Categoría: elementos químicos

  • AGUA EN LA LUNA

    AGUA EN LA LUNA

    Para el guion de 2001 Una odisea espacial, la espectacular producción fílmica de Stanley Kubrick de 1968, Arthur C. Clarke imaginó una estación lunar estadounidense en el cráter Clavius, cercano al polo sur de nuestro satélite natural.[1] En el sitio de aterrizaje de la estación, los visitantes podían ver un cartel de bienvenida:

    WELCOME TO CLAVIUS BASE
    U.S. ASTRONAUTICAL ENGINEERING CORPS
    1994

    La estación podía ser totalmente autosuficiente en caso de emergencia. «Se podían producir todas las necesidades vitales a partir de las rocas del lugar», explica Clarke en la novela que escribió en paralelo con la producción de la película. «El hidrógeno, el oxígeno, el carbono, el nitrógeno, el fósforo, todos los elementos básicos para la vida podían hallarse en la Luna…si uno sabía en donde buscarlos».

    En la vida real no existen todavía estaciones en la Luna, ni necesidad urgente de hallar fuentes de elementos químicos o moléculas vitales en el satélite. De todas maneras, un par de artículos publicados en Nature Astronomy el 26 de octubre sugieren que la molécula de la vida por excelencia, la del agua, podría existir en cantidades suficientes en la superficie lunar como para hacer realidad la fantasía de Clarke de una estación autosuficiente en nuestro satélite.

    En el primero de los artículos[2], un equipo encabezado por Casey I. Honniball, hoy en día investigadora posdoctoral en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, examinó la luz solar reflejada en la superficie lunar y encontró un patrón en el espectro de rayos infrarrojos en una longitud de onda particular (6 micrómetros) que se puede interpretar como evidencia de la presencia de agua en la Luna, porque la molécula de H2O absorbe la luz infrarroja precisamente en esa longitud de onda.

    Este procedimiento, que suena muy sencillo, requirió en realidad de instrumentos y análisis muy sofisticados, además del uso del Observatorio Estratosférico para la Astronomía en Infrarrojo (conocido como SOFIA por sus siglas en inglés). SOFIA es un enorme telescopio que capta energía en las longitudes de onda de la luz infrarroja; para poder hacerlo, el instrumento tiene que montarse en un avión Boeing 747 y volar a más de 13,000 metros de altitud para evitar la interferencia de la atmósfera terrestre.

    El Boeing 747 del observatorio SOFIA de la NASA

    Los datos compilados por los investigadores permitieron confirmar la presencia de agua precisamente en el cráter Clavius, donde Clarke imaginó la estación lunar, pero no en otros sitios más cercanos al ecuador de la Luna. El agua en Clavius podría estar atrapada en pequeños cristales, explica la Dra. Honniball[3], porque de otra manera se evaporaría y escaparía al espacio en las condiciones que prevalecen en la Luna. En lugares más ecuatoriales, la exposición más continua a los rayos solares habría ya evaporado cualquier rastro de agua hace ya mucho tiempo, tal vez incluso millones de años.

    El segundo artículo[4] es un análisis de imágenes de orbitadores lunares en el que se modela la distribución en la superficie del satélite de «trampas de frío» que permitirían la existencia de agua congelada en grandes porciones de la Luna. Estas trampas de frío no son otra cosa que zonas de sombra que, al tener relativamente poca exposición a la luz solar, permanecen a temperaturas que evitan la pérdida del agua atrapada en las rocas. Las simulaciones mostraron la existencia de numerosas, aunque pequeñas trampas de frío principalmente en el hemisferio sur, en donde se encuentra Clavius.

    Desde los tiempos de las misiones Apolo en los años sesenta y setenta se tenían indicios de la presencia de agua en la Luna, pero los análisis de Honniball y colaboradores son la primera prueba aparentemente irrefutable de la presencia de la molécula de H2O en la Luna. En 2009 ya se había detectado absorción de luz infrarroja en la longitud de onda de 3 micrómetros, lo que sugería la presencia de agua, pero que podía deberse también a la presencia del grupo hidroxilo (un átomo de hidrógeno y uno de oxígeno unidos a otros átomos) y no necesariamente de agua (dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos en una molécula).[5]

    Localización aproximada del cráter Clavius, cerca del polo sur lunar

    Es importante recalcar que la detección de H2O en la Luna no implica depósitos extensos de agua en nuestro satélite. La concentración probable, según explica la Dra. Honniball, sería equivalente a dispersar unas doce onzas de líquido en un metro cúbico de material de la superficie lunar. (Esto es como derramar el contenido de una lata estándar de cerveza o refresco, unos 350 mililitros, en un tinaco común de mil litros de capacidad).

    Los exploradores que vivían en la Estación Clavius podían hallar en las rocas lunares todos los elementos naturales necesarios para la vida, según el relato imaginario de A. C. Clarke, «si sabían en donde buscar». Hoy, gracias al trabajo de Honniball y otros científicos, los colonizadores lunares del futuro sabrán «en donde buscar» agua: justo en Clavius, en donde Clarke lo imaginó hace más de cincuenta años.

    NOTAS Y REFERENCIAS

    [1] Kubrick y Clarke escribieron juntos el guion de 2001 Una odisea espacial, inspirados por el relato El centinela que el propio Clarke había escrito en 1951. En paralelo a la producción de la película, Clarke escribió la novela del mismo nombre, de donde se tomaron las citas para esta nota (edición 2006 de la serie Penguin Galaxy, Penguin Random House LLC, Nueva York.

    [2] Honniball, C.I., Lucey, P.G., Li, S. et al. (2020) Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x

    [3] Las declaraciones de C. I. Honniball aparecen en la nota de Kenneth Chang en la edición en línea de la sección de ciencia del New York Times (26 de octubre de 2020).

    [4] Hayne, P.O., Aharonson, O. & Schörghofer, N. (2020) Micro cold traps on the Moon. Nature Astronomy  https://doi.org/10.1038/s41550-020-1198-9

    [5] Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B. & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. Science326(5952): 568-572.

  • Arsénico: historias de bacterias y de nobles italianos

    El 17 de octubre de 1587, después de 11 días de agonizante sufrimiento, el Gran Duque de Toscana, Francesco I de Medici murió a consecuencia de la malaria, de acuerdo con los documentos oficiales de la época.  La muerte del duque italiano probablemente no se hubiera convertido en evento histórico de no ser por una extraña circunstancia: apenas horas después del fallecimiento del sobrio gobernante, su esposa Bianca Cappello murió también de la misma enfermedad.

    Dos semanas antes de este extraño episodio, Ferdinando, el hermano menor de Francesco, se había mudado a la villa de los Medici en Poggio a Caiano, en las afueras de Florencia.  Ferdinando era el sucesor natural de Francesco, y de hecho fue el último de los duques de Toscana después de la muerte de su hermano.  Sin embargo, Bianca tenía dos hijos de un matrimonio anterior y cabía la posibilidad de que el mayor de ellos fuese nombrado heredero del ducado.  Todas estas circunstancias hicieron surgir el rumor de que la muerte de Francesco y Bianca no había sido natural y que probablemente Ferdinando había urdido un letal plan para conservar su rica herencia.

    A finales del 2006, un equipo encabezado por Francesco Mari, de la Universidad de Florencia, encontró altos niveles de arsénico en restos de órganos atribuidos a Francesco, aunque esos niveles fueron relativamente bajos en muestras de hueso y cabello.  Este patrón, que es consistente con una exposición de corto plazo al arsénico, llevó a Mari y sus colegas a concluir que Francesco había muerto por envenenamiento y que posiblemente Ferdinando habría usado trióxido de arsénico, el llamado arsénico blanco, para asesinar a su hermano y su cuñada.

    El arsénico es probablemente el veneno más conocido, al menos en la mente de los asiduos lectores de las novelas policíacas y de intriga.  También es protagonista de una de las historias en El sistema periódico, el clásico libro de Primo Levi, en la que un zapatero se presenta en el modesto laboratorio de Levi en Turín para solicitar el análisis químico de una muestra de azúcar con la que, sospecha el zapatero, un competidor está tratando de envenenarlo con arsénico. En diferentes épocas se ha atribuido al arsénico la muerte de personajes como Napoleón y Simón Bolívar.  También se piensa que varios pintores impresionistas podrían haber sufrido envenenamiento crónico con arsénico por el uso del verde de París, un pigmento que contiene un compuesto de cobre y arsénico.

    El arsénico actúa a nivel celular inhibiendo el funcionamiento de enzimas clave en la captación de energía.  La disrupción de la función celular se manifiesta a nivel del organismo con desbalances en la concentración de iones de potasio y subsecuentes fallas en los órganos vitales.  En su forma aguda, el envenenamiento produce espectaculares episodios de vómito y diarrea, así como intensos dolores abdominales y sudoración fría.  Es fácil ver cómo un envenenamiento con arsénico puede confundirse con una malaria fulminante (o viceversa).  Como el arsénico tiene la capacidad de suplantar al fósforo en algunas moléculas y cambiar la química de esas moléculas, se convierte en un potente veneno para cualquier forma de vida.

    Hoy (2 de diciembre de 2010), la NASA ha anunciado el descubrimiento de un tipo de bacteria (llamada GFAJ-1) que no sólo es capaz de crecer perfectamente en un ambiente con alta concentración de arsénico, sino que incluso ha evolucionado para incorporar los átomos de arsénico en sus biomoléculas.  En el ambiente extremo del lago Mono, en California, la bacteria ha logrado incorporar el arsénico en las moléculas de DNA en los lugares normalmente ocupados por átomos de fósforo.  Se trata, sin ninguna exageración, de un tipo de molécula completamente nueva, no conocida en ningún otro organismo del planeta.  Como explica Felisa Wolfe-Simon, investigadora principal en el estudio, nos encontramos ante un organismo que abre una enorme serie de nuevas puertas para el estudio de la vida en la Tierra y fuera de ella.

    No se trata de una forma de vida extraterrestre, como algunos medios especularon durante la semana, pero sí es un tipo de organismo que demuestra la enorme versatilidad y capacidad de adaptación de la vida.  Si hay bacterias capaces de sobrevivir, y de hecho prosperar en un ambiente que resultaría absolutamente inhóspito para otros organismos, es perfectamente plausible la existencia de vida de algún tipo en los ambientes extremos de algunos de los planetas y satélites de nuestro sistema solar.  El descubrimiento también abre la puerta para especulaciones sobre la existencia de vida en alguno de los más de 500 planetas que se han descubierto recientemente fuera del sistema solar.

    El arsénico, ese poderoso veneno protagonista de tantas historias de muerte e intriga, resulta fundamental para la vida bacteriana en un lago de California.  Así como las pinturas impresionistas nos muestran en los vivos colores verdes un aspecto positivo del arsénico, los descubrimientos anunciados por la NASA nos proporcionan una perspectiva completamente nueva: el arsénico como componente imprescindible para un ser vivo.

    ¿Y realmente el arsénico mató a Francesco de Medici?  En septiembre de este año, Gino Fornaciari, de la Universidad de Pisa y sus colaboradores demostraron con métodos inmunológicos que Francesco estuvo expuesto a Plasmodium falciparum, el protozoario responsable de la malaria.  Los altos niveles de arsénico encontrados por el equipo de Mari podrían resultar de los químicos usados en el embalsamamiento del cuerpo del duque y no de un envenenamiento, en opinión de Fornaciari.  De acuerdo con este nuevo estudio, la muerte del duque de Toscana, y probablemente también la de su consorte, se debió a la malaria, tal como fue asentado por los médicos de la época.

    ACTUALIZACIÓN [1 DE MARZO 2019]
    El artículo sobre GFAJ-1 se publicó el 11 de junio de 2011 en la revista Science (ver Wolfe-Simon et al. 2011 en las referencias). De inmediato provocó severas críticas por no demostrar experimentalmente algunas de las afirmaciones fundamentales del trabajo, como la presencia misma del arsénico en las biomoléculas de la bacteria. Sin embargo, como estas críticas no se publicaron en revistas científicas sino en el blog técnico de la investigadora Rosie Redfield, la controversia continúo por algunos meses.

    El golpe final que terminó por desmentir el trabajo de Wolfe-Simon y colaboradores fue la demostración de que la incorporación de arsénico es letal para GFAJ-1, como sucede en todos los seres vivos, y que de hecho la bacteria puede sobrevivir en el ambiente extremo del lago Mono a través de mecanismos químicos que le permiten distinguir los fosfatos (PO4) de los arsenatos (AsO4) y emplear solo los primeros, aunque la concentración de arsénico sea muchísimo mayor que la de fósforo.  (Elias et al. 2012).

    Figuras

    1. Francesco I de Medici, Gran Duque de Toscana.
    2. Pintura de Paul Cézanne.  En la parte inferior se muestra (aproximadamente) el color verde de París.
    3. La bacteria GFAJ-1.  Foto NASA.

    Referencias

    Elias, M., et al.. (2012). The molecular basis of phosphate discrimination in arsenate-rich environmentsNature491(7422), 134.

    Fornaciari, F. et al. (2010) Plasmodium falciparum immunodetection in bone remains of members of the Renaissance Medici family (Florence, Italy, sixteenth century). Transactions of the Royal Society of Tropical Medicine and Hygiene 104:583-587.

    Mari, F. et al. (2006) The mysterious death of Francesco I de’ Medici and Bianca Cappello: an arsenic murder? British Medical Journal 333:1299-1301.

    Wolfe-Simon, F. et al. (2011) A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorusScience332 (6034): 1163–1166.

    2019: Año Internacional de la Tabla Periódica