lunes, 09 de diciembre del 2019 Fecha
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El Universo y la Vida

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física-química    ~    Comentarios Comments (0)

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Algunas veces, cuando pienso en lo que podría ser el árbol de la vida, me quedo con la convicción de que existen poderosas y excelentes razones para creer en un ancestro universal. Para empezar, todos los organismos vivos conocidos comparten un sistema físico y químico común. Los procesos metabólicos de la célula -cómo crece, qué moléculas hacen qué cosa y cuando, cómo se almacena y libera la energía, dónde se fabrican las proteínas y qué hacen- son siempre básicamente los mismos. El modo en que una célula registra la información genética y la reproduce es también común a toda la vida.

Quizás la evidencia más convincente de un ortigen común es que las instrucciones genéticas se ponen en práctica utilizando un código universal. Todo esto es, demasiado, para creer que estos rasgos complejos y altamente específicos surgieron muchas veces y de forma independiente. Más probable es que reflejen propiedades ya presentes en la célula ancestral universal y que fueron heredada por sus descendientes. ¿Vendrá de ahí las propiedades de la células madre?

Las células madre son células que tienen el potencial de convertirse en diferentes tipos de células . Las células madre pueden considerarse como células primitivas “no especializadas” que son capaces de dividirse y convertirse en células especializadas del cuerpo, como por ejemplo las células del hígado, las células musculares, células sanguíneas y otras células con funciones específicas

 

¿Por qué son importantes las células madre?

 

Las células madre representan una interesante área de la medicina debido a su potencial para regenerar y reparar el tejido dañado. Algunas de las terapias actuales, como el trasplante de médula ósea con el uso de células madre , por su potencial para la regeneración de tejidos dañados. Otras terapias están bajo investigación que consiste en trasplantar células madre en una parte del cuerpo dañada y dirigirlas a crecer y diferenciarse en tejido sano.

         Molécula de ADN

Si elevamos el aumento cien mil veces, el núcleo de un átomo de carbono se hinchará hasta llenar el campo de visión. Tales núcleos átomos se formaron dentro de una estrella que estalló mucho antes de que naciera el Sol. Si podemos aumentar aún más, veremos los tríos de quarks que constituyen protones y neutrones.

Otra evidencia a favor de un ancestro común procede de la curiosa cuestión del sentido de giro molecular, o quiralidad, como se conoce técnicamente. La mayoría de las moléculas orgánicas no son simétricas: sus imágenes especulares parecen diferentes, de la misma forma que una mano izquierda difiere de una mano derecha: : tienen “quiralidad opuesta”. Por ejemplo, el ADN está enrollado en una hélice a derechas, o destrógira; su imagen especular es una hélice a izquierdas, o levógira. Sin embargo,  las fuerzas que mantienen unidas las moléculas no hacen ninguna distinción entre izquierda y derecha. Ninguna ley de la Naturaleza prohíbe que las moléculas  de ADN sean levógiras, pero nadie ha encontrado una tofavía. Una misma quiralidad, ya sea izquierda o derecha, es común a todos mis seres vivos. Esto sugiere que toda la vida descendió de una única célula ancestral que contenía moléculas con las quiralidades concretas que hoy encontramos.

En 1953, Watson (izquierda) y Francis Crick (derecha). En 1962 ambos recibieron el Premio Nobel de Medicina por su trabajo.

Crick y Watson descubrieron que el ADN o ácido desoxirribonucleico, la base de nuestra herencia genética conocida como “la molécula de la vida”, está formada por una doble ´helice, como una escalera e caracol, compuesta de azúcares y fosfatos en sus dos lados, con “escalones” formados por parejas de bases nitrogenadas: adenina y timina, guanina y citosina, cada una de ellas, unida a una espiral.

El orden en que se encuentran estos pares a lo largo de la hélice, determina el mensaje genético que controla las características de cada individuo: sea éste un pino o un lirio, o, que en un ser humano,   su pelo sea rizado o tenga los ojos azules.
El ADN compone segmentos codificados o genes, que llevan las instrucciones hereditarias para elaborar las proteínas que gobiernan todos los procesos biológicos. Según algunos científicos, la espiral podría ser la forma más eficaz de agrupar material sin que se desordene por el espacio y, tal vez por eso, la molécula de ADN se envuelve sobre sí misma, guardando toda la información necesaria para la vida.

                                Mecánica Molecular

Los objetos vivientes tienden a estar en estructuras tensionadas. Esto implica una fuerte dependencia de las fibras para resistir, sostener, transmitir o generar fuerzas longitudinales, en la práctica estas son de forma de cables fibrosos formados por poroteinas y polisacaridos. En el mundo natural, tal como en el sintético, muchos materiales estructurales son compuestos de fibras reforzadas diseñados para resistir movimientos bruscos y usualmente combinan proteínas con polisacaridos. Un ejemplo es la combinación de chitin y  resilin de la cutícula de artropódos y otro el colágeno reforzado glicosaminoglicano geles de cartílago.
Pero comentemos un poco sobre el inicio de todo, es decir, sobre la fuente en la que se fundieron los materiales necesarios para la Vida.

 

 

 

 

La explosión de supernova provoca la expulsión de las capas externas de la estrella por medio de poderosas ondas de choque, enriqueciendo el espacio que la rodea con elementos pesados. Los restos eventualmente componen nubes de polvo y gas. Cuando el frente de onda de la explosión alcanza otras nubes de gas y polvo cercanas, las comprime y puede desencadenar la formación de nuevas nebulosas que originan, después de cierto tiempo, nuevos sistemas estelares (quizá con planetas, al estar las nebulosas enriquecidas con los elementos procedentes de la explosión).

En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es: H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe

¿Apreciáis la maravilla? Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente.

. ¿Qué hace que se den la consciencia y la inteligencia?

Qué hace que existan a la conciencia y la inteligencia, porque aunque sepamos multitud de cosas de los lugares más recónditos del universo, aún sabemos muy poco de lo que hay dentro de nuestra cabeza, y esas dos cosas son las que nos hacen ser lo que somos. Claro que, la primera incógnita científica que necesitamos resolver es la de apariencia más simple y la que más quebraderos de cabeza ha dado a la Física. ¿Qué es la gravedad? ¿Cómo se combina la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica? ¿Existe el gravitón? incognitas como estas existen muchas para que podamos llegar a entender el Universo. Si continuamos avanzando el saber del mundo, el día llegará que podamos entender muchas cosas ahora en las sombras de nuestra ignorancia.

La vida sin carbono

En algún momento de las próximas décadas descubriremos el primer planeta albergando vida. Pero seguramente será “parecida” a la nuestra; basada en enlaces de C y agua como medio. Pero; ¿podría existir un tipo de vida completamente diferente? ¿la reconoceremos cuando la veamos? ¿podría evolucionar hasta desarrollar inteligencia? Es posible, nada podemos negar sin tener el conocimiento de causa suficiente para ello pero…, mi impresión es que, toda la vida del Universo está basada en el Carbono. Muchos son los miles de millones de especies que han poblado la Tierra y, que sepamos, las que se fueron y las que aún están, todas ellas, sin excepción, en el Carbono estaban y están basadas. Si el Universo es igual en todas partes (¿cómo sería de otra maner?, esperémos que lo que pasó aquí, también habrá pasado allí, y allí y en aquel otro lugar.

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Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas. Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

Redes cristalinas del diamante que dan lugar a múltiples y variadas transformaciones a partir de un mismo elemento maravilloso: El Carbono.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc.; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte? Que en condiciones especiales llegó a evolucionar hasta nosotros. Es decir, hemos hecho un largo viaje desde los Quarks hasta los pensamientos.

Foto

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según decía en otras ocasiones, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

                          La Mano mágica de la Naturaleza puede convertir, lo inanimado, en lo que entendemos que es…¡La Vida!

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es , lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

                                                               Mineral Uranio

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

Hablemos un poco de moléculas.

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

                                                                          Moléculas Alfa

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencillas, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Es-Orbital s.png

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula. En las moléculas, la información, obviamente, debe abarcar todo el edificio, por lo que en principio parece que debería ser más rica que en los átomos. La ganancia de información equivale a una disminución de entropía; por esta razón, a la información se la llama también negantropía.

Hibridación

Metano CH4

metano CH4

Etano CH3CH3
etano CH3-CH3

Hibridación sp2

En la hibridación trigonal se hibridan los orbitales 2s, 2px y 2 py, resultando tres orbitales idénticos sp2 y un electrón en un orbital puro 2pz .

Un átomo de carbono hibridizado sp2

Un átomo de carbono hibridizado sp2

 El carbono hibridado sp2 da lugar a la serie de los alquenos.

La molécula de eteno o etileno presenta un doble enlace:

  1. un enlace de tipo σ por solapamiento de los orbitales hibridos sp2
  2. un enlace de tipo π por solapamiento del orbital 2 pz

El enlace π es más débil que el enlace σ lo cual explica la mayor reactividad de los alquenos, debido al grado de insaturación que presentan los dobles enlaces.

El doble enlace impide la libre rotación de la molécula.

orbitales moleculares del etileno

Modelo de enlaces de orbitales moleculares del etileno formado a partir de dos átomos de carbono hibridizados sp2 y cuatro átomos de hidrógeno.

Hibridación sp

 

Los átomos que se hibridan ponen en juego un orbital s y uno p, para dar dos orbitales híbridos sp, colineales formando un ángulo de 180º. Los otros dos orbitales p no experimentan ningún tipo de perturbación en su configuración.

Hibridación sp

Un átomo de carbono hibridizado sp

El ejemplo más sencillo de hibridación sp lo presenta el etino. La molécula de acetileno presenta un triple enlace:

a. un enlace de tipo σ por solapamiento de los orbitales hibridos sp
b. dos enlaces de tipo π por solapamiento de los orbitales 2 p.

etino

Formación de orbitales de enlaces moleculares del etino a partir de dos átomos de carbono hibridizados sp y dos átomos de hidrógeno.

Todo esto nos puede llevar a pensar que la Naturaleza se vale de diveros caminos para construir, de una manera que a nosotros nos puede parecer mágica, primero, a partir de los elementos más simples, otros más complejos y, para ello, se vale de las estrellas, único lugar en el que es posible llevar a cabo esa transisición de fase de la materia. Más tarde, entran en juego otras fuerzas y otras leyes para que, desde la materia inerte, se confromen las condiciones precisas para que pueda surgir las primeras condiciones que den lugar, con el paso del tiempo y la evolución, a lo que conocemos como vida, sea esta inteligente o no.

Y, aunque el Carbono no es el único material idóneo para conformar la vida (otros son similares y podrían tener condiciones y alguna posibilidad), lo cierto es que, por sus específicas características, si parece que es el más adecuado para que sea la base biológica de la vida. Y, por todo lo que al principio hemos dicho, no sería absurdo pensar que, la Vida en el Universo tenga lazos comunes que vienen dados por la memoria gravada en la materia que la conforma. Lo cierto es que, estamos inmersos en grandes misterios que, no siempre podemos comprender.

¡Nos esperan muchas sorpresas!

Salvo mejor parecer.

 


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