La búsqueda de vida extraterrestre siempre ha estado plagada de falsos positivos, esas ocasiones en las que los científicos piensan que han encontrado vida pero resultan carentes de un caso totalmente convincente.
El ejemplo arquetípico proviene de los módulos de aterrizaje gemelos Viking de la NASA, que entregaron pruebas controvertidas de vida en Marte a mediados de la década de 1970. Esa evidencia era una bocanada de carbono radiactivo que flotaba en el suelo marciano, lo que insinuaba que el metabolismo microbiano tenía lugar en el interior, pero otros tres experimentos de detección de vida que llevó a cabo cada módulo de aterrizaje solo arrojaron resultados nulos. Más datos confusos sobre la vida en Marte llegaron en 1996, cuando los científicos descubrieron lo que podrían haber sido microfósiles microbianos dentro de un meteorito marciano encontrado en la Antártida. Pero estudios posteriores mostraron que los microfósiles putativos podrían haber sido producidos fácilmente por varias otras rutas completamente abióticas. Más recientemente, los investigadores que estudian la atmósfera de Venus afirmaron ver cantidades significativas de fosfina allí, un gas que, en la Tierra, está compuesto principalmente por microorganismos. Sin embargo, pronto otros científicos pusieron en duda la validez de esas mediciones y postularon que el gas, si es que estaba allí, provenía de alguna forma extraña pero sin vida de vulcanismo venusiano.
En cada caso, el patrón fue el mismo: entusiasmo inicial, seguido de escepticismo posterior y eventual despido. Una y otra vez, al parecer, los astrobiólogos solo encuentran signos extraños de vida, las llamadas biofirmas, que son frustrantemente inconclusos. Esto se debe en gran parte a que los astrobiólogos buscan necesariamente las formas de vida más simples y robustas que parecen posibles en entornos hostiles de otro mundo, y las sustancias químicas y estructuras que a menudo asociamos con tales organismos en la Tierra a menudo se pueden producir de manera abiótica. Y, por supuesto, la química de la vida extraterrestre podría ser completamente diferente a la que observamos en nuestro propio planeta. ¿Existe una mejor manera de mirar?
Una nueva teoría publicada en Comunicaciones de la naturaleza sostiene que la hay. Llamada teoría de ensamblajes, se aleja de la búsqueda de biofirmas químicas simples, en lugar de abrazar la complejidad fundamental de la vida. Se basa en la idea de que cualquier forma de biología en cualquier parte del universo codificará la información de la vida en conjuntos complejos de moléculas que son mensurablemente distintas de la materia sin vida.
Para la coautora del estudio Sara Walker, biofísica de la Universidad Estatal de Arizona, la teoría de ensamblajes es un hito para el campo, porque “presenta la primera medida de complejidad que se puede probar en el laboratorio”. En términos más generales, dice, nos da “el primer atisbo de nuestra capacidad para conectar ideas teóricas profundas sobre la naturaleza de la vida con observables empíricos”.
En astrobiología, las apelaciones a la complejidad han ido en aumento desde hace un tiempo. A la luz de los resultados ambiguos que pueden provenir de la investigación centrada en firmas químicas simples, los científicos han desarrollado teorías y definiciones de la vida que buscan procesos más sofisticados (metabolismo, adaptación, replicación, evolución) que podrían ayudarnos a distinguir los sistemas vivos de los no vivos. . En 1994, por ejemplo, la NASA adoptó una definición compleja de vida: “La vida es un sistema químico autosuficiente capaz de la evolución darwiniana”. El problema es que los conceptos clave detrás de estos marcos avanzados son en sí mismos complicados, lo que los hace notoriamente difíciles de probar y cuantificar. Pregunte, por ejemplo, a cinco biólogos evolutivos diferentes por su definición de trabajo de “evolución darwiniana”, y es probable que obtenga cinco respuestas ligeramente diferentes. Como explica el científico jefe de la NASA, Jim Green, “no puedo construir un instrumento que vaya a salir y encontrar ‘evolución’, ‘reproducción’ o ‘metabolismo'”.
La teoría de ensamblajes puede ofrecer una forma más clara y general de reconocer la vida, ya sea familiar o ajena. Se basa en dos ideas relacionadas: complejidad física y abundancia, postulando que a medida que estas dos propiedades aumentan para cualquier objeto dado en cualquier entorno dado, las posibilidades de un origen abiótico disminuyen. La abundancia rastrea la frecuencia con la que un objeto aparece en un entorno, mientras que la complejidad de un objeto se mide estimando el número de pasos necesarios para su ensamblaje. Considere la diferencia entre una orilla del mar llena de guijarros desgastados por el agua, una situación que podría atribuirse fácilmente a un proceso sin vida, y una sembrada de conchas marinas intrincadamente esculpidas.
Aunque la teoría es general y puede pertenecer a muchos tipos de objetos en una amplia gama de escalas, los investigadores analizaron cómo se aplica a las moléculas, posiblemente los bloques de construcción más esenciales de la biología que los científicos pueden buscar tanto en el laboratorio como en el espacio.
Para clasificar la complejidad molecular, el equipo creó un índice de ensamblaje de masa, que asigna algorítmicamente un número de ensamblaje de masa (MA) a diferentes tipos de moléculas. Como prueba de concepto, utilizaron este enfoque para indexar y clasificar 2,5 millones de moléculas en una base de datos de química ampliamente utilizada. Una molécula con un MA de 1 tiene una complejidad baja y, por lo tanto, una mayor probabilidad de tener orígenes abióticos; a las moléculas más complejas se les asignan números más altos. Compuesto por un átomo de fósforo y tres átomos de hidrógeno, el gas fosfina, la supuesta firma biológica de Venus, solo merece un MA de 1. En contraste, el aminoácido triptófano obtiene un MA de 12 gracias a su estructura elaborada de 11 átomos de carbono, doce de hidrógeno y un par cada uno de nitrógeno y oxígeno.
Según Lee Cronin, químico de la Universidad de Glasgow que dirigió la investigación, este ejercicio reveló que en un cierto umbral, alrededor de MA 15, la probabilidad de producción abiótica de una molécula en condiciones similares a la de la Tierra se vuelve astronómicamente baja. De hecho, menos de uno de cada 600 sextillones, dice Cronin. Por lo tanto, las moléculas que se clasifican en un MA de 15 o superior casi siempre deberían estar formadas por vida.
Entonces, ¿eso significa que MA 15 es el marcador infalible para la vida en todas partes? No. Por un lado, muchas moléculas de bajo rango pueden ser biofirmas, como el oxígeno molecular estructuralmente simple emitido a la atmósfera de la Tierra por organismos fotosintéticos. Esto significa que, aunque puede disminuir las posibilidades de falsos positivos en la búsqueda de vida, la teoría de ensamblajes también aumenta correspondientemente la probabilidad de “falsos negativos” que permiten que firmas biológicas genuinas se escapen por las grietas de la investigación. En términos más generales, dice Cronin, aunque MA 15 parece ser el valor umbral para la vida en la Tierra, el umbral podría caer en cualquier otro lugar para entornos planetarios tremendamente diferentes. El truco, sostiene Cronin, consiste en utilizar la teoría de ensamblajes para trazar la brecha que debe existir entre las combinaciones químicas producidas abióticamente y las producidas por los sistemas vivos, aquí o en cualquier otro lugar.
Para validar aún más su enfoque, Cronin y sus colegas revisaron dos veces sus cálculos teóricos de complejidad mediante el uso de la fragmentación por espectrometría de masas para estudiar una gran muestra de moléculas y sustancias clasificadas, dividiendo cada una en sus partes constituyentes para confirmar la cantidad de pasos químicos necesarios para reensamblar ellos. Esos resultados experimentales se ajustaban estrechamente a las predicciones teóricas y distinguían de manera confiable entre una amplia gama de sustancias vivas, no vivas y muertas, incluidas E. coli bacterias, células de levadura, alcaloides vegetales, cenizas, carbón, granito, piedra caliza e incluso cerveza.
Una de las validaciones más emocionantes fue cortesía de la colaboradora de Cronin y coautora del estudio, Heather Graham, astrobióloga del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Para realizar una prueba de la teoría, el laboratorio de Graham envió un conjunto de muestras ciegas. Uno de ellos fue material biológico preservado de un fósil de varios millones de años. Otra fue una muestra del meteorito Murchison, un bólido rico en compuestos de carbono orgánico (pero abiótico) que cayó a la Tierra en 1969. Las pruebas de Cronin marcaron el material de Murchison como notable por su riqueza de moléculas complejas, pero aún lo clasificaron como por debajo del umbral. de MA 15 y por lo tanto sin vida. El material fósil, sin embargo, fue identificado como una firma de vida.
Para el coautor del estudio y becario postdoctoral de astrobiología de la NASA, Cole Mathis, hubo un momento sorprendente en esta etapa de la investigación cuando una distinción significativa quedó clara para todos los involucrados: la distinción entre “una muestra compleja y una molécula compleja”. Si bien una extraña variedad de sustancias químicas como las presentes en Murchison podría llevar a uno a pensar que algo así como la vida estaba presente allí, en realidad es la molécula compleja, que indica la organización de la química, la que parece ser clave para la vida.
El éxito de estos resultados y la publicación del trabajo despertaron el entusiasmo inicial. Steven Benner, químico de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Alachua, Florida, que no formó parte de la investigación, dice que él y sus colegas están “extremadamente entusiasmados” con la teoría de ensamblajes. Aun así, agrega, Cronin y sus colegas aún deben abordar muchas preguntas sin respuesta sobre su trabajo, especialmente si realmente podría aplicarse en “entornos verdaderamente exóticos”. Benner ha desafiado a Cronin a probar el enfoque en muestras de material “semicomplejo” que el grupo de Benner ha sintetizado a partir de precursores de carbono simples en condiciones de laboratorio que imitan la atmósfera de Venus. “Este es un entorno real”, dice Benner, “uno que pronto será visitado nuevamente en una misión espacial. Si la vida de Venus existe en las nubes sobre Venus, necesitaría seguir una lógica química muy diferente de la lógica que sigue la vida en la Tierra “. Esto, dice Benner, posiblemente convierte a Venus en el mejor sitio para una prueba a corto plazo de la métrica de complejidad molecular.
En respuesta, Cronin ha señalado que las muestras de Benner plantean un desafío particular, ya que están sumergidas en ácido sulfúrico, que descompone las moléculas orgánicas y, por lo tanto, reduce su complejidad orgánica detectable. Sin embargo, dice Cronin, “estamos trabajando en una forma de reconstruir esa complejidad, por lo que tengo la esperanza de que incluso en las muestras más difíciles, si la molécula no se rompe, podemos tomar una medición”.
Mientras tanto, Green y otros en la NASA se han preguntado si la teoría de ensamblaje podría usarse para analizar datos de los muchos espectrómetros de masas que han visitado otros mundos durante las diversas misiones interplanetarias de la agencia. Green primero consideró el caso del espectrómetro de masas en el orbitador Cassini, que voló a través y muestreó columnas de vapor de agua provenientes de Encelado, la luna helada de Saturno, pero se dio cuenta de que el instrumento de Cassini solo registraba masas de hasta 100 unidades de masa atómica (uma), y La teoría de ensamblaje solo funciona para moléculas que pesen al menos 150 uma.
Aunque podían alcanzar 150 uma y más, los instrumentos de los rovers Curiosity y Perseverance Mars también se quedaron cortos, ya que carecían de la especificidad para estudiar especies moleculares individuales para una medición de MA. Las misiones futuras, dice Green, deberían estar todas equipadas con espectrómetros de masas que registren la masa más alta y tomen medidas con mayor especificación. Hay una promesa para la misión Dragonfly de la NASA, un quadcopter de propulsión nuclear programado para comenzar a explorar la atmósfera y la superficie de Titán, la luna de Saturno, a mediados de la década de 2030. Graham señala que el espectrómetro de masas de Dragonfly, aunque carece de algunas de las capacidades de los espectrómetros de laboratorio, tendrá la capacidad de detectar moléculas complejas.
En el futuro, otras misiones planificadas podrían buscar signos de la complejidad molecular de la vida en puntos calientes astrobiológicos en todo el sistema solar. Con el tiempo, especula Cronin, la teoría de ensamblaje podría incluso utilizarse para evaluar posibles biofirmas detectadas de forma remota en las atmósferas de exoplanetas potencialmente habitables por grandes telescopios.
Por ahora, sin embargo, el enfoque ha proporcionado a teóricos y experimentales por igual una gran cantidad de nuevas ideas para comprender y ver la complejidad cósmica de la vida.
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