos (aclaración innecesaria), es tóxica en grandes cantidades: su DL50 es de alrededor de 90 ml/kg, o 90 mililitros de agua  ingerida por cada kilogramo de masa corporal de la persona que la toma. Esto significa que alguien que pese 83 kilos, como el autor de Ciencia de Sofá, tendrá un 50% de probabilidades de morir si bebe 7,5 litros de agua en poco tiempo.

¿Pero qué dices? ¿Cómo va a matarte el agua?

Pues sí, voz cursiva, deshidratarte no es agradable, pero tampoco lo es hidratarte en exceso porque las células se hinchan a medida que absorben el agua que al cuerpo no le da tiempo a excretar a través de la orina. Las células del cerebro son especialmente vulnerables a este efecto porque, a medida que el cerebro se hincha mientras absorbe agua, puede llegar a ejercer suficiente presión contra las paredes del cráneo como para provocar daños cerebrales y la muerte.

Pero, bueno, 7,2 litros de agua es una cantidad enorme de materia. Hay otras cosas a nuestro alrededor que nos matarán en dosis menores, como por ejemplo el azúcar. Con una DL50 de unos 29,7 g/kg, me tendría que tomar casi 2,46 kilos de azúcar antes de tener un 50% de probabilidades de la gula me matara (eso son 4,1 kilos de Nutella, por si os lo preguntabais).
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¿Qué aspecto tiene un átomo? (2/3)

Inauguro la temporada 2016 del blog con la segunda parte de “¿Qué aspecto tiene un átomo?“. Me gustaría haberlo tenido lista antes, pero no me gustó cómo quedaba y preferí volver a grabarlo desde cero. Podéis ver el primer vídeo haciendo click aquí.

Esta vez toca hablar del descubrimiento de las partículas fundamentales que forman el núcleo de los átomos, que nos permitirían saber qué distingue unos elementos de otros. Como siempre, cualquier crítica que me ayude a mejorar los vídeos es bienvenida (ya tengo en cuenta que comprar un foco será una buena idea).

Charla: ¿Estamos solos en el universo?

En noviembre di una charla para los alumnos de bachillerato del instituto Mestral, en Ibiza. Me lo pasé muy bien y, a juzgar por los 20 minutos que duró el turno de preguntas, creo que al público también le gustó. En la charla expliqué qué es la paradoja de Fermi y hablé sobre cómo va la búsqueda de vida extraterrestre tanto dentro como fuera del sistema solar.

Y, por supuesto, quería compartirla con vosotros así que como siempre, acudí a mi amigo Yaroslav Prokhorov para la grabación. Tuvimos algunos problemas con el audio, pero creo que al final ha quedado algo que se puede entender bien.

Aquí os dejo la charla (que empieza en el minuto 3:08, por cierto), ¡espero que la encontréis interesante!

¿Qué aspecto tiene un átomo? (1/3)

Para la entrada de hoy he querido volver a experimentar con los vídeos. Ya hice uno en verano, pero quedó bastante cutre, así que me he comprado equipamiento más decente y he aprendido a usar un programa de edición de vídeo más complejo que el Movie Maker.

Este vídeo es el primero de una serie de tres (espero) en la que hablaré sobre cómo nuestra visión de los elementos más básicos que componen la materia, los átomos, ha ido cambiando a lo largo de la historia. La intención, a parte de saber por qué creemos que los átomos tienen una estructura determinada pese a que no podamos verlos, es terminar tocando de refilón un poco de física de partículas y mecánica cuántica… Y mejorar a medida que haga más vídeos, por supuesto.

Aquí os dejo con la quimera. Cualquier crítica es bienvenida.

El terrorífico difluoruro de dioxígeno (y un par de cosas sobre química)

El otro día estaba releyendo un genial post de la web XKCD en el que su autor menciona el difluoruro de dioxígeno (O2F2), el compuesto químico más reactivo conocido. Así que he pensado que sería una buena idea hablar sobre reacciones químicas y, de paso, explicar cómo de peligrosa puede llegar a ser esta sustancia porque, para empezar, casi cualquier material que entre en contacto ella arderá en llamas espontáneamente, incluso a temperaturas criogénicas de -184ºC.

¿Cómo que incluso? ¿Acaso la química se detiene si hace suficiente frío?

Buena pregunta, voz cursiva. Me explico.

Una reacción química no es más que el intercambio de átomos entre moléculas distintas. Las moléculas de oxígeno del aire tienden a quedarse pegadas a los átomos de hierro, formando óxido de hierro. Cuando el ácido clorhídrico reacciona con el carbonato de calcio, el cloro que contiene el ácido separa los átomos de calcio del compuesto, dejando libres al oxígeno y el carbono para formar dióxido de carbono y agua.

Como podéis ver en estas dos reacciones químicas, los átomos que contienen las moléculas simplemente se reestructuran para formar nuevos compuestos.

Pero, claro, para que dos moléculas reaccionen químicamente, primero tendrán que entrar en contacto. O sea que, a nivel macroscópico, la velocidad a la que se produce una reacción química entre dos sustancias dependerá de dos cosas: de cuántas moléculas entren en contacto cada segundo y la energía con la que choquen unas contra otras.
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¿Podría el sistema solar ser un átomo gigante?

Mucha gente se hace esta pregunta, cuya versión extendida sería algo así como: ¿Y si el sistema solar es en realidad un átomo gigante y el universo es algún trozo de materia de un universo aún más grande?

El último en planteármela por e-mail ha sido asfasd fasdfasdf, así que voy a responderla antes de que alguien con un nombre aún más absurdo me la repita. Aprovecho para demostrar que esta historia es verídica y de paso recordar el e-mail al que podéis mandarme vuestras preguntas:

A parte de  la escena final de la primera película de Men In Black, supongo que este planteamiento tiene su origen en la vieja imagen que tenemos todos de un átomo, potenciada por libros de instituto, documentales e incluso este mismo blog muchas veces: un átomo aparece siempre representado como un núcleo formado por unas bolas grandes y está rodeado por otras bolas que dan vueltas a su alrededor a cierta distancia.

Pero resulta que esta imagen no es correcta. Por la cuenta que nos trae, podemos usar gatos en vez de bolas para representar las partículas subatómicas (como ya hice en esta entrada sobre el agua pesada) porque es simplemente eso, una representación de un fenómeno que no somos capaces de observar.
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¿Podría existir un número infinito de elementos químicos sin descubrir?

Carbon Cronudo (sospecho que este podría no ser su nombre real) me preguntó hace un tiempo cuántos elementos habrían en la tabla periódica que aún no hemos descubierto y si potencialmente podría existir un número infinito de elementos sin descubrir.

Sin más dilación, vamos a ponernos en contexto.

¿Os habéis preguntado por qué el hierro es hierro y el oro es oro? ¿O por qué el oxígeno es un gas y el mercurio es un líquido? O sea, en el fondo, ¿Qué es lo que hace que un elemento químico presente un color, densidad o, yo que sé, una conductividad eléctrica concretas que lo diferencia de los demás?

Pues, como ya sabréis, resulta que los átomos están compuestos por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva y se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones, con carga negativa, dan vueltas a su alrededor. Un átomo está en equilibrio eléctrico cuando tiene el mismo número de cargas positivas en su núcleo que negativas dando vueltas a su alrededor o, lo que es lo mismo, cuando contiene el mismo número de protones y electrones.

¿Y entonces para qué sirven los neutrones?
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