Resumen: La luna más grande de Saturno, Titán, tiene uno de los más prometedores laboratorios químicos para producir moléculas orgánicas complejas. Los experimentos llevados a cabo en preparación para la misión de este verano a sondear la atmósfera de Titán, han tratado de simular su frío caldo prebiótico.|






Se necesitan al menos tres elementos para albergar vida como la conocemos: agua, energía y atmósfera. Entre Marte y las lunas alrededor de Júpiter y Saturno, existe evidencia de uno o dos de estos tres elementos, pero menos se conoce si un juego completo se encuentra disponible. Solamente la luna de Saturno, Titán, tiene una atmósfera comparable con la presión en la Tierra y es mucho más espesa que la marciana (1% de la presión de la Tierra a nivel del mar).

La neblina de una capa atmosférica en Titán, una de las lunas de Saturno. Con una atmósfera más espesa que la de la Tierra y formado de muchas moléculas interesantes bioquímicamente (metano, hidrógeno y carbono), la rica química de Titán continuará interesando a los astrobiólogos mientras esperan hacer descender una sonda en su superficie en 2004-5. Crédito: Proyecto Voyager, JPL, NASA

El punto más interesante acerca de las simulaciones de la neblina de hidrocarburos en Titán es que este componente nebuloso contiene moléculas denominadas tholins (de la palabra griega, lodoso) que pueden formar la base para los bloques de construcción de la vida. Por ejemplo, los aminoácidos, uno de los bloques de formación de la vida terrestre, se forman cuando estas partículas café-rojizas como fango se colocan en agua. Como lo apuntara Carl Sagan, Titán puede ser considerado como un amplio paralelo a la atmósfera terrestre inicial con respecto de su química y de esta manera, es ciertamente relevante para los orígenes de la vida.

Este verano, la nave espacial Cassini de la NASA, lanzada en 1997, está programada para entrar en órbita alrededor de Saturno y sus lunas por cuatro años. A inicios del 2005, la sonda Huygens está preparada para introducirse en la neblinosa atmósfera de Titán y descender sobre la superficie de la luna. Hay 12 instrumentos a bordo de la nave espacial orbitadora Cassini y 6 instrumentos a bordo de la Huygens Probe. La sonda Huygens se utilizará para tomar muestras de la atmósfera principalmente. La sonda va equipada para tomar medidas y captar imágenes hasta por media hora sobre la superficie. Pero la sonda no tiene piernas, de modo que cuando se asiente en la superficie su orientación será al azar. Y su descenso puede no ser en un lugar donde este relacionado con los productos orgánicos. Las imágenes donde se encuentra la Cassini en su órbita actual están siendo contínuamente de actualidad y están disponibles para verse a medida que la misión progresa.

Astrobiology Magazine ha tenido la oportunidad de hablar con el investigador científico, Jean-Michel Bernard de la Universidad de París, acerca de cómo simular la compleja química de Titán en un tubo de ensayo terrestre. Sus simulaciones del medio ambiente de Titán realizadas sobre la clásica sopa prebiótica, ya tuvieron pioneros hace cincuenta años en los investigadores de la Universidad de Chicago, Harold Urey y Stanley Miller.

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Astrobiology Magazine (AM): ¿Qué estimuló su interés inicial en la química atmosférica de Titán?

Jean-Michel Bernard (JB): ¿Como dos moléculas simples (nitrógeno y metano) crean una química muy compleja? ¿Se convierte la química en bioquímica? Los descubrimientos recientes de vida en extremas condiciones sobre la Tierra (bacterias en el Polo Sur a –40ºC y arqueas a más de +110ºC en las cercanías de Fuentes hidrotermales) permiten suponer que la vida pudo estar presente en otros mundos y otras condiciones.

Huygens desciende hacia Titán. La sonda Huygens de la Agencia Espacial Europea desciende a través de la misteriosa atmósfera para desvelar la superficie oculta (representación artística) Crédito: ESA

Titán tiene un interés astrobiológico porque es el único satélite en el sistema solar con una atmósfera densa. La atmósfera de Titán está formada por nitrógeno y metano. Las partículas energéticas procedentes del Sol y del ambiente de Saturno permiten una química muy compleja, como la formación de hidrocarburos y nitrilos. Las partículas también generan una neblina permanente alrededor del satélite, lluvias de metano, vientos, estaciones. Recientemente parecen haberse detectado unos lagos de hidrocarburos en su superficie. Yo creo que este descubrimiento, si se confirma por la misión Cassini-Huygens , será algo del máximo interés.

Haría de Titán un análogo de la Tierra, ya que tendría una atmósfera (gas), lagos (líquido), neblina y suelo (sólido), los tres ambientes necesarios para la aparición de vida.

La composición de la neblina de Titán es desconocida. Sólo están disponibles datos ópticos y estos son muy difíciles de analizar debido a la complejidad de este material carbonatado. Se han llevado a cabo muchos experimentos para asemejar la química atmosférica de Titán, más notablemente los análogos a aerosoles denominados 'tholins' por el grupo de Carl Sagan . Parece ser que los “tholins” podrían estar involucrados en el origen de la vida. Efectivamente, la hidrólisis de estos análogos de aerosol en Titán dan lugar a la formación de amino ácidos, los precursores de la vida.

AM: ¿Puede describirnos su simulación experimental para prolongar los experimentos de Miller-Urey de una forma que parece hecha a la medida para las bajas temperaturas y química excepcional de Titán?

JB: Desde los experimentos de Miller-Urey, se han llevado a cabo muchas simulaciones experimentales de supuestos sistemas prebióticos. Pero después de la recuperación de los datos del Voyager, pareció necesario retornar a este enfoque para simular la atmósfera de Titán. Después varios científicos llevaron a cabo experimentos introduciendo una mezcla de nitrógeno-metano en un sistema como el aparato Miller’s. Pero hubo un problema que fue obvio debido a la diferencia entre las condiciones experimentales y las condiciones en Titán. La presión y la temperatura no eran representativas del medio ambiente de Titán. Después decidimos llevar a cabo experimentos que reprodujeran la presión y la temperatura de la estratosfera de Titán: una mezcla de gas del 2% de metano en nitrógeno, una baja presión (alrededor de 1 mbar) y un sistema criogénico de manera de tener bajas temperaturas. Más aún, nuestro sistema está colocado en una caja enguantada que contiene nitrógeno puro de manera de evitar la contaminación por el aire circundante de los productos sólidos.

Vista del arreglo experimental. El reactor va inmerso en un fluido criogénico para simular la temperatura fría en la estratosfera. Crédito: Bernard

AM: ¿Qué considera como la mejor fuente de energía para disparar la química sintética de Titán: la magnetosfera de partículas Saturninas, la radiación solar o algo más?

JB: Los científicos están debatiendo respecto de cual sería la fuente que estimularía mejor las fuentes de energía en la atmósfera de Titán. ¿Radiación ultravioleta (UV)? ¿Rayos cósmicos? ¿Electrones y otras partículas energéticas que lleguen desde la magnetosfera de Saturno? Todas estas fuentes están involucradas, pero su ocurrencia depende de la altitud: la radiación ultravioleta extrema y los electrones en la ionosfera, la luz UV en la estratosfera, mientras que los rayos cósmicos ocurren en la troposfera.

Creo que la pregunta apropiada debería de ser: ¿Cuál es la meta experimental? Si es el entender la química del ácido cianhídrico (HCN) en la estratosfera de Titán, una simulación con radiación UV de HCN es lo apropiado. Si la meta es determinar los efectos de los campos eléctricos generados por rayos cósmicos galácticos en la troposfera, entonces es preferible una descarga de corona en una atmósfera simulada de Titán.

Para estudiar las condiciones estratosféricas de Titán, escogimos utilizar una descarga eléctrica en nuestra simulación. Esta elección es debatida por una minoría de científicos porque la fuente de energía principal en la estratosfera de Titán es la radiación UV. Pero nuestros resultados validaron nuestros experimento. Detectamos todas las especies orgánicas observadas en Titán. Nosotros pronosticamos la presencia de CH3CN (acetonitrilo) antes de su observación. Detectamos por primera vez di-cianoacetileno, C4N2, una molécula inestable a temperatura ambiente que también ha sido detectada en la atmósfera de Titán. La firma de infrarrojos intermedia de los productos sólidos creados en nuestro experimento era consistente con las observaciones en Titán.

A los científicos les gustaría saber el origen de las manchas atmosféricas en las fotos de la luna de Saturno, Titán, como las ha tomado el Hubble. Crédito Imagen: Telescopio Espacial Hubble /UA Smith

AM: ¿Cómo forman parte sus resultados de las pruebas planeadas para la sonda Cassini-Huygens ?

JB: Después de colaborar con el equipo del Observatoire Astronomique de Bordeaux en Francia, determinamos las constantes dieléctricas de los análogos de los aerosoles. Esto nos permitirá estimar como podrían afectar las propiedades de la atmósfera y superficie de Titán al desempeño de los experimentos de radar de la Cassini-Huygens . El altímetro a bordo de la sonda Huygens podría verse afectado por las propiedades de los aerosoles, pero debemos hacer experimentos complementarios para confirmar este resultado.

Hace dos años, introdujimos una mezcla, N2/CH4/CO (98/1.99/0.01). La meta era determinar el impacto del monóxido de carbono, el compuesto oxigenado más abundante en Titán. Sorprendentemente, detectamos oxirano en la fase gaseosa como el producto oxigenado en mayor cantidad. Esta molécula instable fue descubierta en el medio interestelar pero los modelos teóricos no predecían que existiese en la química de Titán. Aún así es posible que se encuentre presente en Titán.

Actualmente estamos analizando las primeras moléculas, radicales, átomos e iones (o ‘especies’) creadas dentro de nuestro reactor experimental. Estamos utilizando espectrometría de infrarrojos y emisión de UV visible para estudiar especies del tipo como CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. A continuación observaremos la correlación entre la abundancia de estas especies y las estructuras de los productos sólidos. Acoplando estos resultados con un modelo teórico desarrollado en colaboración con la Universidad de Porto en Portugal, tendremos un mejor entendimiento acerca de la química que está ocurriendo dentro del reactor experimental. Estos nos permitirá analizar los datos de la Cassini-Huygens y la formación de neblina en Titán.

Sonda de descenso Huygens a la luna Titán de Saturno. Crédito Imagen: ESA

Nuestro equipo está involucrado a nivel científico en la misión también ya que uno de los científicos de la misión está también en nuestro grupo en el Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques,( LISA). Los tholins de nuestro laboratorio serán usados como guías para calibrar varios de los instrumentos de la sonda Huygens y del orbitador Cassini.

Existen 18 instrumentos a bordo de la sonda y del orbitador. Se requieren pruebas de calibración para la cromatografía de gases y la espectroscopia de masa [GC-MS]. El GC-MS identificará y medirá los productos químicos en la atmósfera de Titán.

También se requieren pruebas de calibración para el Colector de Aerosol y el Pirolizador (ACP). Este experimento atraerá partículas en aerosol de la atmósfera a través de filtros, después calentará las muestras atrapadas en hornos para vaporizar los volatiles y descomponer los materiales orgánicos complejos.

El Composite Infrared Spectrometer (CIRS), un instrumento de medición térmica en el orbitador, también requiere de ser calibrado. Comparado con misiones previas al espacio profundo, el espectrómetro a bordo de la Cassini-Huygens es una mejora muy significativa, con una resolución espectral diez veces mayor que la del espectrómetro de la nave espacial Voyager.

AM: ¿Tiene planes futuros para esta investigación?

JB: Nuestro siguiente paso es un experimento desarrollado por Marie-Claire Gazeau, llamado 'SETUP'. El experimento consta de dos partes: un plasma frío a modo de disociar el nitrógeno y un reactor fotoquímico para foto disociar al metano. Esto nos dará una mejor simulación global de las condiciones de Titán.


(Nota del traductor): Los tholins a que se hace referencia son substancias café-rojizas formadas de compuestos orgánicos complejos. No existen en forma natural en la Tierra porque las condiciones oxidantes de nuestra atmósfera bloquean su síntesis.