Resumen (19 de febrero de 2007): Titán, una luna de Saturno, es notable por su envoltura de neblina orgánica. Experimentos recientes sugieren que la Tierra podría haber estado cubierta por una niebla similar en sus orígenes. El descubrimiento podría arrojar cierta luz sobre cómo la vida se esparció por todo el globo.





Por Henry Bortman

La radiación de moléculas de CH4 y CO2 con luz solar conduce a la formación de moléculas orgánicas complejas, incluyendo ácidos orgánicos y otros hidrocarburos oxigenados. Finalmente, estas moléculas se condensan en partículas de aerosol, y podrían haber llevado a la formación de una capa de niebla que cubriera todo el globo en la Tierra primigenia. La imagen es un montaje ilustrativo preparado por Melissa G. Trainer utilizando imágenes de Titán y la Tierra. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Titán, la luna gigante de Saturno, está envuelto en una gruesa capa de neblina orgánica. Aunque esta capa es única en el sistema solar actual, un reciente experimento realizado por investigadores en la Universidad de Colorado en Boulder sugiere que, hace cientos de miles de años, la Tierra estaba también cubierta por una niebla orgánica. El hallazgo no sólo arroja luz sobre las primeras etapas de nuestra atmósfera, sino que también podría ayudar a explicar cómo se extendió la vida por todo el globo.

La niebla en Titán se debe a la presencia de metano en su atmósfera. A cientos de kilómetros sobre la superficie de esta luna, la luz solar ultravioleta bombardea moléculas gaseosas de metano con fotones de alta energía, rompiéndolas. Este proceso destructivo, conocido como fotólisis, da como resultado hidrógeno libre y fragmentos pequeños de hidrocarburos (CH2). Estos fragmentos son como piezas de un juego de construcción: se pueden combinar unos con otros para formar moléculas más grandes con forma de cadena, como etano, propano y acetileno. El metano en la atmósfera de Titán es un gas transparente, pero las moléculas mayores se condensan en partículas de aerosol, formando la neblina. Estudios mediante modelos de ordenador realizados por Alex Pavlov, actualmente profesor de ciencia planetaria en la universidad de Tucson, en Arizona, predijeron que si la Tierra primigenia produjo también metano, quizás estuvo también cubierta por este tipo de niebla. Pero la atmósfera terrestre tenía un componente adicional que falta en la atmósfera de Titán: el dióxido de carbono (CO2). Margaret Tolbert, profesora de química en la Universidad de Colorado, en Boulder, y su estudiante graduada Melissa Trainer, pusieron en práctica un experimento de laboratorio para verificar el modelo de Pavlov, con objeto de ver si podían producir la niebla en una “atmósfera” que simulase la de la Tierra primigenia.

Al principio eran escépticas. “Pensábamos que obtendríamos esos átomos de oxígeno provenientes del CO2, que reaccionarían con los fragmentos de CH2 del metano y esto evitaría que se formasen cadenas mayores de hidrocarburos”, afirma Trainer. “Y de esta forma no aparecerían moléculas suficientemente grandes como para condensarse en partículas”. Y sin partículas no hay niebla. Pero “eso no es lo que nos encontramos”, dice Tolbert. “Justo al contrario”.

Su experimento inicial reproducía lo que ocurre en la atmósfera de Titán. Introdujeron metano en un recipiente sellado (además de nitrógeno, un componente principal de la atmósfera de Titán, al igual que en la Tierra primigenia), y sometieron el contenido a una radiación ultravioleta de muy corta longitud de onda y alta energía. Los investigadores eligieron una fuente de radiación que incluía una longitud de onda de 121 nm, que es suficientemente potente como para descomponer las moléculas de metano. “El espectro de emisión del sol tiene un pico justo en esa longitud de onda”, explica Tolbert. Bajo estas condiciones se formó la niebla, exactamente igual que sucede en Titán.

Fotografía de Melissa G. Trainer trabajando con el AMS, el espectrómetro de masas utilizado en los experimentos. Crédito: Margaret Tolbert

Para catalogar las partículas microscópicas de la niebla se utilizó un nuevo instrumento denominado espectrómetro de masas de aerosol (AMS por sus siglas en inglés Aerosol Mass Spectrometer). El uso de este aparato les permitió obtener resultados con las partículas “al vuelo”. En los experimentos anteriores era necesario esperar horas, días, o incluso semanas, para que las partículas se depositasen y formasen una película en el interior del recipiente, lo que permitía recogerlas y analizarlas. Pero el AMS permite a Trainer y Tolbert analizar las partículas mientras están en suspensión en el recipiente. “Si encendemos la lámpara ultravioleta, y hay gases en el recipiente, podemos obtener en cuestión de minutos el espectro de masas de aerosol, indicándonos de qué partículas están compuestos”, señala Tolbert.

A continuación repitieron el experimento añadiendo una proporción creciente de CO2 al metano para simular las condiciones en la Tierra. Y la niebla continuó apareciendo. “De hecho”, señala Tolbert, “cuando se introduce CO2 y metano en proporciones similares, se obtiene más niebla que cuando se utiliza sólo metano”. Después continuaron aumentando la cantidad de CO2, y la formación de niebla fue disminuyendo, “pero siempre observamos que se producía alguna cantidad”, afirma Tolbert. Todavía están intentando analizar qué es lo que ocurre. “No somos capaces de explicarlo completamente”, admite.

Pero tienen una hipótesis. Cuando sólo hay metano, algunos de los átomos de hidrógeno que se desprenden del metano se recombinan con los fragmentos de CH2 para formar de nuevo metano. Esto limita el número de fragmentos de CH2 disponibles para formar moléculas de cadenas más grandes. Pero cuando también está presente el dióxido de carbono, éste se descompone en monóxido de carbono y átomos de oxígeno. Los investigadores sospechan que este oxígeno se recombina con hidrógeno del metano para producir agua. Esto deja menos hidrógeno disponible para acoplarse con las moléculas de CH2, de forma que hay más moléculas de CH2 disponibles para acoplarse entre sí. El resultado: más moléculas grandes, y más niebla.

Si están en lo cierto, sus hallazgos podrían tener importantes implicaciones en la forma en la que la vida se extendió por toda la Tierra. Cuando la vida apareció por primera vez, estaba más bien restringida a enclaves aislados, ya que dependía de nutrientes que sólo se presentaban en suficientes cantidades en zonas muy localizadas. Pero algunos de estos organismos primitivos eran metanógenos, que emitían metano que posteriormente llegaba a las capas altas de la atmósfera. Allí este metano, junto con el CO2, era bombardeado con radiación ultravioleta de alta energía proveniente del sol. Se empezaban entonces a formar largas cadenas de hidrocarburos, y cuanto más grandes se hacían estas moléculas, más propensas eran a condensarse en partículas de aerosol. Al final, la Tierra estaba cubierta por una niebla de estas partículas, que se precipitaban hacia la superficie terrestre.

Con su gruesa atmósfera, el globo naranja de Titán brilla suavemente, rodeado por un fino halo de niebla púrpura. Crédito: NASA/JPL/Space Science Institute

En este proceso, el CO2 era importante por una segunda razón. Aunque la mayor parte de este oxígeno liberado del dióxido de carbono se combinaba para formar agua – este es el proceso que permitía formar la niebla – parte de él se acoplaba a las partículas de hidrocarburo en crecimiento. Las cadenas de hidrocarburo oxigenado son una fuente alimenticia rica en energía, y cuando estas moléculas se empezaron a esparcir por la superficie del planeta, esa “comida” estuvo disponible en todo el globo. “La vida se podía mantener en cualquier parte de la Tierra”, señala Tolbert.

Si están en lo cierto. Para estar en lo cierto es necesario que la atmósfera de la Tierra primigenia no sobrepasase ciertos límites en el contenido de oxígeno. Muchos investigadores coinciden en afirmar que la subida en los niveles de oxígeno en la atmósfera terrestre no tuvo lugar hasta doscientos mil millones de años después del origen de la vida. Si la Tierra hubiese tenido una atmósfera rica en oxígeno desde el principio, la formación de la niebla no hubiese podido tener lugar.

Por otra parte, es posible que algún proceso puramente químico hubiese producido metano incluso antes de que apareciesen los metanógenos. Es claro que en Titán, y posiblemente también en Marte, hay una fuente abiótica de metano atmosférico. Si este fuese el caso, la química de la niebla, y la lluvia rica en nutrientes, podrían haber estado presentes antes de que se originase la vida, y la biosfera se podría haber convertido en un fenómeno global casi tan pronto como se originó. De hecho, lar partículas de niebla podrían haber jugado un papel importante en el origen de la vida.

Una forma de zanjar la cuestión es consultar el registro que queda en las rocas. Las rocas contienen evidencias de las reacciones químicas que tenían lugar en la atmósfera cuando se formaron. Pero este es un trabajo complicado. Sólo hay un puñado de lugares en la Tierra donde se pueden encontrar rocas que datan de la época del origen de la vida. A lo largo del tiempo estas rocas han sido modificadas en gran medida por temperatura y presión, de forma que los registros químicos han sido degradados.

Además, según Alex Pavlov, los científicos tienen que definir todavía qué es lo que deben buscar. “El análisis sistemático de qué restos se debe esperar encontrar no se ha hecho todavía”. El primer paso, añade, es “repetir el experimento que realizó Maggie y analizar la composición en conjunto de esos aerosoles”, las proporciones relativas de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Esto proporcionaría a los geólogos una idea más precisa de qué tipo de perfiles químicos deberían buscar.

Mientras tanto, otro de los estudiantes graduados de Tolbert, Langley DeWitt, está llevando a cabo un experimento adicional para comprobar la hipótesis de Tolbert y Trainer acerca de por qué la niebla se forma en la presencia de CO2. “Si este modelo es correcto”, afirma Tolbert, “añadir hidrógeno al sistema debería conducir a menos niebla”. Todavía esperamos la sentencia.