‘Oumuamua (1I / 2017 U1) es el primer objeto de origen interestelar observado en el sistema solar. Recientemente, Micheli et al. (2018) informaron que ‘Oumuamua mostró desviaciones de una órbita Kepleriana en una alta importancia estadística. El descubrimiento del objeto asteroide interestelar (ISA) —1I/2017 ‘Oumuamua –  Suscitó preguntas naturales sobre su origen, algunas relacionadas con su falta de actividad cometaria, lo que sugiere una composición refractaria. Esta semana se ha puesto de moda, por lo que platicaremos un poco sobre la información que se tiene. Las referencias se encuentran al final de la entrada, una vez más, gracias por visitar.

El 19 de octubre de 2017, el Telescopio de Inspección Panorámica y el Sistema de Respuesta Rápida-1 (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System-1 o Pan-STARRS-1) en Hawaii anunció la primera detección de un asteroide interestelar, llamado 1I/2017 U1 (Popularmente conocido como ‘Oumuamua). En los meses que siguieron, se realizaron múltiples observaciones de seguimiento que permitieron a los astrónomos tener una mejor idea de su tamaño y forma, mientras que también reveló que tenía las características de un cometa y un asteroide.

Curiosamente, también ha habido algunas especulaciones de que, en función de su forma, “‘Oumuamua podría ser realmente una nave espacial interestelar (Breakthrough Listen lo monitorizó en busca de señales de señales de radio). Un nuevo estudio realizado por un par de astrónomos del Centro Smithsonian de Astrofísica de Harvard (Harvard Smithsonian Center for Astrophysics –CfA) lo ha llevado un paso más allá, lo que sugiere que ‘Oumuamua puede ser en realidad una vela ligera de origen extraterrestre.

El estudio, “¿Podría la presión de la radiación solar explicar la ‘Aceleración peculiar de ‘Oumuamua?” (Could Solar Radiation Pressure Explain ‘Oumuamua’s Peculiar Acceleration?), que apareció recientemente en línea, fue realizado por Shmuel Bialy y el Prof. Abraham Loeb. Mientras que Bialy es un investigador postdoctoral en el Instituto de Teoría y Computación (Institute for Theory and Computation – ITC) de CfA, el Prof. Loeb es el director del ITC, Frank B. Baird Jr. Professor of Science en la Universidad de Harvard y el presidente principal de Breakthrough Starshot Advisory Committee.

Recapitulando, ‘Oumuamua fue visto por primera vez por Pan-STARRS-1 40 días después de que hizo su pase más cercano al Sol (El 9 de septiembre de 2017). En este punto, estaba a aproximadamente 0.25 UA del Sol (Un cuarto de la distancia entre la Tierra y el Sol), y ya estaba saliendo del Sistema Solar. En ese momento, los astrónomos notaron que parecía tener una alta densidad (Indicativa de una composición rocosa y metálica) y que estaba girando rápidamente.

Si bien no mostró signos de desgasificación al pasar cerca de nuestro Sol (Lo que habría indicado que era un cometa), un equipo de investigación pudo obtener espectros que indicaban que “‘Oumuamua estaba más helado de lo que se pensaba”. Luego, cuando comenzó a abandonar el Sistema Solar, el Telescopio Espacial Hubble tomó algunas imágenes finales de ‘Oumuamua que reveló algún comportamiento inesperado.

Después de examinar las imágenes, otro equipo de investigación internacional descubrió que ‘Oumuamua había aumentado en velocidad, en lugar de disminuir, tal como se esperaba. La explicación más probable, afirmaron, era que “‘Oumuamua estaba descargando material de su superficie debido al calentamiento solar (También conocido como desgasificación)”. La liberación de este material, que es consistente con la forma en que se comporta un cometa, le daría al ‘Oumuamua el empuje constante que necesitaba para lograr este aumento de velocidad.

A esto, Bialy y Loeb ofrecen una contra explicación. Si ‘Oumuamua era en realidad un cometa, ¿Por qué entonces no experimentó desgasificación cuando estaba más cerca de nuestro Sol? Además, citan otras investigaciones que mostraron que si la desgasificación fuera responsable de la aceleración, también habría provocado una rápida evolución en el giro de ‘Oumuamua (Que no se observó).

Básicamente, Bialy y Loeb consideran la posibilidad de que ‘Oumuamua podría ser, de hecho, una vela ligera, una forma de nave espacial que depende de la presión de radiación para generar propulsión, similar a lo que está trabajando en el Breakthrough Starshot. Similar a lo que está previsto para Starshot, esta vela ligera puede ser enviada desde otra civilización para estudiar nuestro Sistema Solar y buscar signos de vida. Como lo explicó el profesor Loeb:

“Explicamos el exceso de aceleración de ‘Oumuamua lejos del Sol como resultado de la fuerza que la Luz del Sol ejerce sobre su superficie. Para que esta fuerza explique el exceso de aceleración medida, el objeto debe ser extremadamente delgado, del orden de una fracción de milímetro de espesor, pero de decenas de metros de tamaño. Esto hace que el objeto sea liviano para su área de superficie y le permite actuar como una vela ligera. Su origen podría ser natural (En el medio interestelar o discos protoplanetarios) o artificial (Como una sonda enviada para una misión de reconocimiento en la región interior del Sistema Solar)”.

Basándose en esto, Bialy y Loeb calcularon la probable forma, el grosor y la relación masa-área que tendría un objeto tan artificial. También intentaron determinar si este objeto podría sobrevivir en el espacio interestelar, y si podría o no resistir las tensiones de tracción causadas por la rotación y las fuerzas de marea.

Lo que encontraron fue que una vela que solo tenía una fracción de milímetro de espesor (0.3-0.9 mm) sería suficiente para que una lámina de material sólido sobreviviera el viaje a través de toda la galaxia, aunque esto depende en gran medida de la densidad de masa de ‘Oumuamuam. Gruesa o delgada, esta vela podría soportar colisiones con granos de polvo y gas que impregnan el medio interestelar, así como fuerzas centrífugas y de marea.

En cuanto a lo que estaría haciendo una vela ligera extraterrestre en nuestro Sistema Solar, Bialy y Loeb ofrecen algunas explicaciones posibles para eso. Primero, sugieren que la sonda puede ser realmente una vela difunta que flota bajo la influencia de la gravedad y la radiación estelar, similar a los desechos de los naufragios de barcos que flotan en el océano. Esto ayudaría a explicar por qué Breakthrough Listen no encontró evidencia de transmisiones de radio.

Loeb ilustró aún más esta idea en un artículo reciente que escribió para Scientific American, donde sugirió que “‘Oumuamua podría ser el primer caso conocido de una reliquia artificial que flotaba en nuestro Sistema Solar desde el espacio interestelar. Además, señala que las velas ligeras con dimensiones similares han sido diseñadas y construidas por humanos, incluido el proyecto IKAROS) diseñado por los japoneses y la Starshot Initiative con la que está involucrado.

“Esta oportunidad establece una base potencial para una nueva frontera de la arqueología espacial, a saber, el estudio de las reliquias de civilizaciones pasadas en el espacio”, escribió Loeb. “Encontrar evidencia de basura espacial de origen artificial proporcionaría una respuesta afirmativa a la antigua pregunta: ¿Estamos solos? Esto tendría un impacto dramático en nuestra cultura y agregaría una nueva perspectiva cósmica a la importancia de la actividad humana “.

Por otro lado, como menciona Loeb ‘Oumuamua podría ser una pieza activa de tecnología alienígena que vino a explorar nuestro Sistema Solar, de la misma manera que esperamos explorar Alpha Centauri utilizando Starshot y tecnologías similares:

“La alternativa es imaginar que ‘Oumuamua estaba en una misión de reconocimiento. La razón por la que contemplo la posibilidad de reconocimiento es que la suposición de que ‘Oumumua siguió una órbita aleatoria requiere la producción de ~10^{15} tales objetos por estrella en nuestra galaxia. Esta abundancia es hasta cien millones de veces más de lo que se espera del Sistema Solar, según un cálculo que hicimos en 2009. Una sobreabundancia sorprendentemente alta, a menos que ‘Oumuamua sea una investigación específica en una misión de reconocimiento y no sea miembro de una población aleatoria de objetos.”

Según Loeb, también está el hecho de que la órbita de ‘Oumuamua la llevó a 0.25 UA del Sol, que es una buena órbita para interceptar la Tierra sin experimentar demasiada radiación solar. Además, llegó a 0.15 UA de la Tierra, lo que podría haber sido el resultado de correcciones orbitales diseñadas para facilitar un sobrevuelo.

Alternativamente, afirma que es posible que se envíen cientos de estas sondas para que una de ellas se acerque lo suficiente a la Tierra para estudiarla. El hecho de que Pan STARRS-1 apenas detectó ‘Oumuamua en su enfoque más cercano podría ser visto como una indicación de que hay muchos otros objetos similares que no fueron detectados, lo que refuerza el caso de que ‘Oumuamua sea una de muchas de esas sondas.

Teniendo en cuenta que los astrónomos concluyeron recientemente que nuestro Sistema Solar probablemente ha capturado miles de objetos interestelares como ‘Oumuamua, esto abre la posibilidad de futuras detecciones que podrían ayudar a probar (O refutar) el caso de una vela ligera interestelar.

Naturalmente, Bialy y Loeb reconocen que todavía hay demasiadas incógnitas para decir con certeza qué es realmente ‘Oumuamua. E incluso si resulta que es una pieza de roca natural, todos los demás asteroides y cometas que se han detectado anteriormente tienen proporciones de masa a área de magnitud mayor que las estimaciones actuales para ‘Oumuamua.

Eso, y el hecho de que la presión de radiación parece ser capaz de acelerarla, significaría que ‘Oumuamua representa una nueva clase de material interestelar delgado que nunca antes se había visto. Si es verdad, eso abre un nuevo conjunto de misterios, por ejemplo, cómo se produjo ese material y por qué (¿O quién?).

Si bien ha estado fuera del alcance de nuestros telescopios durante casi un año, ‘Oumuamua seguramente seguirá siendo objeto de un intenso estudio durante muchos años. ¡Y puedes apostar que los astrónomos estarán atentos a más!

Referencias

Breakthrough Initiatives

Breakthrough Listen

Breakthrough listen releases initial results and data from observations of ‘Oumuamua

Breakthrough Starshot Initiative

Small Solar Power Sail Demonstrator “IKAROS”

JAXA Japan Aerospace Exploration Agency Website

Could Solar Radiation Pressure Explain ‘Oumuamua’s Peculiar Acceleration?

Shmuel Bialy, Abraham Loeb

How to Search for Dead Cosmic Civilizations

Abraham Loeb

Non-gravitational acceleration in the trajectory of 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)

Micheli et al. (2018)

Spin Evolution and Cometary Interpretation of the Interstellar Minor Object 1I/2017 ‘Oumuamua

Roman R. Rafikov

En la entrada anterior, observamos qué tipos de lecciones familiares de la vida terrestre podrían decirnos sobre cómo podría ser un Extraterrestre. Estas observaciones no pretendían ser exhaustivas, ya que se basaban en un rango muy limitado de bioquímica. Los animales que respiran oxígeno y convierten la glucosa en energía y las plantas que convierten la luz solar ni siquiera abarcan el rango de la bioquímica observada aquí en la Tierra, y mucho menos el rango de lo posible. Hay criaturas en la Tierra que usan metano para existir y otras que extraen energía puramente de sustancias químicas, en lugar de explotar (directa o indirectamente) la luz del sol.

Luego está la respiración y la fermentación con azufre, solo por nombrar algunas alternativas. Al final de esta entrada, hablaremos sobre formas más “exóticas” de la vida en la Tierra. Nuestro verdadero interés se centra en los extraterrestres que podrían visitar nuestro planeta, pero su historia está inextricablemente ligada a la cuestión de la vida extraterrestre no alienígena. Uno debe tener el segundo para tener el primero. En consecuencia, pasaremos un tiempo explorando lo que sabemos sobre la vida extraterrestre y las limitaciones impuestas a dicha vida por consideraciones simples de la química y la ley física.

El lector debe saber que cualquier escrito sobre este tema está destinado a ser incompleto. Como señaló el popular ensayista científico y genetista pionero JBS Haldane en su libro de 1927 Possible Worlds and Other Essays, “El Universo no solo es más extraño de lo que suponemos, sino más extraño de lo que podemos suponer”. Es bastante razonable suponer que el universo ‘tiene’ un truco o dos en la manga y nos sorprenderá más de una vez. Aun así, podemos hablar sobre lo que sabemos sobre la química relevante. Si nada más, aprenderemos cuáles son las consideraciones importantes para la astrobiología moderna.

¿Qué es la vida?

Esta pregunta es aparentemente tan simple, y, sin embargo, ha molestado a algunos de los científicos y filósofos más conocedores durante décadas. Aunque apenas es la primera vez que escribe sobre el tema, el libro de 1944 del físico Erwin Schrödinger (Si, el del famoso gato) What Is life? es uno de esos ejemplos. Es un intento inicial interesante de utilizar las ideas de la física moderna para abordar la cuestión. Tanto James Watson como Francis Crick, co-descubridores del ADN, acreditaron este libro como una inspiración para su investigación posterior.

La definición de vida aún no está resuelta. Los científicos modernos han logrado enumerar una serie de características críticas que parecen identificar la vida. Un ser vivo debería tener la mayoría, si no todas, de las siguientes características:

• Debe ser capaz de regular el entorno interno del organismo.
• Debe poder metabolizar o convertir la energía para cumplir las tareas necesarias para la existencia del organismo.
• Debe crecer convirtiendo energía en componentes del cuerpo.
• Debe ser capaz de adaptarse en respuesta a los cambios en el entorno.
• Debe ser capaz de responder a los estímulos.
• Debe poder reproducirse.

Estas características lo distinguen de la materia inanimada.

Si bien estas propiedades pueden ayudarlo a identificar la vida cuando la encuentra, en realidad no nos dan una idea de las limitaciones impuestas por el universo sobre cómo sería la vida. El propósito de esta entrada es tener una idea de si un posible escritor de ciencia ficción es ridículo cuando basa su historia en un extraterrestre con huesos hechos de oro y sodio líquido en busca de sangre. Entonces, ¿qué nos dice nuestro mejor entendimiento actual que la vida requiere? Una combinación de teoría y experimentación sugiere que hay cuatro requisitos cruciales para la vida. Ellos están (En orden decreciente de certeza):

• Un desequilibrio termodinámico;
• Un entorno capaz de mantener enlaces interatómicos covalentes durante largos períodos de tiempo;
• Un ambiente líquido; y
• Un sistema estructural que puede apoyar la evolución Darwiniana.

El primero es esencialmente obligatorio. La energía no impulsa el cambio, sino que las diferencias de energía son la fuente del cambio. El “desequilibrio termodinámico” simplemente significa que hay lugares de mayor energía y menor energía. Esta diferencia establece un flujo de energía, que los organismos pueden aprovechar para sus necesidades. No es fundamentalmente diferente de cómo funciona una planta de energía hidroeléctrica: hay un lugar donde el agua es profunda (alta energía) y un lugar donde el agua es poco profunda (baja energía).

Así como el flujo de agua de un lado de la presa al otro puede convertir una turbina para generar electricidad o un molino para moler grano, un organismo explotará una diferencia de energía para hacer los cambios que necesita para sobrevivir.

El segundo requisito es esencialmente nada más que decir que la vida está hecha de átomos, unidos en moléculas más complejas. Estas moléculas deben estar unidas lo suficiente como para ser estables. Si las moléculas se caen constantemente, es difícil imaginar que esto dé como resultado una forma de vida sostenible. Es este requisito el que establece algunas restricciones sobre qué átomos juegan un papel importante en la composición de cualquier vida. Espero que después de esta discusión, comprenda la razón de la frase frecuentemente repetida en ciencia ficción “forma de vida basada en el carbono”.

El requisito número tres es menos, digamos, crucial, sin embargo, es difícil imaginar la evolución de la vida en un entorno que no es líquido. Los átomos no se mueven fácilmente en un entorno sólido y un entorno gaseoso implica densidades mucho más bajas y puede transportar una cantidad mucho menor de los átomos necesarios para construir bloques y nutrición. Los líquidos pueden disolver sustancias y moverlas fácilmente.

Finalmente, el cuarto requisito podría no ser necesario para la vida extraterrestre, pero es crucial para los alienígenas. Ciertamente, la vida multicelular o su equivalente no será la primera forma de vida que se desarrolle. La primera forma de vida que se desarrolla será de una forma análoga a los organismos unicelulares de la Tierra (en realidad, lo más probable es que sea más simple… después de todo, los organismos unicelulares modernos ya son bastante complejos). Para formar especies con una complejidad creciente, pequeños cambios en el organismo serán necesarios. La evolución darwiniana es el proceso mediante el cual una criatura se crea con diferencias de sus padres. Lo primero que es necesario es que el organismo sobreviva al cambio. Después de todo, si el cambio lo mata, es el final del camino para ese individuo. Una vez que hay cambios que permiten que el organismo hijas sobreviva y posiblemente confiera propiedades diferentes, los procesos de selección se vuelven importantes. Las criaturas que posteriormente se reproducen de manera más efectiva crecerán gradualmente en población hasta que dominen su nicho ecológico.

Entonces, hablemos de estas ideas con un poco más de detalle.

Desequilibrio Termodinámico

La consideración más importante para cualquier forma de vida es la necesidad de un desequilibrio termodinámico. Esta bocanada de una idea es simultáneamente intuitiva y contra-intuitiva.

Si le dices a alguien que la energía es necesaria para la vida, es probable que no tengas ningún argumento. Las plantas absorben la luz solar, las personas comen; la necesidad de energía es evidente. Sin embargo, la realidad es un poco más sutil. La energía tiene un significado técnico en la ciencia. La energía se puede encontrar en una bola lanzada, una primavera en espiral y una barra de dinamita.

Sin embargo, lo que la vida necesita no es energía, sino más bien una diferencia de energía. Si la energía es la misma en todas partes, esto no es útil. Lo que es útil son las diferencias de energía. Para ilustrar esta sutil diferencia, considere un depósito de agua retenido por una presa.

En el lado del agua, todo es igual. Mientras la presión cambia con la profundidad, la uniformidad evita que el agua se mueva. Tiende a quedarse. Sin embargo, el agua tiene un tipo de energía que los científicos llaman “energía potencial”. (La energía potencial es el tipo de energía en la que algo se movería si lo permitimos, como cómo se movería el agua si rompiéramos la presa o cómo volaría una flecha de un arco estirado si se soltara la cuerda.)

Ahora imagina que hay un agujero en el fondo de la presa. El agua saldría del lado del agua hacia el lado del aire. De hecho, así es como funcionan las centrales hidroeléctricas. El agua en movimiento enciende una turbina, que genera energía eléctrica.

El punto crucial aquí es que una diferencia de energía (y un flujo posterior de alta energía a menor energía) es fundamental para la creación de energía eléctrica y que esto es cierto en un sentido más general. Esto es lo que queremos decir cuando decimos “desequilibrio termodinámico”. Termodinámica significa energía y desequilibrio significa “no igual” o diferente.

La vida funciona de la misma manera. Las diferencias de energía permiten que la energía fluya y realice los tipos de cambios que permiten la existencia de la vida. De por vida, es importante poder almacenar estas diferencias de energía para usar cuando sea conveniente. De esta forma, un organismo puede moverse, llevando consigo su fuente de energía. Esto proporciona protección contra las situaciones aleatorias que podrían restringir el acceso a la energía.

Para tener una idea de por qué esto es importante, considere una hipotética vaca alienígena que tiene que comer constantemente para sobrevivir. Si la vaca existe en un área siempre creciente y siempre presente de pasto extraño, no hay problema. Sin embargo, imagina una sequía. Con la muerte de la hierba, la vaca moriría inmediatamente, incapaz de moverse a un nuevo parche de hierba. O imagine una planta que usa la luz solar como la de la Tierra, pero que no puede almacenar energía. Viviría durante el día, pero moriría cada noche. Sin una fuente de energía garantizada e interminable, la vida de estas formas es muy vulnerable. El almacenamiento de energía es necesario para que exista la vida.

Parece probable que la vida hecha de átomos (como lo somos nosotros) debe explotar el almacenamiento de energía en las moléculas. Ciertos átomos se pueden combinar con la energía disponible (como hacen las plantas con la luz solar). Más tarde, la energía puede extraerse convirtiendo moléculas que contienen mucha energía en energías más bajas y usando la energía extra para vivir. Hacemos esto cuando comemos una galleta y metabolizamos azúcares o grasas. Quizás un ejemplo aún más intuitivo de esto sería cuando quemamos madera. La celulosa se combina con el oxígeno a través de una serie de reacciones químicas, dando como resultado el dióxido de carbono y el agua. Sabemos que un fuego libera calor, ese es típicamente el punto del fuego después de todo, pero lo que no es tan obvio es que lo que estamos viendo cuando tostamos nuestros malvaviscos es la transformación de moléculas con mucha energía almacenada en sus enlaces en unos con menos energía.

Las restricciones impuestas por los átomos

Los científicos saben mucho sobre química, cómo interactúan los átomos y las propiedades de la materia que forman. Sin duda, este conocimiento puede decirnos mucho sobre qué elementos son cruciales para la vida. Somos “formas de vida basadas en carbono”, como bien dicen en la ciencia ficción. Pero la ciencia ficción también habla de otras posibilidades. The Horta en el episodio de Star Trek “The Devil in the Dark” era una forma de vida construida alrededor del átomo de silicio. Los Oustsiders de Larry Nivens de su serie Known Space tienen una bioquímica que incluye helio líquido. Dada la imaginación de los escritores de ciencia ficción, tanto profesionales como aficionados, podría imaginar que sentarse en el cajón de alguien es una historia sobre el encuentro de la humanidad con una raza inteligente, con huesos de platino y sangre de oro fundido, que excreta diamantes. (Si alguien roba esa idea y escribe una historia, quiero parte de las regalías.) Entonces, ¿qué nos dice la ciencia sobre el rango de combinaciones atómicas que es físicamente posible? Para eso, tenemos que pensar en algunos requisitos moleculares simples de la vida.

La vida no puede existir sin átomos que se combinan para formar moléculas más complejas. Por lo tanto, la forma en que estos átomos se interconectan es una consideración crucial. Si bien puede ser obvio que las reglas de la química son un aspecto definitorio de cualquier forma de vida, esa afirmación es bastante vaga. De hecho, podemos hacerlo mejor y analizar a continuación algunas consideraciones detalladas.

Por ejemplo, la vida extraterrestre (Y especialmente la vida alienígena) requerirá una química compleja. Los productos químicos que realizan tareas análogas a nuestros carbohidratos, proteínas, ADN, etc., tendrán que formar moléculas formadas por muchos átomos que se entrelazan. Entonces, dos consideraciones importantes en la química de la vida serán identificar átomos que (1) puedan hacer muchas conexiones con átomos vecinos y (2) puedan hacer conexiones suficientemente fuertes para que las moléculas sean estables.

Los estudiantes de química han requerido durante mucho tiempo aprender sobre las valencias, que es esencialmente la cantidad de enlaces que el átomo de un elemento en particular puede formar. Para hacer moléculas complejas, un átomo tendrá que poder conectarse a muchos átomos cercanos. Esto puede hacerse increíblemente claro al considerar los elementos de gas noble (helio, neón, argón, etc.) que habitan en la columna de la derecha de la siguiente figura. Estos elementos no interactúan con otros átomos. Cada átomo de los elementos nobles está solo. Simplemente no participan en química en absoluto. En consecuencia, podemos estar seguros de que estos elementos no juegan un papel sustancial en el metabolismo de ninguna forma de vida y ciertamente no tienen un rol estructural en ninguna forma de vida.

Entonces podemos considerar la columna inmediatamente a la izquierda de los elementos nobles. Esta columna, que incluye hidrógeno, flúor y cloro, consiste en átomos que pueden formar un enlace con un átomo vecino. Dado que todos estos elementos actúan de manera similar, podemos ilustrar el punto considerando solo el hidrógeno. Es como una habitación llena de gente con un solo brazo. Pueden tomarse de la mano con solo una persona más a la vez. En un mundo en el que el hidrógeno es un componente básico de la vida, solo puedes crear moléculas muy simples, específicamente las que consisten en dos átomos idénticos. Si el hidrógeno puede formar solo un enlace, entonces un átomo de hidrógeno se une a un segundo átomo. Ambos átomos forman un enlace simple y el resultado es una molécula de dos átomos, como se muestra en la siguiente figura. Esto es cierto para todos los elementos en esa columna.

Moviendo una columna hacia la izquierda, encontramos los elementos de dos enlaces. El ejemplo más ligero de estos átomos es el oxígeno. Dado que el oxígeno puede formar dos enlaces, puede tomar dos átomos de hidrógeno. Así es como se forma el agua, con un oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Invocando nuestro ejemplo de los brazos, el oxígeno es un elemento de dos brazos. Puede sostenerse con dos átomos de hidrógeno o sostener dos manos con otro átomo de oxígeno. Moviéndonos de nuevo una columna hacia la izquierda, encontramos los elementos de tres enlaces. De manera similar, un átomo de nitrógeno se puede conectar con tres átomos de hidrógeno y producir amoníaco.

Sin embargo, la columna que permite las estructuras moleculares más intrincadas es la de carbono. El carbono y otros elementos en esa columna pueden formar cuatro enlaces. Continuando con nuestra exploración de la unión con el hidrógeno, un átomo de carbono unido con cuatro átomos de hidrógeno forma una molécula de metano. En nuestra analogía de brazos, el nitrógeno tiene tres brazos, mientras que el carbono tiene cuatro.

El carbono (Como cualquier átomo) puede conectarse con más que simplemente átomos de hidrógeno. Se puede combinar con otros átomos de carbono, así como con todos los otros átomos de la tabla periódica. Eso sí, esto también es cierto para las columnas de nitrógeno y oxígeno, pero es la capacidad de crear cuatro enlaces lo que permite que se creen las moléculas más complejas. La siguiente figura da una idea de los tipos de estructuras que están disponibles cuando uno tiene átomos que tienen muchas posibilidades de vinculación. Estas son las moléculas de Vida en la Tierra.

Ahora probablemente ya te hayas adelantado y pensado: “¿Y qué hay de los otros elementos en esa columna?” Después de todo, el silicio también puede formar cuatro enlaces atómicos. ¿Es posible la vida basada en silicio?

Ciertamente, los átomos de silicio pueden componer moléculas complejas; sin embargo, la situación es más difícil que simplemente reemplazar los átomos de carbono por los de silicio. Como un simple ejemplo, considere el dióxido de carbono común que exhalamos al respirar. El dióxido de carbono es un gas, que facilita el transporte del fluido (Es decir, la sangre) en nuestros cuerpos. Por el contrario, el dióxido de silicio es un sólido, conocido por el nombre más común de “arena”. Volveremos a la vida basada en el silicio al final de esta entrada.

Fuerza de los Enlaces

Si bien la cantidad de enlaces en los que puede participar un átomo es una consideración muy importante, de igual importancia es la fuerza de los enlaces. El mundo molecular y atómico es un lugar frenético, con el movimiento constante como norma. Debido al simple calor, los átomos vibran, rebotan entre sí y sufren un flujo continuo de colisiones. Si los enlaces no son lo suficientemente fuertes, estas colisiones atómicas y moleculares podrían destrozar las moléculas de la vida, al igual que un tackle duro en el fútbol americano puede causar un balón suelto. Sin un entorno molecular estable, seguramente no podría existir vida.

Podemos entender este punto de una manera visual al considerar uno de esos programas de televisión del tipo Reality donde se presentan con competiciones ridículas. Supongamos que este espectáculo se llama “Unión” y el punto es que dos personas están unidas de alguna manera y deben permanecer juntas durante toda la temporada. Si su conexión falla, son descalificados. Supongamos que una pareja está atada con hilo de coser común, mientras que otra está conectada con el tipo de cuerda que utilizan los alpinistas. No se necesita mucha imaginación para darse cuenta de que la pareja conectada por un hilo tiene una seria desventaja. Solo en el día a día de la vida, caminar, cepillarse los dientes, dormir, etc., algo va a romper ese hilo. Por el contrario, hay muy poco que la pareja de cuerdas encontrará que hará que se separen.

Hay un par de formas en que los átomos se pueden unir, pero el más fuerte se denomina “enlace covalente”. En un enlace covalente, algunos de los electrones en cada átomo individual se comparten entre los dos átomos. En cierto sentido, los dos átomos se fusionan en una sola unidad molecular. Y estos enlaces son realmente fuertes. Para dar una sensación de escala, dos átomos de hidrógeno se pueden unir de esta manera para formar una molécula de hidrógeno. La unión es tan fuerte que, si tomara gas hidrógeno a temperatura y presión ambiente, necesitaría un volumen de gas del tamaño de la galaxia de la Vía Láctea para tener un 50% de probabilidad de separar una molécula en sus dos átomos constituyentes. Estas moléculas son realmente difíciles de romper. Si no lo fueran, un volumen que contenga tantos átomos tendría muchas moléculas rotas.

Volviendo a la pregunta de qué átomos es más probable que tengan un papel importante en la vida, podemos preguntarnos si los diferentes elementos pueden formar enlaces más fuertes o más débiles. Resulta que los elementos de menor masa pueden formar enlaces mucho más fuertes que los más pesados. La razón es un poco sutil, pero afortunadamente no es demasiado difícil de entender. Todo se reduce al grado en que los átomos se superponen entre sí. La fracción más grande de superposición, más esos dos electrones se comparten y más fuerte es el vínculo. Este punto se ilustra en la siguiente figura.

Esta figura se simplifica, pero tiene algunas características valiosas. Los átomos consisten en un núcleo y luego un enjambre de electrones alrededor del exterior. Los electrones más cercanos al núcleo (O en los estados de energía más bajos, si has tomado una clase de química) no están generalmente disponibles para formar enlaces, mientras que los pocos electrones externos sí lo están. En la figura anterior, he elegido representar la porción central del átomo, que no interactúa, como un punto negro. El círculo blanco exterior está destinado a representar los electrones disponibles para formar enlaces. Notarás que está dibujado un átomo pequeño y grande. Para ambos átomos, el grosor del área blanca es el mismo. Luego gráficamente hay moléculas conectando dos átomos. Hasta cierto punto, se puede decir que los átomos comparten los electrones en la región entre los dos átomos donde las áreas blancas se superponen. Esta región de superposición se indica en gris. Ahora compare la región gris con la región blanca en moléculas de átomos pequeños y átomos grandes. Usted observa que en las moléculas de átomos pequeños que el área gris es una fracción más grande del área blanca. Los átomos más pequeños comparten sus electrones con sus vecinos una fracción mayor del tiempo, que es la base para los enlaces mucho más fuertes en los elementos más ligeros.

Estas simples consideraciones muestran por qué es de alguna manera natural que la vida se forme de carbono. El carbono puede formar cuatro enlaces fuertes con los átomos vecinos, lo que permite la formación de moléculas complejas. Otros átomos ligeros no pueden formar la mayor cantidad de enlaces, reduciendo la complejidad de la posible química, mientras que otros átomos pesados no pueden formar un enlace tan fuerte, lo que reduce la probabilidad de que las moléculas sean estables. El carbono es un elemento óptimo para la química molecular compleja.

Tal vez no sea sorprendente que las formas de vida basadas en el carbono concluyan que el carbono es una base ideal para formar la vida. Esto se llama “chauvinismo del carbono”. Volveremos a este punto cuando hayamos terminado nuestra descripción general de los componentes importantes de la vida y consideremos la química alternativa.

Oxígeno

Toda la vida multicelular en la Tierra usa oxígeno como parte de su sistema de respiración, aunque esto no es verdad en todas las formas de vida. El papel del oxígeno es que es un receptor de electrones. El movimiento de los electrones es la fuente de la energía de la vida, por lo que un elemento que puede aceptar electrones está facilitando el flujo de energía. El oxígeno es un aceptador superlativo de electrones.

¿El uso de oxígeno es una característica necesaria de la vida en el universo? Bueno, la respuesta es claramente no, dado que sabemos de la vida en la Tierra que usa otras sustancias para respirar. De hecho, estamos bastante seguros de que las primeras formas de vida en la Tierra habrían muerto por la presencia de oxígeno. Entonces, ¿qué pasa con el oxígeno y por qué se ha convertido en una presencia tan ubicua en la Tierra ahora? ¿El uso universal del oxígeno por la vida de la Tierra multicelular significa que la respiración de oxígeno es universal?

No lo hace, por supuesto, pero vale la pena pasar un poco de tiempo aprendiendo sobre los elementos esenciales del papel del oxígeno en la historia de la vida en la Tierra. No sabemos mucho sobre la primera vida en la Tierra. La vida se formó y muchas especies evolucionaron y se volvieron más complejas. Como es habitual con la evolución, algunas especies prosperaron, mientras que otras se extinguieron. Se cree que uno de estos organismos complejos es el padre de todas las especies existentes, mientras que los otros se extinguieron. Este ser padre se llama el último ancestro común universal, o LUCA (En inglés, Last Universal Common Ancestor). En la siguiente figura se muestra un árbol genealógico que muestra cómo la vida podría haberse ramificado.

Trabajando hacia atrás desde hoy, los biólogos están bastante seguros de que la humanidad comparte un ancestro común con los chimpancés. Ese ancestro común compartió un ancestro aún anterior con otros primates. Los primates compartieron un ancestro común con otros mamíferos. Retrocediendo en el tiempo, ahora creemos que cada uno de los dominios, reinos, phyla, clases, etc. Ya mencionados en la entrada anterior se originó a partir de un ancestro común, cuyos descendientes variaron ligeramente y en consecuencia pusieron en movimiento las diferencias físicas y biológicas que se observan ahora en estas diferentes divisiones de la vida. Cada uno de los dominios de Prokarya, Eukarya y Archaea tenían un ancestro común diferente, aunque la investigación moderna sugiere que Eukarya se formó por una mezcla de ancestros anteriores de Archaea y Prokarya.

Llevando el patrón un paso más allá, se presume que había un organismo que fue el antepasado de todas las formas de vida en la Tierra. Ahora bien, este antepasado (el último ancestro común universal, o LUCA, mencionado anteriormente) no fue la primera forma de vida que vio la Tierra. Usando genética comparativa y bioquímica, los científicos han aprendido mucho sobre LUCA. Por ejemplo, LUCA usó ADN y un par de cientos de proteínas para vivir. LUCA ya era un organismo muy complejo, bastante diferente de la forma de vida más antigua. Es difícil saber qué adaptación de LUCA le dio la ventaja para sobrevivir y prosperar, mientras que todos sus primos contemporáneos estaban condenados a la extinción. Pero sobrevive, lo hizo y aquí estamos.

LUCA probablemente no dependía del oxígeno para su respiración. Si bien nuestra comprensión de la bioquímica de LUCA es incompleta, parece ser cierto que el hierro era una parte importante de sus vías metabólicas. Este hecho es una evidencia bastante concluyente de que LUCA vivió antes de que la atmósfera de la Tierra tuviera mucho oxígeno. Sabemos esto como el hierro realmente ‘ama’ combinarse con el oxígeno en una forma que es extremadamente insoluble en agua. Si hubiera un montón de oxígeno alrededor, el hierro sería engullido y sacado del ecosistema en forma de óxido. Como sin duda ha experimentado, el óxido no se disuelve y, una vez que el hierro está en forma de óxido, no está disponible para su uso futuro. Para que un organismo dependa mucho del hierro, significa que debe existir en un ambiente anóxico (bajo/sin oxígeno).

Si bien la fecha de la formación de la vida en la Tierra es un tema recurrente de debate, el período de hace unos 3.500 millones de años es una posición creíble, y la evidencia crece cada vez más fuerte después de unos 2.700 millones de años. Los estudios de la composición isotópica de rocas tempranas sugieren que antes de hace unos 2.400 millones de años, había muy poco oxígeno en la atmósfera. Sin embargo, hace 2.400 millones de años, la cantidad de oxígeno en la atmósfera comenzó a aumentar. La fuente del oxígeno era supuestamente bacterias fotosintéticas tempranas. Durante aproximadamente quinientos millones de años, el hierro en el océano absorbió oxígeno y se depositó en el fondo del océano. Este proceso continuó hasta que el hierro se usó por completo y es la fuente de las minas de hierro que ahora explotamos.

Una vez que se agotó el hierro, el oxígeno en la atmósfera comenzó a aumentar mucho más rápidamente. Como se menciona líneas arriba, la fuente de oxígeno eran las bacterias fotosintéticas que habían existido desde las primeras formas de vida, pero, dado el lado reactivo del oxígeno, el oxígeno se unía rápidamente a otras sustancias en el océano y, finalmente, en la tierra. Sin embargo, una vez que estos materiales que ‘aman’ el oxígeno en el mar y en la tierra se saturaron, la concentración de oxígeno en la atmósfera aumentó. A medida que crecía la concentración de oxígeno en la atmósfera, se encontró con la luz ultravioleta del sol. Esto condujo a la formación de ozono, que protege la superficie de la Tierra de la luz ultravioleta (Y posibilita la vida terrestre). Sin la protección del ozono, la luz ultravioleta esterilizaría la superficie del planeta, del mismo modo que usamos luz ultravioleta para esterilizar los instrumentos quirúrgicos y para matar las algas y los parásitos en las peceras.

Hace unos 800 millones de años, la cantidad de oxígeno en la atmósfera comenzó a aumentar con bastante rapidez. Este aumento en el oxígeno es un contribuyente frecuentemente citado a los orígenes de la vida multicelular (y, especialmente relevante para la idea de los alienígenas, la vida animal). El oxígeno proporcionó un gran depósito de una sustancia en la atmósfera que era un excelente aceptor de electrones y cuyo uso en la respiración y el metabolismo podría generar mucha energía.

Entonces el oxígeno es omnipresente en la Tierra y juega un papel central como parte del presupuesto de energía de todos los animales. La pregunta cuando pensamos en extraterrestres es “¿Es necesario el oxígeno?” Sabemos de la vida en la Tierra que usa otras sustancias como aceptores de electrones, con hierro, nitratos, sulfatos y dióxido de carbono, por nombrar algunos. Sin embargo, estas formas alternativas de respiración se encuentran en los microorganismos, no en los animales multicelulares, lo que sugiere que los beneficios de la respiración con oxígeno son sustanciales y que, si es posible, la evolución empujará la bioquímica en esa dirección.

Incluso en la Tierra, el mecanismo por el cual el oxígeno se usa para dar energía a los organismos no es un proceso simple sino más bien un asunto de pasos múltiples. Por lo tanto, es posible que en un planeta con un ambiente anóxico, la evolución invente un proceso de pasos múltiples para obtener el nivel requerido de energía necesaria para soportar la vida extraterrestre. Sin embargo, dados los beneficios del oxígeno, parece plausible que la vida finalmente descubra una forma de explotarlo si está presente. Esto nos lleva al próximo punto.

Abundancia Química

La química que hemos estado discutiendo es parcialmente académica en este punto. Por ejemplo, bien puede ser que el carbono sea el átomo perfecto para construir vida, pero, si no hay carbono alrededor, entonces no se usará. De manera similar, si no hay oxígeno presente, hace que sea difícil usarlo para respirar. Entonces, necesitamos agregar a nuestro conocimiento qué elementos están más presentes en el universo. Para entender cómo ciertos elementos son más o menos comunes, necesitamos entender sus orígenes.

La teoría actual es que el universo comenzó hace apenas 14 mil millones de años en un evento cataclísmico denominado Big Bang. Si bien la física del Big Bang es un tema fascinante, para nuestros propósitos, simplemente necesitamos saber que el universo era una vez tan caliente que los átomos no podrían existir; de hecho, los protones y neutrones individuales no pudieron formarse, ya que las temperaturas no les permitieron fundirse en el baño de energía y las partículas subatómicas que existían en ese momento.

A medida que el universo se expandió, se enfrió de una manera análoga a las explosiones con las que estamos familiarizados, y muy temprano en la historia del universo, surgieron protones y neutrones, seguidos de los elementos hidrógeno y helio. Para todos los efectos, no existían otros elementos. Siguiendo nuestra discusión anterior, la vida no podría formarse en ese universo. El helio no forma moléculas, y el hidrógeno forma moléculas simples que constan de dos átomos. Si esa fuera la historia completa, no estaríamos teniendo esta discusión. Debe haber más que debemos considerar.

Cada mañana, cuando ‘sale’ el sol, nos recuerda una cosa aparentemente trivial, pero importante. El sol brilla y desprende calor. Hace esto porque las colecciones muy densas de hidrógeno y helio pueden experimentar una fusión nuclear. Y la fusión nuclear es una de las formas más puras de ‘magia’ científica que la humanidad haya encontrado y entendido.

En la época medieval, los primeros científicos llamados alquimistas estaban obsesionados con la transformación de materiales de una forma a otra; de “metales básicos” (Por ejemplo, plomo) en oro. Si bien no hay duda de que la química moderna tiene una deuda con los primeros alquimistas, estaban condenados en su búsqueda de transformar un elemento en otro. Tal objetivo simplemente está más allá de la capacidad de las reacciones químicas.

Sin embargo, la fusión nuclear de estrellas logra precisamente eso. Los núcleos de elementos ligeros se combinan, formando elementos más pesados. En estas fundiciones estelares, el hidrógeno y el helio se forjan en oxígeno, carbono, nitrógeno, silicio y todos los elementos más ligeros que el hierro. La fusión nuclear estándar basada en estelares no puede crear elementos más pesados.

Da la casualidad que algunas estrellas se queman rápida y furiosas y terminan sus vidas en una espectacular explosión llamada supernova. En casi un abrir y cerrar de ojos, estas estrellas mueren, experimentando calor y reacciones nucleares que empequeñecen a aquellos en estrellas más complacientes. Con su muerte, forman elementos aún más pesados… incluso la creación de oro que eludió a los antiguos alquimistas. Esta es la razón por la que Carl Sagan declaró tan a menudo que todos somos “polvo de estrellas”. Sin estrellas, la vida e incluso los planetas no serían posibles. De hecho, las primeras estrellas se formaron cuando el universo no podía tener planetas. Los ingredientes de los planetas simplemente no existían. Pero, en su muerte, las primeras estrellas extendieron una compleja mezcla de elementos en todo el cosmos. Estos elementos se mezclaron con las nubes de hidrógeno existentes y formaron estrellas posteriores.

Nuestro sol es una estrella de segunda o tercera generación, habiéndose formado hace unos 5 mil millones de años. En el momento del nacimiento del sol, el universo tenía 9 mil millones de años para que las estrellas anteriores fabricaran los otros elementos de la tabla periódica. Los elementos presentes cuando nuestro sistema solar entró en existencia formaron el depósito desde el cual los planetas y cualquier vida posible deben ser compuestos.

La siguiente figura muestra las abundancias relativas de los treinta elementos más ligeros de nuestro sistema solar. El hidrógeno y el helio constituyen el 99.9% de la materia en el sistema solar, pero del 0.1% restante, los planetas se unieron. De los elementos restantes, el carbono, el oxígeno y el nitrógeno (Los elementos de la química orgánica y la vida tal como la conocemos) son los próximos más disponibles. La abundancia relativa de todos los elementos está bastante de acuerdo con nuestra comprensión de cómo se forman en los hornos estelares en los que fueron creados. El silicio, que es el primo químico del carbono, está presente en cantidades que son aproximadamente un 10% mayores que las del carbono. Entonces, una interpretación ingenua de este gráfico podría hacerte decir: “bueno, sí, tiene sentido que la vida esté hecha de carbono, ya que hay más”. Por el contrario, no se necesita pensar demasiado para decir: “Oye espera un minuto. Si el carbono es mucho más frecuente que el silicio, ¿por qué la Tierra es una gran roca (Es decir, dióxido de silicio) en lugar de estar hecha principalmente de carbono? ”

Y, por supuesto, esa es una pregunta interesante. La cuestión de la abundancia relativa de elementos en el sistema solar nos dice mucho, pero la vida no podría formarse a partir de los elementos que están dentro del Sol. Probablemente tuvo que formarse sobre (O debajo o en la atmósfera de) la superficie de un planeta. Entonces las abundancias elementales correctas a considerar serían aquellas en la superficie del planeta. (La misma lógica que muestra que la composición química de la estrella es solo marginalmente relevante también descarta la composición molecular del núcleo de un planeta como una consideración importante. Es la composición de la corteza planetaria la que define el depósito de elementos a partir de los cuales la vida puede formarse.) Utilizo la palabra “planetario” en una especie de sentido genérico. La vida podría haberse formado en satélites de planetas que son estériles. Veremos en poco tiempo la razón por la cual el silicio no juega un papel central en la vida terrenal.

En este punto, comenzamos a ver lo difícil que puede ser generalizar la discusión de la química y la vida extraterrestre. Después de todo, los ambientes en los diversos planetas y satélites en nuestro propio sistema solar son extremadamente diversos. Las nubes de gas de Júpiter son bastante diferentes de la superficie de Mercurio, los páramos congelados de Europa y nuestra propia Tierra. Es esta diversa gama de entornos lo que hace que sea tan difícil para los astrobiólogos decidir dónde buscar la vida.

Pero, debemos recordar que estamos interesados en los extraterrestres, en lugar de la vida extraterrestre per se. Los alienígenas son criaturas con suficiente inteligencia para emplear herramientas y algún día competirán con los humanos por la dominación galáctica. Por lo tanto, es difícil imaginar una forma de vida suspendida en las nubes de un gigante de gas como un extraterrestre. Es mucho más fácil imaginar a una criatura en un objeto planetario rocoso como un competidor. En primer lugar, el acceso a los metales es muy importante para fabricar la mayoría de las herramientas y armas. En un ambiente gélido, otros materiales pueden servir para el mismo propósito. Y, en cualquier caso, la superficie de un planeta rocoso es probablemente el depósito elemental relevante para construir nuestra discusión sobre la vida extraterrestre.

Podemos comenzar con la composición química de la corteza terrestre como referencia. Esto se puede observar en la siguiente figura. Existen diferencias notables en la composición elemental de la Tierra en comparación con las abundancias elementales solares, lo que subraya que los detalles de la formación de planetas son fundamentales. El hidrógeno y el helio son raros. También vemos que los gases nobles (Helio, neón, argón, etc.) son notables en su ausencia. Estos elementos son gaseosos y no se unen a otros elementos para formar sólidos. El oxígeno es el elemento más presente, seguido del silicio. Esta mezcla refleja las diversas rocas (Feldespato, cuarzo, etc.) que componen la superficie de la Tierra. El carbono es muy raro en comparación con el silicio (Una pequeña fracción de una pequeña fracción, en comparación con alrededor de un cuarto de la corteza terrestre que está compuesta por silicio). Y esto probablemente nos está diciendo algo importante. Incluso dada la gran cantidad de silicio disponible y el hecho de que ambos elementos pueden crear cuatro enlaces, la vida se forma a partir del carbono. La capacidad de formar cuatro enlaces es muy importante, pero hay otras consideraciones que deben tenerse en cuenta al pensar en la composición química de la posible vida. Analizaremos al final de la entrada los problemas de silicio como un componente fundamental de la vida. (Sé que he prometido esto más de una vez, pero necesitamos un poco más de experiencia para explorar las limitaciones del silicio como base de la vida, así como para presentar una forma innovadora de superar las sorprendentes ventajas del carbono).

También hablaremos un poco más tarde sobre la naturaleza del líquido que forma la vida. En la Tierra, este líquido es universalmente agua. Mientras concluimos nuestra discusión sobre la disponibilidad de productos químicos, podemos echar un vistazo a la composición elemental de los océanos de la Tierra. Esto se da en la siguiente figura. Debido a que nuestros océanos están hechos de agua (H₂O), el oxígeno y el hidrógeno son los átomos más frecuentes. Además, dado que la mayor parte del agua en la Tierra es salada, no es de sorprender que el sodio y el cloro, los elementos que componen la sal ordinaria (NaCl), estén presentes. Los otros elementos están presentes si pueden unirse a moléculas que son solubles en agua.

Como una mirada final a la disponibilidad elemental, nos dirigimos al cuerpo humano. Si bien el objetivo de esta discusión es ver qué elementos están disponibles como componentes básicos de la vida, es natural preguntar “sí, pero ¿qué elementos realmente forman la vida?” Esto se muestra (Solo para humanos) en la siguiente figura.

El carbono, el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno dominan la química humana, con un puñado de otros elementos que se unen a la mezcla. Nuestra sangre refleja nuestros orígenes en los océanos de la Tierra. El calcio se usa para los huesos y el metabolismo celular. Existen trazas de minerales traza en nuestros alimentos.

La pregunta fundamental es si otras composiciones químicas son posibles para los extraterrestres, y la respuesta debe ser sí. Los biólogos todavía están trabajando si la composición de la vida en la Tierra es un accidente histórico o una consecuencia inevitable de las propiedades atómicas de los elementos y sus abundancias relativas. Por lo tanto, no es para nada sorprendente que los astrobiólogos no hayan resuelto qué forma deben adoptar los alienígenas o incluso la vida extraterrestre menos restrictiva. Pero las limitaciones de la química y la disponibilidad elemental son seguramente consideraciones importantes para sus discusiones. Los temas que hemos discutido aquí (Desde la cantidad de enlaces atómicos hasta las fortalezas de los enlaces, la disponibilidad elemental y los accidentes y presiones evolutivas) nos condujeron a nosotros. Mientras respiramos oxígeno, las formas de vida basadas en carbono no son inevitables, ahora vemos las ventajas de esa receta en particular.

Ventaja Líquida

La vida en la Tierras es prácticamente a base de agua, específicamente agua líquida. Esto conduce naturalmente a dos preguntas: ¿por qué líquido y por qué el agua? La pregunta líquida es más fácil de responder. La materia normalmente existe en fases sólidas, líquidas y gaseosas. El problema con la fase sólida es la baja movilidad de los productos químicos. Mientras que el mezclado químico en fase sólida es posible, pero es muy lento. La vida podría formarse bajo esas circunstancias, pero esa vida nunca será un extraterrestre en la forma en que lo decimos aquí. (Aunque debemos tener en cuenta la idea de la vida robótica, como se menciona al final de esta entrada). Además, a menos que el ambiente esté totalmente seco, las ventajas de la vida líquida son tan manifiestas que ya sea que la vida basada superará a la basada en sólidos o la evolución encontrará la manera de que la vida sólida se adapte al uso de líquidos.

Por el contrario, la fase gaseosa de la materia es sumamente móvil. De hecho, en muchos libros de texto de escuelas primarias, un gas se define como la fase de la materia que llena cualquier volumen en el que se introduce. Entonces, hacer que las moléculas de gas se muevan no es un problema. Lo que es un problema es que un gas no hace un buen trabajo disolviendo nada. Mientras que el agua salada puede transportar una buena carga de átomos de sodio y cloro, el aire salado solo lleva un poco de agua, que a su vez contiene la sal. Por lo tanto, es igualmente improbable que encontremos formas de vida (Y especialmente extraterrestres) con un solvente gaseoso.

Entonces esto deja líquido. El líquido puede moverse fácilmente y puede disolver sustancias en él para moverlas, como la sal en agua salada. Para que un líquido sea un solvente útil, debe tener dos propiedades. En primer lugar, para ser útil, un líquido debe permanecer líquido en muchas condiciones, y una implicación clara es que la sustancia debe existir en estado líquido en un amplio rango de temperaturas. En segundo lugar, debe poder disolver y transportar otros elementos. Después de todo, la incapacidad para transportar de manera efectiva otros átomos fue la razón por la cual los solventes sólidos y gaseosos fueron rechazados.

En la Tierra, se considera como el solvente universal de la vida es el agua. Esta sustancia ‘milagrosa’ puede no ser realmente un solvente universal, pero es útil analizar las grandes propiedades del agua para comprender qué tipo de características deben poseer otros solventes potenciales.

Los enlaces covalentes que ya hemos examinado no son los únicos tipos de enlaces moleculares que son posibles. Otro tipo importante de enlace se llama enlace iónico. Mientras están en un enlace covalente, dos átomos adyacentes compartirán electrones; en un enlace iónico, un átomo donará un electrón a otro átomo. Esto causa que un átomo tenga una carga positiva y el otro una negativa. Los dos átomos están unidos por sus respectivas cargas. La sal común (Cloruro de sodio) es así.

Las moléculas de agua son un ejemplo de una molécula polar. Esto significa que, a pesar de que no tienen carga eléctrica neta, la carga eléctrica en su interior no se distribuye por igual. Así, un lado de la molécula es, hablando eléctricamente, “más negativo”, mientras que el otro lado es “más positivo”. La interacción entre los dos lados de las moléculas de agua y las moléculas unidas por enlaces iónicos puede romper el límite iónico moléculas. En el caso de la sal, no son las moléculas de sal las que están presentes en el agua cuando se disuelve la sal, sino los átomos de sodio y cloro que flotan libremente. Vemos esto en la siguiente figura. Esto no sería posible si el agua no fuera una molécula polar.

Las cargas eléctricas de los átomos configuran campos eléctricos, el medio por el cual los átomos se atraen entre sí. El agua puede proteger los campos eléctricos de manera muy efectiva, que es una de las razones por las que puede disolver las cosas muy bien. Los átomos disueltos (Por ejemplo, el sodio con carga positiva y el cloro con carga negativa) no se pueden ver entre sí. Si pudieran verse, serían atraídos y recombinados. Esta propiedad de la materia se denomina “constante dieléctrica” y es muy grande para agua con un valor numérico de 80, lo que significa que el agua puede disolver 80 veces más de un soluto de lo que podría de otra manera. El agua también puede romperse en forma líquida, tanto donando como aceptando un átomo de hidrógeno, produciendo OH- (hidróxido, una base) o H3O + (hidronio, un ácido). La existencia de ácidos y bases puede ser crucial para muchas reacciones químicas relevantes para la vida.

El agua es líquida en un rango de temperatura de 0 a 100 ° C (En las denominadas condiciones normales). Este rango es bastante grande y se volverá importante en la siguiente entrada cuando veamos el concepto de una zona habitable planetaria. Este es el rango de distancias desde una estrella donde el solvente (En nuestro caso, el agua) permanecerá líquido.

El agua tiene otra propiedad muy útil. Se necesita una gran cantidad de calor para cambiar su temperatura. Si vives cerca de una costa, sabes que la temperatura en la playa es más fría en verano y más cálida en invierno que en las áreas circundantes. Esto se debe a que, en un día de verano terriblemente caluroso, cuando el Sol está cayendo sobre usted y cree que se va a derretir, el agua tiende a ser más fría que el aire. Mientras el sol brilla sobre ti, también brilla en el agua. Sin embargo, el agua necesita absorber una (Relativamente) gran cantidad de energía para cambiar su temperatura, por lo que se mantiene fría (Y por lo tanto enfría el área cerca de la playa, más o menos como sentarse al lado del refrigerador con la puerta abierta). Para asignar un número, es cinco veces más fácil calentar arena que agua.

De manera similar, en el invierno, cuando un viento invernal del norte sopla a través de ti, mordiendo frío, una gran reserva de agua contendrá un calor considerable. Esta es la razón por la que el Atlántico Norte permanece libre de hielo tan al norte, mientras que el aire es tan frío que te hace castañear los dientes. En un reverso de las preocupaciones del verano, debido a las propiedades del agua, el océano tiene que perder mucha más energía para cambiar su temperatura.

El agua tiene aún más propiedades útiles e inusuales. Además de que el agua líquida es esencialmente una enorme esponja de calor, se necesita mucha energía para derretir el hielo (Y se debe emitir una gran cantidad de energía para congelar el agua). Del mismo modo, una gran cantidad de energía está involucrada en la conversión de agua en vapor, y viceversa. Estas propiedades son esenciales en la regulación térmica de la superficie de la Tierra.

Otra característica curiosa del agua es que, a diferencia de la mayoría de las otras sustancias, la fase sólida del agua (Hielo) tiene una densidad menor que la fase líquida. Básicamente, el hielo flota. Considera lo que sucedería si lo contrario fuera cierto. Cuando hacía frío, el hielo se congelaba y luego se hundía en el fondo del lago o del océano. A medida que el hielo descendía, se derretía un poco, pero, al hacerlo, enfriaba el agua de abajo. Finalmente, el agua del fondo sería casi la temperatura del hielo. Más derretimiento y hundimiento dejaría hielo en el fondo del cuerpo de agua. Después de eso, año tras año, el hielo se hundiría, aumentando el espesor del hielo hasta que el lago o el océano quedaran congelados, con solo una pequeña porción de la superficie donde se produciría el deshielo estacional del agua. Los polos de la Tierra estarían congelados, desde el fondo del océano hasta cerca de la superficie.

Sin embargo, el hielo real flota y aísla el agua que está debajo del aire más frío. De nuevo, el hielo ayuda a regular la temperatura del entorno. Sin agua, el entorno de la Tierra sería muy diferente.

Los químicos han considerado otros posibles solventes que al menos tienen potencial como un reemplazo de agua. Una consideración importante es la presión atmosférica en la superficie del planeta. Estamos necesariamente algo parcializados, ya que la presión sobre la superficie de la Tierra parece normal. En contraste, la presión superficial en Venus es 92 veces la presión en la Tierra. A tales presiones, otras sustancias pueden ser líquidas en rangos de temperatura más grandes. Por ejemplo, en Venus, el agua puede ser líquida de 0 a 180 ° C.

Para la siguiente discusión, nos limitamos a una atmósfera de presión de la tierra. A nuestra presión familiar, las siguientes sustancias se han considerado como posibles solventes: agua, amoníaco, fluoruro de hidrógeno y metano (tabla 6.1).

Podemos ver los méritos de los diversos materiales. El amoníaco tiene buenas propiedades térmicas, pero un rango de temperatura limitado sobre el cual es líquido. Por un lado, el fluoruro de hidrógeno tiene un amplio rango de temperatura en el que es líquido, y se requiere una energía considerable para calentar el líquido, con la desventaja de que puede convertirse a la fase gaseosa muy fácilmente. También tiene una constante dieléctrica atractivamente alta. Por otro lado, en las figuras previas se puede observar que el flúor es bastante raro en el universo. Además, reacciona rápidamente con agua para producir ácido fluorhídrico y rocas que contienen silicio para formar fluoruro de silicio. Este es un material inerte, que ataría el flúor y lo haría inaccesible para la respiración.

Tenga en cuenta que el metano es un material interesante; aunque no es un solvente polar, es una sustancia popular a considerar cuando se piensa en la química biológica alternativa. El metano se puede encontrar en su forma líquida en la superficie de un satélite de Saturno, Titán, por ejemplo.

Los hidrocarburos como el metano tienen algunas ventajas sobre el agua. Ciertamente, la evidencia empírica sugiere que la reactividad de las moléculas orgánicas es comparativamente versátil en los disolventes de hidrocarburos. Sin embargo, dado que los hidrocarburos no son polares, son menos reactivos a algunas moléculas orgánicas inestables.

La superficie de Titán es un excelente caso de prueba para muchas de estas consideraciones. Titán no está en equilibrio termodinámico, tiene amplias moléculas que contienen carbono y está cubierto con un solvente líquido. La temperatura es baja, lo que permite una amplia gama de enlaces covalentes y polares. De hecho, tiene muchas de las características esenciales que parecen ser importantes para la vida. Esto nos lleva a especular que, si la vida es un resultado inevitable de la química, entonces Titán debería tener al menos una vida primitiva. Si resulta que no tiene vida, entonces debemos comenzar a sospechar que hay algo único sobre el medio ambiente de la Tierra, tal vez incluyendo el uso de agua como solvente. Por lo tanto, no es sorprendente que una sonda a los océanos metano de Titán sea un objetivo de alta prioridad en los planes de exobiología de la NASA.

Evolución

La última propiedad que parece ser necesaria para la vida alienígena y definitivamente extraterrestre es una especie de evolución darwiniana. Sin embargo, la vida viene a la existencia, no brotará, completamente formada, como un extraterrestre inteligente, como tampoco lo hizo aquí en la Tierra. Las formas de vida simples serán el comienzo. Encontrarán entornos inestables, competencia de miembros de la misma especie y otros, depredación, etc. Debe haber un mecanismo por el cual los organismos pueden cambiar y adaptarse. Si no, se extinguirán. Es así de simple.

Sin embargo, precisamente cómo funciona esto está en juego. Por ejemplo, en la Tierra, el anteproyecto de vida se almacena en nuestro ADN. Cuatro ácidos nucleicos: adenina, guanina, citosina y timina son los componentes básicos de la familiar espiral de la escalera de la vida. Estos ácidos nucleicos forman los “peldaños” de la escalera, mientras que los lados de la escalera se llaman la columna vertebral y consisten en el azúcar fosforibosa, que separa los peldaños de la escalera.

La evolución ocurre a través de una serie de pequeños cambios que culminan en cambios más grandes en el organismo. El organismo compite en el ecosistema y puede experimentar un mayor éxito reproductivo. Esto es todo bastante estándar.

Lo que es un poco más sutil es darse cuenta de que los cambios significan eso… cambian. Es imperativo que la estructura molecular que contiene el código genético sea estable frente a pequeños cambios. Las propiedades químicas de la columna vertebral del ADN deben dominar la estructura. El intercambio de un ácido nucleico dentro o fuera no debe hacer que toda la escalera se desmorone. Esto es crítico. Si el cambio hace que toda la estructura (Y, por lo tanto, el organismo) no sea viable, entonces esto es un desastre.

Podemos generalizar estas ideas más allá de los detalles del ADN. Las moléculas genéticas de cualquier extraterrestre deben poder (1) cambiar sin destrucción de la molécula y (2) replicarse con precisión con el nuevo cambio. Los sistemas auto-replicantes son bien conocidos en química, pero los que pueden generar copias inexactas, con esa copia inexacta también fielmente replicable, no lo son. Esto podría sugerir que el código genético extraterrestre podría necesitar algo análogo a la columna vertebral del DNA, donde el código se puede “ajustar” como los LEGO. Seguramente los detalles de las moléculas serán diferentes, pero la funcionalidad probablemente sea necesaria.

Extremófilos

Los extremófilos son organismos que viven en condiciones perjudiciales para muchas formas de vida. Ahora, por mi observación, esto debería incluir a las personas que disfrutan estar en la calle en Hermosillo en mayo o quienes residen en la Antártida, pero extremo es en realidad un poco más extremo que eso. La humanidad ha utilizado ambientes extremos durante mucho tiempo para preservar los alimentos. Ahora sabemos que esto se debe a que estas técnicas matan o suprimen las bacterias que de lo contrario causarían deterioro. Algunas técnicas son calentar (Es decir, cocinar) la comida, refrigerarla, salarla o incluso irradiarla.

Y todos sabemos que esto funciona Tenemos refrigeradores y congeladores. Se nos ha advertido que cocinemos carne asada rara a una temperatura interna de alrededor de 80 °C para la carne de res (O bien cocida) e igual para todas las aves de corral. La razón es tanto para cocinar la carne, para convertirla de algo crudo a algo delicioso, como para matar a las bacterias que viven en la carne cruda.

Existen otros métodos para preservar los alimentos que ha encontrado en su supermercado local. Hay vegetales secos, frutas y carnes, que han sido privadas de agua, inhibiendo el crecimiento bacteriano. Las nueces y otros alimentos vienen envasados al vacío para reducir el oxígeno disponible en el paquete. Procesar alimentos usando alta presión puede matar a los microorganismos. Esto se usa para muchos productos, incluyendo guacamole y jugo de naranja.

La carne se cura mediante la salazón, como en el tocino y jamón familiar. La alta salinidad mata a los gérmenes. Ahumar carnes también es una forma de almacenarlos. El azúcar, a pesar de que es rico en calorías, es una buena forma de conservar las frutas. Las gelatinas y las frutas glaseadas pueden permanecer mucho tiempo sin que se deterioren.

El alcohol, además de sus efectos secundarios que alteran el estado de ánimo, también se usa para conservar algunas frutas. Esto generalmente se realiza junto con el uso de azúcar como conservante.

Cambiar la acidez o la alcalinidad de los alimentos es otra manera de alargar su vida útil. Mientras que la salazón desempeña un papel en la fabricación de encurtidos, el uso de vinagre (con su acidez) puede prolongar la vida útil de los alimentos. Y, si usted es de ascendencia escandinava, puede disfrutar de Lutefisk, que es pescado preparado con lejía, que es altamente alcalino.

La modificación de la atmósfera es también una técnica útil. Los alimentos, como los granos, se pueden poner en un recipiente y el aire se puede reemplazar con nitrógeno o dióxido de carbono de alta pureza. Esto elimina el oxígeno y destruye insectos, microorganismos y otros intrusos no deseados.

El verdadero punto es que la humanidad ha sabido sobre varias formas de preservar la comida durante milenios. El deterioro de los alimentos proviene de criaturas indeseables (Típicamente microorganismos de algún tipo) que “comen” los alimentos y liberan productos de desecho. Mediante una combinación de las técnicas mencionadas anteriormente, hemos aprendido a matar las bacterias indeseables que de otra manera arruinarían nuestra comida.

Nuestra experiencia nos ha llevado a comprender el rango de condiciones bajo las cuales puede existir una vida similar a la de la Tierra. Sin embargo, una erudición relativamente reciente ha revelado que la vida es realmente más dura de lo que pensamos.

Los biólogos han dado el nombre de “extremófilo” (Que significa “amante de las condiciones extremas”) a los organismos que prosperan en ambientes que matarían formas familiares de vida. Si bien el estudio de los extremófilos aún es una ciencia bastante joven, podemos analizar algunas de las condiciones en que se ha encontrado la vida exótica.

En el fondo de los océanos, a veces a profundidades extraordinarias, hay lugares donde el magma se abrió camino desde el interior de la Tierra hasta el fondo del océano. En estos puntos, llamados respiraderos hidrotermales, el agua sobrecalentada se aleja del magma. Esta agua puede calentarse muy por encima de la temperatura de ebullición más conocida (100 °C), pero la gran presión en el fondo del océano hace que el agua permanezca en su forma líquida. El agua dentro de estas ventilaciones hidro-térmicas puede ser de casi 370 °C, sin duda lo suficientemente alta como para matar cualquier forma de vida ordinaria.

A solo unos metros de distancia de estas aberturas, la temperatura del agua del océano puede estar muy próxima al punto de congelación, aproximadamente 3 °C. En este gradiente de temperatura crece un ecosistema inusual. En la parte superior de la cadena alimenticia hay tipos de almejas y cangrejos relativamente comunes que consumen alimentos de manera estándar. Sin embargo, en la base de la cadena alimenticia hay bacterias termófilas (Amantes del calor) que pueden vivir a temperaturas superiores al punto de ebullición habitual de 100 °C. Estas bacterias no usan las mismas vías bioquímicas de la vida ordinaria. En lugar de usar oxígeno como receptor de electrones, usan azufre u ocasionalmente hierro. Estos materiales se arrojan copiosamente al mar, disueltos por el agua de la fuente de magma.

De hecho, el pensamiento actual es que estos procariotas son quizás los más cercanos en su naturaleza al LUCA de la vida en la Tierra. ¿Cómo podría ser esto? Bueno, deberíamos recordar que LUCA era en sí misma una forma de vida sofisticada y ciertamente no la única que existía en ese momento. Si bien lo que sigue es pura especulación, podríamos imaginar que esta forma de vida podría haber sobrevivido a un golpe tardío en la Tierra por un cometa o algo similar. El impacto habría vaporizado los océanos y solo la vida más profunda y resistente al calor podría haber sobrevivido.

La vida resistente al calor y al azufre no es el único tipo que existe en ambientes extremos. En el otro extremo del espectro están los criófilos amantes del frío. Mientras que el agua pura se congela a 0 °C, el agua salada puede permanecer líquida a temperaturas mucho más frías que eso. Las formas de vida en el extremo frío del espectro tienen problemas bastante diferentes en comparación con sus primos termófilos. Si el agua se congela, se expande y puede romper las membranas celulares. Además, la temperatura reducida puede reducir de manera significativa la tasa de reacciones químicas experimentadas por la forma de vida. En esencia, la vida fría “vive más lento.” Además, al igual que la mantequilla fría es difícil de cortar, mientras que la mantequilla caliente es casi un líquido, el frío puede endurecer las membranas celulares de la vida fría. Se necesitan adaptaciones químicas para mitigar los problemas del frío.

Según nuestro conocimiento actual, no conocemos ninguna vida eucariótica que pueda existir a temperaturas fuera del rango de -15 a 60 °C. Mientras que el número más bajo está por debajo del punto de congelación del agua ordinaria, el agua con alta salinidad puede permanecer líquida a estas temperaturas. La vida microbiana se ha observado en un rango de temperatura de -30 a 120 °C. Un ejemplo de un organismo criófilo es Chlamydomonas nivalis, una forma de alga que es responsable del fenómeno de “nieve de sandía”, en el que la nieve tiene el color e incluso el ligero aroma de la sandía.

Las consideraciones químicas pueden darnos una idea de las limitaciones últimas en la temperatura de la vida basada en el carbono. Debido a la fuerza de enlace que implica átomos de carbono, es difícil imaginar la vida a una presión estándar mucho más alta que 325 °C; tan caliente la temperatura que puede alcanzar su horno. Por supuesto, la presión puede afectar la velocidad a la que las moléculas se rompen y la descomposición de las moléculas puede ser más lenta a alta presión. Probablemente sea seguro decir que la vida basada en el carbono no es posible por encima de los 530 °C a cualquier presión.

El agua es fundamental para la vida, sin embargo, puede ser que haya extremófilos que no la necesiten en gran medida. Buscar vida en lugares con poca agua es una forma de comprender mejor el ámbito de lo posible. Y la Tierra tiene algunos lugares extremadamente secos. El desierto de Atacama es comúnmente llamado el lugar más seco de la Tierra. Algunos lugares en el desierto reciben aproximadamente una fracción de centímetros de lluvia por año y algunas estaciones meteorológicas nunca han registrado lluvia alguna. Hay montañas altas (más de 7000 metros de altura), que uno podría esperar que estén cubiertas de glaciares, que estén completamente secas. De hecho, hay lechos de ríos vacíos que se han estimado secos durante hasta 120,000 años. Hay algunos lugares en el Desierto de Atacama que se cree que son el lugar natural en la Tierra con condiciones comparables a Marte. De hecho, la NASA ha hecho algún trabajo allí para ayudar a diseñar sondas marcianas. Han llegado a experimentar la búsqueda de la vida en las arenas del desierto de Atacama, utilizando técnicas que se espera que respondan definitivamente a la cuestión de la vida en Marte.

También hay formas de vida que son halófilos (Amantes de la sal). En la región del Medio Oriente del Mar Muerto, la mayoría de la vida no podría sobrevivir. Sin embargo, hay líquenes y vida celular que han adaptado su química para mantener su entorno interno de tal manera que prospere. Algunas de estas formas de vida realmente necesitan un ambiente con alto contenido de sal para vivir. Es difícil creer que un ambiente que puede curar un jamón sea en realidad un lugar cómodo para la vida y sin embargo es cierto.

Al igual que con los otros extremos que preservan los alimentos, la vida se ha encontrado en ambientes altamente ácidos y básicos, e incluso en presencia de radiactividad mil veces más alta que la que mataría a las formas de vida más duras y normales. Estas observaciones ciertamente han ampliado las expectativas de los científicos sobre el rango de entornos en los que la vida puede habitar con éxito.

Con el descubrimiento de estos extremófilos, los científicos han intensificado su búsqueda de los nichos que la vida puede ocupar en la Tierra. Hemos extraído vida de núcleos de pozos tomados a unos tres kilómetros bajo la superficie de la Tierra. La vida se ha encontrado flotando en el aire enrarecido de la estratosfera. Los microbios se han encontrado a una altura de hasta 15 kilómetros sobre el suelo. Este ambiente es extremadamente duro. La temperatura y la presión son muy bajas, el flujo de luz ultravioleta es muy alto y casi no hay agua. La supervivencia en este ambiente hostil inevitablemente plantea cuestiones de “panspermia”, que es la premisa de que la vida podría haber llegado a la Tierra desde algún otro cuerpo celeste… como Marte u otros. Si bien esto parece improbable, no está descartado. Pero la vida tenía que comenzar en alguna parte, por lo que las preguntas que hemos discutido aquí siguen siendo relevantes, incluso si la vida comenzó en otro lado. De interés para nosotros aquí es la comprensión de que algunas formas primitivas de vida pueden existir en un entorno que mataría a las criaturas que viven más cerca de la superficie de la Tierra. Sin embargo, esta forma primitiva de vida no sería un extraterrestre (Concepto ya explicado en otras entradas del Blog). Pero sí nos proporciona información adicional sobre cómo puede ser la vida basada en la Tierra, con nuestra bioquímica basada en el carbono y el agua.

¿Vida basada en el Silicio?

En la ciencia ficción, hay ciencia ficción suave y dura. En la dura, el escritor intenta avanzar en la línea argumental limitada por la ciencia más conocida de la época, mientras que, en la suave, se toman más libertades con la ciencia. En el caso de las historias sobre la vida extraterrestre, una alternativa común a nuestro tipo familiar de vida es una basada en el átomo de silicio. Los argumentos presentados anteriormente sobre las ventajas del carbono, específicamente los cuatro enlaces disponibles y la rica complejidad química que conlleva) son bastante convincentes, lo que sugiere que los cuatro enlaces disponibles son una condición necesaria de la vida compleja. De hecho, los químicos han catalogado más moléculas que involucran carbono que todas las moléculas conocidas que excluyen el carbono. Piénsalo. Si tomaste todos los elementos, excepto el carbono, e hiciste todos los compuestos conocidos, tendrías menos compuestos que los que se han encontrado y contienen carbono.

Teniendo en cuenta los beneficios de los cuatro enlaces, es por lo tanto natural que un escritor de ciencia ficción que quiere romper con la vida basada en el carbono invoque al silicio como el siguiente elemento base candidato para construir un ecosistema ficticio. Solo hay un problema: no es tan simple como eso.

Ya hemos notado la simple objeción de que, mientras exhalamos dióxido de carbono como un producto de desecho gaseoso, el dióxido de silicio es sólido y estamos más familiarizados con él como arena. Este hecho particular se notó al principio de la historia corta de 1934 de Stanley G. Weinbaum, A Martian Odissey, en la que describió una criatura marciana basada en silicio que excreta ladrillos cada diez minutos. Estos ladrillos fueron los productos de desecho de la respiración.

Sin embargo, los problemas con el silicio son mucho más profundos y fundamentales que esto. Mucho más dañinos son los problemas de silicio con su estabilidad en sus interacciones con otros átomos y la velocidad a la que el silicio interactúa químicamente.

Una característica muy importante de cómo los enlaces de carbono con otros elementos es que la fuerza de enlace entre dos átomos de carbono (C-C) es bastante similar a la de un enlace carbono-hidrógeno (C-H), así como carbono-oxígeno (C -O) y carbono-nitrógeno (C-N). Debido a esto, es enérgicamente bastante fácil para una reacción intercambiar un átomo y conectar otro. Desde el punto de vista de la energía, cuál de estos elementos participa en el enlace no importa demasiado y estos intercambios ocurren con bastante libertad.

Por el contrario, el silicio no tiene esta propiedad. Resulta que la unión de silicio-oxígeno (Si-O) es mucho más fuerte que con hidrógeno (Si-H), nitrógeno (Si-N) o incluso otros átomos de silicio (Si-Si). En consecuencia, el silicio se une fácilmente al oxígeno (que produce dióxido de silicio), y es muy difícil romper ese enlace y deslizarse en otro átomo.

Lo que hemos mencionado aquí es solo una característica de los enlaces interatómicos individuales. Cuando volvemos nuestra atención a los enlaces múltiples, el carbono vuelve a ser bastante superior. Resulta que un enlace doble de carbono consume aproximadamente el doble de energía que un enlace simple, mientras que un enlace triple consume aproximadamente tres veces más energía. No tenía por qué ser así. Los detalles de los enlaces múltiples son diferentes de los enlaces simples, y el carbono se puede considerar ‘suertudo’.

El silicio, en comparación, tiene un tiempo mucho más difícil para hacer enlaces dobles y triples. Esto tiene que ver con el tamaño y la forma de los átomos. Las imágenes de la quinta figura de esta entrada dan una impresión demasiado simplificada de la forma de los átomos. El silicio y el carbono realmente se ven como esferas con protuberancias que sobresalen de ellos, con los baches participando en los enlaces. Debido a que la esfera de silicio es más grande que la de carbono, y las protuberancias de silicio no son mucho más grandes que las de carbono, las protuberancias están más lejos entre dos átomos de silicio adyacentes. Esto hace que sea más difícil acercar las protuberancias a otros átomos para compartir electrones, lo que hace que un segundo enlace sea mucho más débil que el primero. En consecuencia, la fuerza de los dobles enlaces entre átomos de silicio adyacentes no es muy diferente de los enlaces de silicio individuales. Esto hace que la química compleja usando silicio sea mucho más difícil. Este punto se ilustra en la siguiente figura.

Finalmente, la facilidad con que pueden ocurrir las reacciones es mucho mayor con los átomos de silicio. Considere la posibilidad de una estufa de gas, inadvertidamente dejada encendida, por lo que el gas natural que contiene carbón llena la casa. El gas puede llenar la casa, pero no explotará sin una chispa para poner los eventos en movimiento. Sin embargo, un “gas natural de silicio” similar reaccionaría espontáneamente sin la chispa. Esta velocidad de reacción reduce el tiempo necesario para formar moléculas complejas.

Entonces, ¿esto significa que la vida basada en silicio es imposible? ¿Podría la gente del Planeta X tener una discusión sobre los beneficios de la vida basada en el silicio? Bueno, claro. No es como que los factores mencionados en esta entrada sean definitivos, ni debería pensar que hemos explorado exhaustivamente todas las opciones. Pero estos factores son sin duda razones poderosas para no pensar en la vida basada en el silicio como igualmente probable que en otros mundos cubiertos por la vida basada en el carbono. Incluso Carl Sagan afirmó que, aunque solo era un chauvinista del agua débil, era un gran chauvinista de carbono.

Por lo tanto, los científicos deben considerar la posibilidad de una vida extraterrestre basada en átomos distintos del carbono, pero no se considera altamente probable. Sin embargo, cuando hablamos de esta manera sobre la vida del silicio, debemos recordar que hemos estado hablando sobre la vida que evolucionó directamente de las sustancias no vivas. Hay otra forma de vida de silicio que debemos tener en cuenta.

Silicio de Segunda Generación

“La resistencia es inútil. Serás asimilado.” Esta es una de las frases de marca registrada de uno de los némesis de la humanidad en Star Trek: The Next Generation. Los Borg son cyborgs, que son una mezcla de implantes orgánicos (Es decir, blandos como nosotros) y cibernéticos, que obviamente incluyen metales y silicio. En la serie Beserker de Fred Saberhagen, las criaturas robóticas autorreplicantes vagaban por el cosmos con la intención de destruir la vida. Una computadora llamada HAL en 2001: A Space Odyssey se hizo consciente de sí misma y se volvió contra su tripulación. El epónimo Terminator es un robot consciente de sí mismo encargado de la exterminación de la humanidad. Los Cylons de Battlestar Galactica están en guerra con los humanos. Los Daleks del Dr. Who deambulan diciendo “Exterminar”. Las criaturas basadas en el silicio de la ciencia ficción a menudo son malos.

Uno puede encontrar muchos ejemplos de enemigos cibernéticos de la humanidad en la literatura de ciencia ficción. La trama es a menudo similar a la de Frankenstein, cuando una forma de vida artificial se sale de control y se vuelve contra su creador. Sin embargo, los organismos de esta forma deben considerarse vida en el sentido de cómo nos referimos a los extraterrestres. Estas criaturas cibernéticas (Ya sean enemigas o amigas) no habrían evolucionado directamente de la materia inanimada, pero deberíamos tenerlas en cuenta al considerar qué tipo de alienígenas podríamos encontrar algún día. De hecho, cuando uno considera una forma de vida de segunda generación, es decir, una que está cuidadosamente diseñada por una primera forma de vida inteligente (Donde por primera vez, me refiero a un tipo que ha evolucionado desde cero), muchas de las consideraciones enumeradas aquí son menos importante. Metales, silicio y otros elementos podrían ser partes esenciales de la vida creada. Incluso la vida basada en el carbono de segunda generación podría tener una bioquímica más compleja y eficiente.

Pero, realmente, la idea de una vida de segunda generación quizás no sea la primera preocupación de los científicos que buscan alienígenas en el universo. Sin embargo, si alguna vez aparecen naves espaciales alienígenas sobre las ciudades de la Tierra, probablemente sea mejor esperar que no estén en forma de grandes cubos. Ya sabes, por si acaso…

Para concluir por hoy

Si bien en esta entrada he tratado de describir las consideraciones más importantes en la creación de la vida, de ninguna manera debes pensar que lo que dije aquí es a prueba de todos los argumentos. Algunas de las cosas son bastante indiscutibles, por ejemplo, parece muy poco probable que el helio juegue un papel muy importante en la bioquímica de los extraterrestres. El helio simplemente no participa en la unión atómica. Además, existe una clara ventaja para el uso de carbono como elemento base. Ser capaz de crear muchos enlaces conduce a una química compleja y una biología correspondientemente diversa. También es cierto que sin la energía adecuada (Y una diferencia de energía explotable), la vida no puede existir.

Sin embargo, más allá de eso, es difícil decir algo definitivo. Una vez que uno supera las mínimas consideraciones químicas y físicas de la vida, la evolución es una poderosa herramienta de optimización. Los ciclos bioquímicos basados en la Tierra son extremadamente complejos, y es literalmente increíble que la bioquímica extraterrestre no sea tan complicada como diferente de las rutas observadas en la Tierra.

Aun así, sabemos lo suficiente sobre química para saber que algunas vías metabólicas posibles no pueden producir la misma cantidad de energía que otras. Esto establece algunos límites para los alienígenas que podamos encontrar. Sin embargo, cuando tenemos en cuenta que la vida puede existir en planetas con temperaturas o presiones muy diferentes de las que encontramos en la Tierra, las limitaciones no son tan absolutas como parece.

Lo que espero haber hecho es haberle dado la sensación de que no todas las ideas que puede encontrar en la ciencia ficción son posibles, por ejemplo, una nube de gas sensible es bastante difícil de imaginar. Aun así, el reino de lo posible es todavía bastante amplio. Los astrobiólogos definitivamente tienen un trabajo bastante complejo.

Todos los organismos vivos, desde las plantas hasta los humanos, están hechos del mismo polvo de estrellas que formó este planeta y proporcionó las circunstancias ideales para la creación de la vida. La Tierra y todo el sistema Solar se formaron a partir de los gases y las rocas que fueron desordenados durante el violento episodio conocido como Big Bang. La materia que explotó y se esparció por todo el universo contenía los ingredientes necesarios que eventualmente formarían estrellas, planetas, satélites y otros objetos celestes. Esta materia estaba compuesta de minerales. Además, los minerales ayudaron a formar el primer marco de compuestos estructurales de aminoácidos que finalmente condujeron al desarrollo de la vida.

Los minerales que se originaron en esa nebulosa explosiva se pueden encontrar en nuestros suelos y plantas y, lo que es más importante, se pueden encontrar hoy en nuestras células. Desde el Big Bang hasta el planeta Tierra, los minerales hacen la vida posible en casi todas las formas posibles. Pequeños organismos bacterianos, la fotosíntesis e incluso el crecimiento y desarrollo humano dependen de estos minerales para su propia supervivencia y continuación. En este año (2018) buscaré contar la notable historia de cómo los mismos minerales que formaron la Tierra contribuyen a nuestra existencia cotidiana e influyen en cosas como nuestra memoria, sistema inmunológico, crecimiento y desarrollo. Una vez que entendamos la variedad de procesos de los que los minerales son responsables en las plantas, será más fácil comprender su papel en nuestros cuerpos.

Este blog no se ocupa de los diversos compuestos minerales que existen en los suelos o de los miles de productos químicos, procesos o productos industriales que se crean a partir de minerales. En cambio, se busca contar la historia de dónde provienen los minerales, cómo ayudaron a formar la galaxia de la Vía Láctea, nuestro Sol, la Tierra, la Luna y todos los demás planetas y satélites dentro de nuestro alcance telescópico. En este blog también se buscará explicar cómo los minerales son absorbidos por las plantas, contribuyen al crecimiento y desarrollo de las plantas, terminan en nuestros alimentos y, finalmente, influyen en la mente y la materia del hombre. Esta notable historia transmite la extrema importancia de los minerales en nuestra vida cotidiana.

Aproximadamente hace 5 mil millones de años (Quizás algunos miles de millones de años más), una enorme cantidad de polvo y gases se acumularon en el borde exterior del sistema Solar y comenzaron a contraerse. Eventualmente, el poder gravitatorio colectivo de estas partículas se unió para crear un centro de masa extremadamente denso, mientras que una fuerza centrífuga lo mantuvo girando en una dirección horizontal, pero en espiral. Cuanto más densa es la materia, más fuerte es su atracción gravitatoria. Después de millones de años, esta masa densa en el centro, junto con la energía creada cuando las partículas colisionaron y se comprimieron juntas, forzaron a la masa a calentarse rápidamente. Este mismo proceso más tarde formó nuestro Sol.

Algunas partículas de materia fueron arrojadas en varias direcciones y finalmente formaron el patrón orbital de la Vía Láctea. Durante millones de años, muchas de estas partículas sueltas se unieron para formar gradualmente grandes trozos de materia que acumularon otras partículas y se hicieron aún más grandes. Por lo tanto, algunas de estas partículas se hicieron lo suficientemente grande como para formar los planetas y satélites que actualmente giran alrededor de nuestro Sol, mientras que otras partículas quedaron atrapadas y formaron un cinturón de asteroides, o quedaron atrapados en la gravitación de las partículas más grandes, formando anillos planetarios.

Durante la formación temprana de la galaxia, todo el universo estaba en desorden. La materia estaba dispersa por todas partes y desorganizada. Después de mil millones de años, los planetas siguieron aumentando de tamaño con cada meteorito que chocó contra ellos, y la fuerza de gravedad comenzó a formar la estructura particular de cada uno. A medida que la Tierra se hacía más y más grande con cada nueva adición de materia, la fuerza de su atracción gravitacional continuó aumentando y atrayendo material cósmico. Los meteoritos del cinturón de asteroides bombardearon la Tierra y los otros planetas durante los primeros 500 millones de años después de su formación. De hecho, Solo el 5% del cinturón de asteroides original todavía existe hoy en día, debido a que muchos asteroides fueron desalojados por la gravedad para eventualmente bombardear un objeto celeste.

Cuando un meteorito se estrella en un planeta, proporciona minerales tales como hierro, níquel, fósforo, diversos silicatos, y otros minerales de la nebulosa originales. Muchos sitios de impacto de meteoritos en la Tierra contienen elementos extremadamente raros, como el iridio. Los científicos pueden identificar un sitio de accidente de meteorito examinando el contenido de hierro y níquel, así como la fuerte presencia del iridio en el suelo circundante.

Los meteoritos que contienen hierro proporcionaron el hierro que formó el núcleo metálico de la Tierra hace miles de millones de años. Otros tipos de meteoritos, conocidos como acondritas, entregaron los materiales que encontramos en el manto y la corteza de la Tierra. La superficie de la Tierra estaba extremadamente desorganizada, y durante cientos de millones de años, el núcleo de la Tierra se hizo más y más caliente y el hierro y el níquel se derritieron. Estos metales pesados ​​se hundieron hasta el fondo del núcleo, lo que empujó los elementos más ligeros hacia afuera, formando finalmente el núcleo externo, el manto y la corteza. A medida que la joven Tierra continuó su rotación durante cientos de millones de años, comenzó a tomar una forma más redondeada. Toda esta actividad geológica dio forma al planeta tal como es hoy.

Después de cientos de millones de años de desarrollo planetario y actividad cósmica violenta, las cosas se han calmado relativamente. Hoy en día, nuestro planeta ha desarrollado una atmósfera, en gran parte debido al aumento de las plantas y otros organismos respiratorios. Sin embargo, los meteoritos continúan golpeando nuestro planeta hoy, aunque la atmósfera tiende a quemar la mayoría de ellos. De hecho, desde diciembre de 1999, más de 22,000 meteoritos han sido catalogados, de acuerdo con Monica Gray del Natural History Museum de Londres, autora del Catálogo de meteoritos.

Durante este primer período de la Tierra, muchos elementos importantes que más tarde serían necesarios para mantener la vida fueron encerrados en lo más profundo de la Tierra. Afortunadamente, ocurrieron algunos eventos dinámicos que trajeron muchos de estos elementos a la superficie. Estos episodios violentos involucraron fuerzas extremadamente dramáticas y cambios repentinos en el paisaje. Según la edición de Nature del 3 de junio de 2004, un estudio realizado por la Ontario Geological Society y el Geological Survey of Canada, observó un sitio de impacto de meteorito que afectó a la Tierra a unas 89.000 millas por hora hace casi 2.000 millones de años cerca de lo que hoy se conoce como Ontario, Canadá. Los investigadores descubrieron y examinaron el cráter que durante mucho tiempo se había ocultado bajo tierra o erosionado con el tiempo, aunque parte de él todavía estaba expuesto.

James Mungall, un geólogo de la University of Toronto que trabajó en el proyecto, explica que el impacto fue tan poderoso que penetró capas muy profundas de nuestro planeta, causando que una cantidad masiva de roca sobrecalentada desde las profundidades del planeta se elevara y se asentara en la corteza terrestre, la cual casi cubre todo el cráter. Los investigadores primero notaron que el área consistía en hierro, níquel y platino, que normalmente se encontraría en las capas más profundas de la Tierra en lugar de en la corteza exterior.

Tras un examen más profundo, se dieron cuenta de que este era el sitio de un gran impacto de meteorito. El impacto no Solo invirtió la estratificación de la corteza y trajo estos valiosos minerales a la superficie, sino que también presentó iridio, que normalmente no se considera nativo de la formación temprana del planeta, pero generalmente se encuentra alrededor de los sitios de impacto de meteoritos.

En medio de toda esta actividad, el escenario se estaba organizando para un evento importante que ocurriría: el origen de la vida. La mayoría de los investigadores creen que el comienzo de la vida no consistió simplemente en un proceso biológico, sino que fue primero un proceso químico. Hace millones de años, la superficie de la Tierra consistía principalmente en rocas, aire y agua. Sin embargo, la vida finalmente surgió de estas circunstancias, y los expertos en el tema han debatido durante décadas cómo la actividad química contribuyó al desarrollo inicial de la vida. Los compuestos basados ​​en el carbono que existían en este momento estaban compuestos principalmente por gases con Solo un átomo de carbono en cada molécula, como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono y el metano. Sin embargo, los bloques de construcción de organismos vivos siempre consisten en grasas, azúcares y aminoácidos. Estas sustancias generalmente contienen hasta 12 átomos de carbono por molécula, formando una “cadena” compleja que se une y se organiza en órdenes particulares.

Investigadores de la University of Florida han demostrado cómo los minerales que contienen bórax transforman las moléculas que contienen carbono encontradas en las nubes de polvo atmosférico en un azúcar conocido como ribosa, que es un ingrediente crítico en el material genético ácido ribonucleico (ARN). La ribosa tiene una estructura química que la hace efectiva en la unión con compuestos minerales que contienen boro. El boro es esencial para mantener el azúcar de la ribosa lo más limpio posible y evitar que se convierta en una sustancia similar al alquitrán. En experimentos de laboratorio, un equipo de investigadores pudo imitar las condiciones tempranas de la Tierra y creó ribosa a partir de minerales que contienen boro. Este fue el primer estudio de laboratorio que realmente creó ribosa a partir de compuestos minerales de boro, demostrando que los minerales fueron responsables de la creación temprana no Solo de aminoácidos complejos, sino de azúcares simples como la ribosa.

Sin embargo, durante las etapas iniciales de la vida, la Tierra joven todavía estaba sin atmósfera, lo que permitía la radiación extremadamente dañina del Sol. Por lo tanto, el proceso inicial de formación de moléculas de carbono fue difícil de lograr, ya que cualquier molécula basada en el carbono se disolvió rápidamente en la intensa luz del Sol. Para que estas moléculas se formen y produzcan sus reacciones químicas, necesitan apoyo y protección de los rayos del Sol. Es una creencia ampliamente aceptada que los minerales proporcionaron esta asistencia para hacer realidad estos procesos críticos.

Los minerales, junto con el aire y el agua, fueron los únicos materiales disponibles durante la formación temprana de la Tierra que podrían crear los componentes básicos de un organismo vivo. Según el Dr. Robert M. Hazen, científico investigador del Carnegie Institute of Washington’s Geophysical Laboratory y profesor de Ciencias de la Tierra en la George Mason University, era necesario que se produjeran una serie de reacciones químicas que permitieran la aparición de la vida. En un ensayo titulado Life’s Rocky Start que se publicó en la edición de abril de 2001 de Scientific American, el Dr. Hazen explicó que las materias primas básicas que existían en ese momento necesitaban transformarse químicamente de una manera que permitiera a las moléculas basadas en carbono finalmente se replican ellos mismos. Según el informe, “las transformaciones críticas podrían no haber sido posibles sin la ayuda de minerales que actúan como contenedores, andamios, plantillas, catalizadores y reactivos”.

Los minerales habrían actuado como un contenedor con sus pequeños agujeros encontrados en las superficies erosionadas de los compuestos, que habrían proporcionado a las primeras moléculas de la cadena formadora de carbono la cobertura necesaria que necesitaban de la luz Solar directa. Entonces, los minerales podrían haber actuado como un andamio para atrapar moléculas orgánicas transitorias entre sus capas de arcilla. Esto habría proporcionado el espacio necesario para que las moléculas orgánicas se ensamblen y comiencen a formar compuestos más complejos.

El Dr. Hazen también explica que los compuestos minerales proporcionaron a estas moléculas orgánicas la cobertura, el espacio y el tiempo que necesitaban para ensamblarse y formar cadenas complejas. Sin embargo, no todas las cadenas complejas que se estaban formando llegarían a ser significativas. Las observaciones de investigación han revelado que los aminoácidos están disponibles en dos formas diferentes, una con una forma particular conocida como “diestro” y otra con una forma particular conocida como “zurda”. A través de la experimentación, los investigadores ahora entienden que las caras de cristal de diversos compuestos minerales ideal para las moléculas de aminoácidos zurdos. Poco a poco, la organización de estos aminoácidos zurdos dio lugar a una cadena cada vez más larga de moléculas similares a proteínas que finalmente comenzó a catalizar pasos importantes, en última instancia, aumentar la cantidad total de procesos biológicos.

Los minerales disueltos desempeñaron un papel fundamental en el desarrollo temprano de los orígenes de la vida. Cuando estos primeros minerales fueron expuestos al agua caliente a alta presión, disolvieron y liberaron sus átomos, que luego se involucraron en procesos químicos como las enzimas. Los minerales también proporcionaron un puerto seguro recogiendo y protegiendo las primeras moléculas basadas en carbono, y ayudando a organizarlas en sus complejas cadenas de aminoácidos. Estos primeros procesos comenzaron los primeros esfuerzos de replicación de estas moléculas. Pronto, los cambios, las adaptaciones y las mutaciones condujeron a la creación de cadenas de moléculas más grandes y, en última instancia, a la competencia por los recursos naturales, que gradualmente se convirtió en un proceso de selección natural.

Desde el núcleo interno hasta la corteza externa, toda la Tierra está compuesta de minerales en forma de rocas y tierra. Toda la vida vegetal y animal dependen de estos minerales y no podrían funcionar sin su presencia.

Comprender los minerales primero requiere cierta comprensión de las rocas. ¡Las rocas están en todas partes! En tu jardín, en la calle, en tu casa y en todos lados. Incluso las estructuras físicas, como las estatuas y los objetos cotidianos que utilizamos, como tiza, plomo, papel de lija, hormigón y vidrio, están compuestos de rocas. Los fragmentos de roca se usan para construir oficinas y hogares con ladrillos, construir automóviles y aviones con metales como el aluminio y formar joyas. La arena y el barro también son fragmentos de roca.

Las rocas están formadas por dos o más minerales fusionados por calor, temperatura, presión o cambios químicos dentro de nuestro planeta. De hecho, una roca puede comenzar como una sola sustancia y durante miles de años puede cambiarse muchas veces a través de estas diferentes fuerzas naturales. Estos cambios geológicos en rocas representan lo que se conoce como un “ciclo de rocas”.

Las rocas se encuentran en tres formas diferentes. Las rocas ígneas se forman cuando los volcanes escupieron roca fundida llamada magma desde el interior de la Tierra que se asienta en la superficie y se enfría. La Tierra se sigue modificando a partir de este proceso volcánico en la actualidad.

Las rocas sedimentarias se forman a partir de materiales que se depositan en lagos y océanos. Los ejemplos incluyen arenisca, pizarra y piedra caliza, que se forman a partir de materiales oceánicos compactados que han sido presionados a lo largo del tiempo. La mayoría de los fósiles antiguos se encuentran en rocas sedimentarias ya que se depositaron juntas.

Las rocas metamórficas se forman cuando las rocas ígneas o sedimentarias se calientan o se someten a presión adicional. Si el calor y la presión son suficientes, los minerales originales se derretirán. A medida que se enfría, se pueden formar nuevos minerales, dependiendo de qué combinación de elementos se combinen para formar el nuevo mineral compuesto. El calor o la presión dentro de la Tierra exprime, hornea o pliega estas rocas en una nueva forma, que puede tomar miles de años. De hecho, metamórfico proviene del griego “μετα” (meta) más allá, entre, junto a, y “μορφο” (morpho) forma, lo que significa “cambio de forma”.

Incluso hoy en día, las rocas de las profundidades de la Tierra o del espacio exterior continúan suministrando minerales a la superficie exterior de la Tierra a través de violentos impactos meteóricos, movimiento tectónico de placas que crea montañas y colinas y erupciones volcánicas.

La Tierra tiene tres capas: el núcleo en el centro, un manto muy grueso y una corteza delgada. La roca no siempre es sólida. El centro de la Tierra es una esfera de roca caliente, lenta y en continuo movimiento que se compone de hierro y níquel. El centro del núcleo es sólido, mientras que el núcleo externo es roca líquida. Este núcleo esférico siempre se mueve e influye en las fuerzas geológicas que dan forma a nuestro planeta.

Alrededor del núcleo hay otra capa de la Tierra llamada manto que está compuesta de oxígeno, silicio, magnesio, aluminio, hierro y muchos otros elementos en cantidades más pequeñas. Finalmente, la corteza exterior de la Tierra rodea el manto y es más ligera, más fresca y más rígida que el manto y es como una fina capa que rodea el planeta. El espesor de la corteza varia, pero es muy delgado en comparación con el manto o núcleo y se cree que comprende Solo el 1% de la masa total de nuestro planeta. El oxígeno, el silicio, el aluminio y el hierro contribuyen con el 96% de la composición total de la corteza, mientras que el calcio, el magnesio, el sodio, el potasio y todos los demás elementos constituyen el 4% restante. Por lo tanto, la mayoría de los minerales con los que estás familiarizado serán en realidad algún tipo de compuesto químico de los tres elementos más abundantes que se encuentran en la corteza: oxígeno, silicio y aluminio, con cantidades más pequeñas de otros elementos.

La corteza y el manto más externo juntos forman una capa rígida llamada litosfera, que está separada en una docena de placas grandes que rodean nuestro planeta. Estas placas de la litosfera tienen miles de kilómetros de ancho y están separadas por grandes fracturas. Las fuerzas geológicas dentro de la Tierra mantienen estas placas moviéndose muy lentamente, a veces rozándose unas con otras o colisionando. Si dos de estas placas chocan, algunas de las rocas son empujadas hacia arriba, subiendo montañas y colinas y creando formaciones rocosas, y exponiendo pedazos de la corteza y el manto a la superficie.

¿Qué causa que estas placas se muevan? El núcleo de la Tierra transfiere el calor por el movimiento lento de la roca justo debajo de la corteza. Este motor de calor interno se compone de un movimiento continuo de roca caliente y es responsable de distribuir las placas sobre la superficie y el movimiento y la reorganización de los continentes. Según Ron Vernon, autor de Beneath Your Feet: The Rocks of Planet Earth, “La Tierra es un objeto dinámico y en constante movimiento, y este movimiento interno rige el cambio continuo y el reciclaje de sus materiales. Su gran variedad de rocas refleja esta lenta pero implacable actividad dinámica en los últimos 4.600 millones de años “.

Un “mineral” se define como una sustancia sólida e inorgánica creada por la naturaleza. Son siempre sólidos cristalinos, lo que significa que cada átomo individual está unido estrechamente en patrones regulares. Algunos minerales tendrán formas regulares si crecen libremente en un líquido. Los minerales de este tipo forman cristales como los especímenes que puedes ver en los museos, pero si su crecimiento está obstaculizado por otros minerales y no puede crecer libremente, lo que hace que se forme una forma irregular, o si son fragmentos, se llaman granos. Sin embargo, la estructura atómica de estos minerales seguirá siendo sólidos cristalinos, independientemente de si crean cristales o granos.

Podemos clasificar cualquier sustancia de dos maneras diferentes: un “elemento” o un “compuesto”. Los elementos son sustancias que no se pueden descomponer en una sustancia más simple. Por el contrario, un compuesto (como una roca) contendrá dos o más elementos, lo que significa que contiene dos o más tipos de átomos. Por ejemplo, el sodio es el undécimo elemento en la Tabla periódica de elementos y cuando existe por sí solo es un ejemplo de una sustancia única, o el elemento de sodio. Sin embargo, cuando el sodio se mezcla con cloro, ahora comprende una nueva sustancia compuesta llamada sal de mesa regular de cloruro de sodio. Cuando un elemento es ‘forzado’ a mezclarse con otro, se obtiene un compuesto.

Ahora hay 118 elementos en la Tabla Periódica de Elementos (La revisé el 16 de enero de 2018), y ocasionalmente se descubre un nuevo elemento. Los científicos debaten sobre cuántos de ellos se consideran “de origen natural” y, curiosamente, el número exacto aún es incierto. La mayoría de los científicos reconocen que los primeros 92 elementos son de origen natural, aunque solo se han encontrado 90 en la naturaleza. Dependiendo de cómo se defina el término, algunos científicos reconocen que 88 es de origen natural, mientras que otros insisten en que Solo hay 83. De todos modos, no todos estos elementos naturales se encuentran en la Tierra. Por ejemplo, el elemento 43 “Tecnecio” (Tc) nunca se ha encontrado naturalmente en la Tierra. Por el contrario, se encuentra solo en estrellas muy grandes.

La mayoría de los minerales con los que estamos familiarizados son en realidad combinaciones de dos o más de estos elementos fusionados de diversas maneras geológicas. Uno de estos elementos interactuará con otro elemento para formar un compuesto, y cuando se crea una sustancia compuesta, el resultado a menudo puede ser un mineral, dependiendo de qué elementos se mezclan. Se estima que hay entre 3.000 y 5.000 minerales diferentes en el mundo. ¡Es una gran cantidad de compuestos diferentes creados a partir de solo 118 elementos! Algunos ejemplos de estos compuestos minerales incluyen carbonato de calcio, cloruro de zinc y sulfato de cobre, por mencionar solo a algunos.

Independientemente de cómo lleguen las rocas a la superficie de la Tierra, ya sea a través de meteoros, volcanes u otras formas de actividad, las fuerzas de la naturaleza que descomponen estas rocas en pedazos más pequeños se conocen como “erosión”. En general, la meteorización es un proceso constante que se desintegra y disuelve la roca en trozos cada vez más pequeños. La descomposición de estos grandes fragmentos de roca en piezas más pequeñas lleva miles de años y, finalmente, crea la corteza y el suelo exterior de la Tierra.

Estudiar minerales sería incompleto sin una comprensión de la geología y la ciencia del suelo, y el suelo no siempre recibe el reconocimiento que se merece. Una forma común en que alguien insulta a otra persona es decir que son “inferiores a la suciedad”. ¡Es posible que no se den cuenta de que la suciedad es uno de los productos más valiosos de la Tierra! Conocido como “suelo”, no es solo algo que nos lavamos después de trabajar en el jardín. El suelo contiene una historia geológica y biológica de un increíble mundo de vida que cubre todo el planeta. La próxima vez que salgas al exterior, recoge un puñado de tierra y huele su olor a tierra y siente su textura (bueno, quizá lo de olerlo no sea recomendable después de todo). ¡Entonces recuerda que ese puñado de tierra tardó miles de años en crearse!

He escuchado a la gente decir: “Eres lo que comes”, pero lo que no se dice es que lo que comes suele estar directamente relacionado con el suelo en el que crecen. A medida que comenzamos a entender más íntimamente los principios básicos de la composición del suelo y los procesos complejos que lo crean, pronto nos damos cuenta de que los sistemas vivos, como las plantas y los animales, dependen de los suelos que son ricos en minerales.

El aire que respiramos es una mezcla de diferentes gases, y nuestro suelo es una mezcla de sólidos, espacio aéreo y organismos vivos. Durante millones de años, las partículas de roca se descomponen en pequeños fragmentos que constituyen aproximadamente el 97% de la parte sólida del suelo. El 3% restante comprenderá materiales orgánicos, como tejidos de plantas y animales descompuestos. Los espacios entre estas partículas de roca y los trozos de materia orgánica se llenan de aire y agua.

Los suelos son diferentes de los materiales originales en los que fueron creados. Los suelos son materiales altamente complejos que tienen elementos estructurales y biológicos que permiten que las plantas crezcan, y son sistemas ecológicos dinámicos que brindan soporte, agua, minerales y aire para el crecimiento y desarrollo de la vegetación. De hecho, los suelos provienen de diversos materiales y dependen de las condiciones geológicas para su desarrollo.

El suelo consiste en roca, arcilla o limo desgastados y sueltos, y materia orgánica como plantas muertas y en descomposición. Hay variedades de suelos que contienen cantidades variables de estos materiales. El contenido mineral del suelo proviene de la roca desgastada y de la materia orgánica en descomposición.

El suelo se forma cuando los materiales sueltos son transportados por el viento, el agua o la gravedad. También pueden ser transportados por los glaciares y depositados en un paisaje firme, o cuando la roca de fondo está expuesta y se vuelve vulnerable a la intemperie. La formación del suelo es un proceso geoquímico largo que reduce el tamaño de estas partículas, reorganiza las partículas minerales, cambia los tipos de minerales, agrega materia orgánica y produce arcillas. Hace millones de años, las rocas grandes y los trozos grandes de materia orgánica se descomponen por la erosión y la erosión en partículas más pequeñas para crear la arena, el limo y la arcilla que vemos hoy en nuestro suelo.

Los materiales originales para la formación del suelo deben ser transportados y depositados en un sitio adecuado. Sin embargo, la forma en que la naturaleza transporta las rocas a menudo se lleva a cabo a través de fuerzas muy dinámicas y métodos inusualmente destructivos. En algunas partes de Europa, las tormentas frente al Océano Atlántico están causando olas tan grandes y poderosas que están arrancando rocas gigantes de la cima de los acantilados y lanzándolas hasta 50 metros hacia el interior. Según el Dr. James Hansom del grupo de playa costera de la Glasgow University, hasta 100 olas gigantes podrían golpear la costa de Gran Bretaña cada año, lo suficientemente grandes como para superar los acantilados de 20 metros de altura. Los investigadores no pensaron originalmente que era posible que Gran Bretaña estuviera siendo golpeada por olas tan grandes que podrían aplastar la roca y luego arrojarla a distancias considerables, pero han encontrado varios lugares donde está sucediendo. Estas rocas pueden pesar hasta 50 toneladas y pueden tener hasta tres metros de largo, del tamaño de un camión pequeño y mucho más pesadas.

Los experimentos que se llevan a cabo en el tanque de olas de la Glasgow University muestran que las olas son capaces de romper cantos rodados en los acantilados previamente debilitados por las tormentas y llevarlos tierra adentro a una velocidad de cinco metros por segundo. El transporte de estos enormes cantos rodados por los vientos y las corrientes oceánicas no es un fenómeno moderno. El equipo del Dr. Hansom ha analizado muestras de suelo y plantas de debajo de los cantos rodados que han llegado a la costa en la isla de Orkney y descubrió que esos cantos rodados tienen casi 300 años. Muchas de las rocas se han amontonado en crestas, mostrando que las olas masivas habían repetido la acción de arrojar rocas muchas veces desde entonces. A veces la furia de la naturaleza es en realidad otra forma de meteorización física que marca la génesis de la formación del suelo depositando rocas que eventualmente se convertirán en el material parental del suelo.

El suelo solo puede heredar los minerales que se encuentran en el material original. Su formación es un proceso de meteorización constante pero lento que puede llevar millones de años involucrando muchos procesos ambientales diferentes que descomponen partículas grandes en piezas cada vez más pequeñas.

El clima de un área determina cómo la precipitación y la temperatura influirán en la formación del suelo, y variarán con la latitud y la elevación. La cantidad de precipitación (lluvia, nieve o ambas cosas) y su distribución durante el año son factores importantes. El aumento de la precipitación generalmente resulta en tasas más rápidas de erosión, mientras que la intensidad de la lluvia afecta la cantidad de escorrentía, erosión y destrucción del suelo.

Las temperaturas extremas a través de las fluctuaciones diarias y estacionales también debilitan y descomponen las grandes partículas de roca. Una de las fuerzas más destructivas de la intemperie es la congelación. La humedad puede abrirse paso en pequeñas grietas y pozos en las rocas, congelarse y luego expandirse, creando grietas más grandes y agujeros más grandes. La presión que se produce puede ser hasta 100 veces mayor que la presión de los neumáticos. Cuando la congelación y la expansión continúan una y otra vez, la roca se dividirá y se dividirá en pedazos más pequeños.

La meteorización también puede ocurrir en los ambientes desérticos. El viento es una fuerte fuerza de intemperie que constantemente arroja arena y otros desechos a las rocas, mientras que los extremos del clima frío y caliente hacen que los grandes cantos rodados se desmoronen.

El agua es uno de los agentes más importantes en todo el proceso de formación del suelo. Disuelve las rocas y los minerales de sus compuestos originales en nuevas formas, un proceso conocido como “disolución”. El agua cae como precipitación y puede salir de la superficie del suelo. Se expande cuando se congela en las grietas de las rocas, haciendo que las rocas se quiebren y se abran. También puede desgastar rocas y molerlas en trozos más pequeños por el lento movimiento de los glaciares. La congelación, descongelación, calentamiento, abrasión, hinchazón y contracción son extremos ambientales que dividen las rocas grandes en fragmentos cada vez más pequeños, preparando los minerales contenidos en las rocas para ser absorbidos por las plantas.

La topografía del paisaje también influye en la formación del suelo. El ángulo de una pendiente determinará la cantidad de agua que se escurre o absorbe en el suelo. La pendiente puede afectar la temperatura del aire y la frecuencia del viento. En el hemisferio norte, las laderas orientadas al norte serán más frías que las laderas orientadas al sur debido a la menor exposición al Sol. El suelo más frío tiene menos desarrollo que el suelo más cálido debido a la menor fluctuación de temperaturas extremas. En los desiertos, la humedad es limitada, por lo que las temperaturas más frías y la menor evaporación por la menor exposición al Sol proporcionarán un suelo más profundo en las laderas orientadas al norte. En los hemisferios del sur, las laderas orientadas al sur tendrán una tasa diferente de formación de suelo.

Otro factor importante en el desarrollo del suelo es su contenido de organismos vivos como plantas e insectos conocidos como “biota”. Estos organismos son de todos los tamaños, incluidos algunos que solo son visibles a través de un microscopio, y organismos más grandes como las arañas y tuzas. Cada uno de estos organismos crea poros en el suelo y mezclan la materia orgánica con la arena, el limo y las partículas de arcilla.

Las plantas también están involucradas en la formación del suelo. Toman carbono de la atmósfera y lo agregan al suelo, y cuando sus raíces atraviesan el suelo, añaden materia orgánica a través de sus hojas cuando sus raíces se desprenden y cuando sus hojas caen al suelo. Estos depositan nutrientes para los microorganismos pequeños en el suelo.

Durante siglos, los humanos viajaron y fueron pioneros en todos los continentes. Cuando los humanos se asentaron y desarrollaron la agricultura, las fuentes de alimentos ya no provenían de una variedad de suelos, sino que eran de la misma superficie cultivada año tras año. Los minerales esenciales pueden agotarse mediante el cultivo intenso de una sola cosecha año tras año, hasta que el suelo se agote, lo que lleva a una disminución en el rendimiento y la calidad de los cultivos. Los cultivos actuales se cosechan en los mismos suelos que se usan una y otra vez, y no todas las granjas practican regularmente la re-mineralización de los suelos utilizando todo el espectro de minerales. En cambio, la aplicación más común de fertilizantes consiste en solo tres minerales: nitrógeno, fósforo y potasio (NPK).

Siglos atrás, las personas oraban por inundaciones anuales que irrigaran y recargaran sus suelos con minerales. Algunos de los primeros pioneros viajaron al oeste cada 12 años porque se creía que después de 12 años los suelos se habían agotado de su contenido mineral. El ciclo mineral involucra a las plantas que absorben minerales del suelo y eventualmente reponen el suelo con materia orgánica, como raíces, hojas, flores, frutas, que devuelven los minerales al suelo para que la próxima generación de plantas los retomen. Pero como los cultivos son cosechados, los minerales no pueden regresar.

La fertilización es un proceso agrícola importante que devuelve algunos de los minerales que se perdieron durante la cosecha. Algunos suelos pueden ser naturalmente deficientes en fósforo, molibdeno o cobre, mientras que otros suelos pueden contener cantidades excesivas de selenio. Sin embargo, la sobre-fertilización puede destruir los microorganismos del suelo que son responsables de hacer que los minerales sean Solubles o puede cambiar el equilibrio de pH de los suelos para hacer que algunos minerales no estén disponibles.

La agricultura juega un papel importante en la producción de alimentos para los seres humanos. A los agricultores se les paga el rendimiento en lugar de la calidad, por lo que se utiliza el mínimo fertilizante. Cabe señalar que debe considerarse la reposición de los minerales perdidos utilizando materia orgánica descompuesta o fertilizantes que contengan más que la fórmula básica de NPK.

Las llanuras aluviales son generalmente sitios de tierra rica en minerales. Algunas de las tierras agrícolas más ricas de Australia se encuentran en un paisaje inundado regularmente. Sin embargo, el control de inundaciones ha eliminado este depósito anual de suelo fresco y el transporte de un nuevo suministro mineral. Los cultivos producidos durante estas condiciones de fertilización insuficiente tienen tasas de crecimiento bajas y no resisten muy bien las enfermedades o plagas. Los plaguicidas artificiales se utilizan para protegerse de las plagas y aumentar los rendimientos de los cultivos, lo que aumenta el problema. Los organismos vivos con una concentración saludable de minerales son naturalmente capaces de resistir a los patógenos. Sin estos minerales habrá una disminución en la fuerza del sistema inmune tanto en las plantas como en los animales.

El suelo es responsable de muchos aspectos diferentes de la supervivencia humana. Por ejemplo, la ciencia del suelo ayuda a los agricultores ayudando a seleccionar tierras de cultivo adecuadas y creando un terreno fértil para los cultivos. También ayuda a la construcción de carreteras, edificios, complejos comerciales y otras estructuras físicas. Los científicos del suelo llevan a cabo “estudios de suelos” que les permiten a los propietarios de tierras determinar si sus tierras son buenas para la agricultura, o si pueden apoyar una estructura de gran altura. ¿Es la tierra apropiada para la vivienda? ¿Construyendo caminos o carreteras? ¿Puede contener un vertedero? ¿Debería usarse para un parque o campo de golf? ¿Se drena bien?

El suelo rico en minerales es un bien importante por muchas otras razones. El suelo absorbe y filtra los materiales químicos, lo que también evita que los organismos enfermos contaminen el agua subterránea. Los agricultores ven el suelo como un recurso para cultivar cultivos u otros tipos de vegetación. Los ingenieros y los trabajadores de la construcción ven el suelo como la base de puentes, carreteras, carreteras, viviendas y edificios. Los propietarios lo ven como una fuente de belleza para sus jardines y hogares. ¡Debería ver el suelo como un proveedor de minerales para su comida!

La capacidad del suelo para proporcionar los nutrientes esenciales para el crecimiento y desarrollo de la vegetación es una medida de su calidad y se conoce como “fertilidad del suelo”. La calidad del suelo le permite producir cosechas vibrantes equilibradas en todos los nutrientes esenciales e incluso algunos nutrientes beneficiosos Esta fertilidad proviene de los minerales que se han encerrado dentro de la arena, el cieno y las partículas de arcilla que se han sometido a los procesos de erosión y meteorización.

Una característica importante del suelo es que está compuesto de arena, limo y arcilla, que tienen diferentes funciones en el suelo. Se considera que la arena es una partícula de roca gruesa y grande que varía de 0.05 a 2.00 mm de diámetro. Se humedece con la lluvia y el agua de riego, airea el suelo al proporcionar espacio aéreo y permite el drenaje del agua. La arena está compuesta principalmente de silicio. El limo son partículas de roca mucho más pequeñas que varían de 0.002 a 0.05 mm de diámetro. ‘Puentea’ la arena y las partículas de limo para hacerlas compatibles. La arcilla son partículas de roca más pequeñas que van desde 0.0002 hasta 0.002 mm de diámetro. Absorbe y “retiene” el agua, los compuestos orgánicos y los nutrientes de las plantas. Todas estas partículas son rocas y su composición variable determina la textura del suelo. De hecho, la textura tiene tal importancia para los científicos del suelo que los suelos se nombran de acuerdo con la clasificación de su textura.

Es posible que hayan notado que el suelo viene en una variedad de colores, como naranja, marrón, amarillo, gris, rojo, blanco e incluso azul o verde. El color generalmente indica una presencia dominante de un elemento mineral.

Los suelos más oscuros generalmente contienen una fuerte presencia de materia orgánica. Los suelos blancos son comunes cuando existen sales o carbonato (piedra caliza) en el suelo. Los suelos rojos y amarillos indican un alto contenido de óxido de hierro y, por lo general, se encuentran en suelos altamente erosionados, generalmente por el viento o la lluvia. Los suelos grises, azules o verdes a menudo se saturan con agua porque los minerales que originalmente les dieron los colores rojo o amarillo se han lixiviado, lo que indica una vez más la meteorización física y química en proceso.

Sin embargo, las partículas de roca inorgánica no son los únicos ingredientes en el suelo. El suelo también consiste en material “orgánico”. Orgánico es definido como una molécula de carbono que se ha unido a otra molécula. La materia viva contiene carbono. La materia orgánica típicamente incluye residuos de plantas y animales descompuestos que fueron sintetizados por pequeñas bacterias y microorganismos en el suelo. Las fuentes de materia orgánica incluyen la materia viva como las raíces de las plantas, las hojas y las ramas que caen en el suelo, la hierba y los desechos de animales de microorganismos y vertebrados grandes. Estos materiales orgánicos eventualmente se reciclarán a través de la descomposición y el deterioro, liberando los minerales inorgánicos de vuelta al suelo, completando finalmente el ciclo mineral.

El ciclo mineral nunca se detiene.

Referencias

Geochemical evidence from the Sudbury structure for crustal redistribution by large bolide impacts

James E. Mungall, Doreen E. Ames & Jacob J. Hanley

Life’s Rocky Start

Robert M. Hazen

Evidence from meimechites and other low-degree mantle melts for redox controls on mantle-crust fractionation of platinum-group elements

James E. Mungall, Jacob J. Hanley, Nicholas T. Arndt, and Anne Debecdelievre

Structural characteristics of the Sudbury impact structure, Canada: Impact-induced versus orogenic deformation

Ulrich Riller

Beneath Your Feet: The Rocks of Planet Earth

Ron Vernon

Tabla Periódica de los Elementos

Scotland’s coast: Understanding past and present processes for sustainable management

Jim D Hansom

Si el objetivo de su organización es crear un programa de inocuidad alimentaria más grande o mejor, entonces le sugiero que, aunque puede ser una buena intención, puede estar perdiendo el camino. Su objetivo debe ser crear una cultura de inocuidad de los alimentos, no un programa de inocuidad alimentaria. Hay una gran diferencia entre los dos.

La cultura es uno de esos términos que se usa con frecuencia en la sociedad actual, tal vez incluso se usa en exceso. Entonces, ¿qué significa realmente? Las palabras que elegimos y cómo las usamos son importantes. Son más importantes de lo que a veces nos damos cuenta. Ellos son la base de una comunicación efectiva. Así que tomemos un momento para revisar la palabra cultura.

¿Qué es cultura?

Como científico de alimentos (Por definirme de alguna manera), la cultura puede ser uno de esos términos que parece un poco borroso o abstracto. Es difícil para nosotros envolver nuestros brazos alrededor de eso. Nos sentimos mucho más cómodos hablando de microorganismos específicos, pH, actividad del agua y temperatura. Consideramos que estas son las ciencias duras. Nos sentimos menos cómodos al hablar de términos relacionados con el comportamiento humano, como la cultura, a menudo denominados “Productos blandos”. Para hacer este punto, pretendamos que le pedirá a 10 diferentes científicos de alimentos que definan la cultura para ti. ¿Cuáles crees que serían sus respuestas? Es muy probable que obtenga 10 respuestas diferentes. Pero si pidieras a estos mismos 10 individuos que definan el pH o la actividad del agua, sospecho que sus respuestas serían mucho más similares.

Si nos fijamos en las tendencias de las enfermedades transmitidas por los alimentos durante las últimas décadas, es claro para mí que las cosas suaves siguen siendo las duras. No haremos mejoras dramáticas en la reducción de la carga global de enfermedades transmitidas por los alimentos, especialmente en ciertas partes del sistema alimentario y del mundo, hasta que podamos mejorar y mejorar el comportamiento humano (las cosas suaves).

Entonces, ¿qué es la cultura? Bueno, una de las mejores definiciones que he encontrado (Social and Behavioral Foundations of Public Health, M. (Marie) Jeannine Coreil) afirma que “La cultura es un patrón de pensamiento y comportamiento que caracteriza a un grupo social, que se puede aprender a través de procesos de socialización y persistir a través del tiempo. En consecuencia, desde nuestra perspectiva, una cultura de inocuidad de los alimentos puede verse sobre cómo y qué piensan los empleados de una empresa u organización sobre la inocuidad de los alimentos. Son los comportamientos de inocuidad alimentaria que rutinariamente practican y demuestran. Según esta definición, los empleados aprenderán estos pensamientos y comportamientos simplemente al formar parte de la compañía o grupo organizacional. Además, estos pensamientos o comportamientos se extenderán por toda la organización. Y si realmente creas una cultura de inocuidad alimentaria, estos pensamientos y comportamientos se mantendrán a lo largo del tiempo en lugar de ser el “programa del mes” o el enfoque de este año.

Una definición más técnica de la Health and Safety Commission establece: “La cultura de inocuidad de una organización es el producto de los valores, actitudes, competencias y patrones de comportamiento individuales y grupales que determinan el compromiso y el estilo, así como la competencia de los programas de salud e inocuidad de una organización. Las organizaciones con una cultura de inocuidad positiva se caracterizan por comunicaciones basadas en la confianza mutua, por las percepciones compartidas de la importancia de la inocuidad y por la confianza en la eficacia de las medidas preventivas. “Aunque esta definición es un poco más técnica, me gusta el hecho de que ilustra una cultura de inocuidad alimentaria que se compone de pensamientos, actitudes y comportamientos tanto individuales como grupales. Ilustra que la inocuidad alimentaria es independiente. Cada empleado o persona dentro de una organización tiene la responsabilidad personal de preparar o servir alimentos inocuos. También ilustra que la inocuidad alimentaria es interdependiente. Todos los empleados dentro de la organización o compañía comparten la responsabilidad de garantizar la inocuidad alimentaria. Y la suma de los esfuerzos de inocuidad alimentaria dentro de una organización depende críticamente y es más importante que sus partes.

Pero mi definición favorita, debido a su simplicidad, es ” La cultura es la forma en que hacemos las cosas aquí”. En pocas palabras, una cultura de inocuidad alimentaria es la forma en que una organización o grupo garantiza la inocuidad alimentaria.

Así que ¿Por qué la cultura es importante?

Quiero que se detengan por un momento y se quiten el sombrero de “inocuidad alimentaria”. Piensen en un gran accidente catastrófico de inocuidad que haya leído en el periódico o que haya escuchado en las noticias. ¿Recuerdas cuál fue la causa raíz subyacente? ¿Se informó que el accidente se debió a un diseño defectuoso? ¿Fue atribuido al error del operador? ¿Recuerda si el entrenamiento inadecuado estuvo implicado como la causa? Quizás las opciones que hayan escuchado como causas de la desviación sean: i) Falla del Diseño; ii) Error del Operador; iii) Capacitación Inadecuada; iv) Cultura organizacional. ¿No les son familiares?

En los accidentes de inocuidad mayores o catastróficos de nuestros días, no es raro que se identifique la causa inmediata, por ejemplo, como un diseño defectuoso, un error del operador o una capacitación inadecuada. Sin embargo, si observa más de cerca las investigaciones de accidentes mayores como Three Mile Island, Chernobyl y el desastre del Shuttle, una causa subyacente -la cultura de la organización- a menudo se cita como la cuestión fundamental que va más allá de la razón inmediata o aparente. Como ilustración importante de este punto, el 1 de febrero de 2003, los Estados Unidos de América sufrieron la trágica pérdida del transbordador espacial Columbia y su tripulación de siete miembros. Se determinó que la causa física del accidente era una brecha en el Sistema de Protección Térmica en el borde delantero del ala izquierda del transbordador. El daño ocurrió cuando un pedazo de espuma aislante se separó del tanque externo poco después del lanzamiento golpeando el ala izquierda. Aunque el informe de la investigación del accidente fue exhaustivo y detallado, hubo una declaración en particular en el informe que me llamó la atención. El Columbia Accident Investigation Board (NASA Website) concluyó: “Desde nuestro punto de vista, la cultura organizacional de la NASA tuvo tanto que ver con este accidente como la espuma”. Esta cita sirve como un poderoso y aleccionador recordatorio de la importancia de la cultura.

No hay duda de que la cultura de una organización influye en la inocuidad. La cultura de la organización influirá en cómo las personas dentro del grupo piensan sobre la inocuidad, sus actitudes hacia la inocuidad, su disposición a discutir abiertamente las preocupaciones de inocuidad y compartir opiniones diferentes, y, en general, el énfasis que ponen en la inocuidad. Entonces, ¿este punto también es aplicable en el campo de la inocuidad alimentaria? Por supuesto que es. Sin embargo, es interesante observar que no es común ver informes de investigaciones de brotes transmitidos por alimentos u otros eventos significativos de inocuidad de los alimentos, donde incluso se menciona la cultura de la organización. Leyendo algunos reportes en la página de la FDA, llego a pensar que, en algunos de los principales incidentes de inocuidad alimentaria de nuestros días, la cultura de la organización también ha desempeñado un papel clave.

Entonces ¿Quién crea la cultura?

En una organización o grupo social, la inocuidad alimentaria es una responsabilidad compartida. No hay dudas al respecto. Pero cuando se trata de crear, fortalecer o mantener una cultura dentro de una organización, hay un grupo de personas que realmente la poseen: son los líderes.

Citando a Edgar Schein, autor de Organizational Culture and Leadership, que expone bastante bien este punto: “Las culturas organizacionales son creadas por líderes, y una de las funciones más decisivas del liderazgo puede ser la creación, la gestión y, si es necesario, la destrucción de la cultura”.

Aunque esta cita puede parecer un poco fuerte, es verdad. La fuerza de la cultura de inocuidad alimentaria de una organización es un reflejo directo de cuán importante es la inocuidad alimentaria para su liderazgo. Una cultura de inocuidad alimentaria comienza en la parte superior y fluye hacia abajo. No se crea de abajo hacia arriba. Si la cultura de inocuidad de los alimentos de una organización es menos que aceptable, son los líderes quienes son los responsables finales y quienes los poseen.

Ahora, no piense ni por un minuto que estoy implicando que un gerente de inocuidad alimentaria de nivel medio o un profesional de control de calidad dentro de una organización no tiene ninguna función en la creación o gestión de una cultura de inocuidad alimentaria. No estoy sugiriendo esto en absoluto. He visto esto con demasiada frecuencia, donde un profesional de inocuidad alimentaria de nivel medio ineficaz culpa a la alta gerencia de la falta de efectividad de sus esfuerzos de inocuidad alimentaria. Para influir de manera efectiva en los profesionales de nivel medio y ascendente, es necesario reconocer que su objetivo es ayudar a los líderes senior a crear una cultura de inocuidad alimentaria, no simplemente a respaldar los programas de inocuidad alimentaria que están administrando. Para hacer esto, necesitan comprender a fondo los elementos de la cultura organizacional y las dimensiones del comportamiento humano. También necesitan tener habilidades efectivas de relación, comunicación e influencia. Los gerentes de nivel medio también se consideran líderes también. Y tienen la responsabilidad de asesorar eficazmente a los altos directivos e influir positivamente. Ellos también son dueños de la cultura.

¿Cómo se crea la cultura?

Tener una cultura sólida de inocuidad alimentaria es una opción. Idealmente, los líderes de una organización decidirán de forma proactiva tener una cultura sólida de inocuidad alimentaria porque es lo correcto. La inocuidad es un valor firme de la organización. Es importante tener en cuenta que ”Es un valor y no una prioridad ”. Las prioridades pueden cambiar; los valores no deberían (People Based Safety: The Source, E. Scott Geller). La organización elige tener una cultura sólida de inocuidad alimentaria porque valora la inocuidad de sus clientes y empleados. Los líderes de la organización tienen visión y previsión, sabiendo que tener una cultura sólida de inocuidad alimentaria es importante y que beneficia directa e indirectamente al negocio.

Aunque es menos deseable, para otras organizaciones o grupos, establecer una cultura sólida de inocuidad alimentaria podría ser eliminado por necesidad. Su enfoque en mejorar su cultura de inocuidad alimentaria es reactivo. Es impulsado por un evento importante o importante. Han experimentado un brote de enfermedades transmitidas por los alimentos, una exposición mediática de alto perfil o un problema regulatorio importante. Están reaccionando a la presión.

Independientemente de si se basa en una visión proactiva o en un evento reactivo, la creación de una cultura sólida de inocuidad alimentaria no ocurre por casualidad. Simplemente leer un libro no lo crea, ni asistir a un seminario sobre el tema. Y si la cultura de inocuidad alimentaria de su organización ya está bien establecida y es menos que aceptable, no será fácil cambiarla. Dependiendo de las circunstancias, cambiar los pensamientos arraigados, las creencias y los comportamientos de un grupo puede ser difícil y tomar varios años. Crear o fortalecer una cultura de inocuidad alimentaria requerirá el compromiso intencional y el trabajo arduo de los líderes en todos los niveles de la organización, comenzando por la cima. Pero la buena noticia es que se puede hacer, no es una utopía.

Los Cimientos

Al igual que la construcción de una casa, una cultura de inocuidad alimentaria basada en cimientos sólido será mucho más fuerte. Y los cimientos de una organización son sus valores. Para construir una cultura de inocuidad alimentaria efectiva, una organización o grupo social debe definir claramente la inocuidad como un valor fundamental. Como se mencionó anteriormente, los valores son diferentes a las prioridades. Las prioridades pueden cambiar dependiendo de las circunstancias. Los valores no deberían Los valores son principios o creencias profundamente arraigados que guían cómo una organización toma decisiones y lleva a cabo su negocio. En muchas organizaciones con fuertes culturas de inocuidad, los líderes del pasado o del presente han expresado cuánto valoran la inocuidad mediante la elaboración de un conjunto de principios rectores de inocuidad o creencias de inocuidad. Han documentado su compromiso con la inocuidad. Pero antes de llegar a una conclusión y pensar que esto suena como un truco tonto o un ejercicio para sentirse bien, piénselo de nuevo. Documentar los compromisos por escrito es importante. Cialdini en su libro clásico, Influence, The Psychology of Persuasion, muestra que hay evidencia científica de que un compromiso escrito es mucho más efectivo que uno verbal. Según Cialdini, la gente quiere estar a la altura de lo que han escrito. Al documentar un conjunto de principios de inocuidad alimentaria o creencias de inocuidad alimentaria, los líderes de una organización aumentan la presión para que las acciones de la organización o los empleados sean consistentes con sus creencias. También se aseguran de que los valores o creencias de la organización sean claros para todos y puedan compartirse con los demás. Al crear una cultura de inocuidad alimentaria, este es un buen lugar para comenzar. Llame a los líderes de la organización y pídales a ellos, no a usted, que expresen y elaboren un conjunto de creencias o principios de inocuidad alimentaria.

Elementos Centrales

Aunque no hay dos grandes culturas de inocuidad alimentaria idénticas, es probable que tengan muchos atributos similares. Según un informe de investigación de Whiting y Bennett, titulado Driving Towards ”0”, Best Practices in Corporate Safety and Health how leading companies develop safety cultures, las culturas de seguridad de 65 empresas estadounidenses líderes tenían elementos centrales similares. Aunque el informe se centró en cuestiones de seguridad y salud en el trabajo, repasemos algunos de los elementos que identificaron y cómo se relacionan con una cultura de seguridad alimentaria.

1. Liderazgo en la cima

 Como se mencionó anteriormente, una cultura de inocuidad alimentaria comienza en la parte superior y fluye hacia abajo. No fluye de abajo hacia arriba. Es una función de liderazgo para crear una visión de inocuidad alimentaria, establecer expectativas e inspirar a otros a seguir. Es interesante observar que, en el campo de la inocuidad alimentaria, a menudo hablamos sobre la gestión de la inocuidad alimentaria. Raramente hablamos sobre el liderazgo en inocuidad alimentaria. Pero la gestión y el liderazgo son diferentes. Según Maxwell (The 21 irrefutable laws of leadership: Follow them and people will follow you), “La principal diferencia entre los dos es que el liderazgo se trata de influenciar a las personas para seguirlo, mientras que la gestión se centra en mantener sistemas y procesos”. Las empresas líderes con culturas de inocuidad sólidas no solo tienen sistemas sólidos de gestión de inocuidad alimentaria en su lugar, también tienen líderes fuertes comprometidos con la inocuidad alimentaria que pueden influir en los demás y liderar el camino hacia un desempeño más seguro.

2. Confianza en todos los empleados

Los empleados de todos los niveles deben estar seguros de que la organización valora la inocuidad alimentaria de forma comparable con sus otros valores. La única forma de ganarse la confianza de los empleados es que los líderes de una organización hagan las paces. Si la organización afirma que la inocuidad de sus clientes y empleados es un valor de la compañía, puede estar seguro de que los empleados estarán atentos para asegurarse de que las acciones de la organización sean consistentes con la conversación. Si perciben cualquier incoherencia o compromiso con respecto al compromiso de la organización con la inocuidad alimentaria, perderán confianza. Y sin confianza, una organización o líder ya no es creíble y es poco probable que se siga. Las empresas con fuertes culturas de inocuidad se han ganado la confianza de sus empleados a través de sus acciones, no de sus palabras.

3. Liderazgo claro y visible de la gerencia

Incluso si tiene una visión y un liderazgo sólidos en la cima, sin aceptación y apoyo por parte de la gerencia de nivel medio, no puede tener una gran cultura de inocuidad alimentaria. Los gerentes en todos los niveles de la organización deben demostrar visiblemente su compromiso con la inocuidad alimentaria a través de las pequeñas cosas que dicen y hacen. Todos los días, los gerentes de todos los niveles influirán en los empleados de primera línea, se den cuenta o no. Si los gerentes tienen una actitud negativa acerca de seguir procedimientos adecuados de inocuidad y sanidad de alimentos, será evidente para otros por lo que dicen y hacen. Por ejemplo, si el gerente de un establecimiento de servicio de alimentos no se lava las manos antes de comenzar a trabajar, ¿Cómo puede esperar que los empleados lo hagan? En cambio, si el gerente demuestra una actitud positiva hacia la inocuidad alimentaria a través de sus palabras y acciones, lo más probable es que los empleados hagan lo mismo. En compañías con fuertes culturas de inocuidad, una actitud apropiada hacia la inocuidad alimentaria está más captada de lo que se enseña.

4. Responsabilidad en todos los niveles

Una organización necesita asegurarse de que los empleados comprendan las expectativas de rendimiento de inocuidad alimentaria de su trabajo y que a todos los niveles sean responsables de ellos. La palabra rendición de cuentas generalmente implica que hay controles y balances que se miden para asegurar que se alcancen ciertos resultados deseados. Y en organizaciones con culturas fuertes de inocuidad alimentaria, esto es cierto. Por ejemplo, una organización puede realizar verificaciones y mediciones diarias de HACCP, observar los comportamientos de los empleados relacionados con la inocuidad de los alimentos y proporcionar comentarios y orientación (Tanto positivos como negativos) en función de los resultados. Pero en organizaciones con culturas de inocuidad bien informadas, han descubierto una forma de trascender o ir más allá de la responsabilidad. Han descubierto una forma de lograr que los empleados hagan las cosas correctas, no porque se los responsabilice, sino porque los empleados creen y están comprometidos con la inocuidad alimentaria. Se ha dicho que el carácter es lo que haces cuando estás solo y nadie está mirando. En las organizaciones con culturas de inocuidad alimentaria bien informadas, los empleados hacen lo correcto no porque el gerente o el cliente estén mirando, sino porque saben que es correcto y les importa.

5. Compartir conocimiento e información

El intercambio de información y conocimiento es como un pegamento que mantiene unido a un grupo social. Y las organizaciones con fuertes culturas de inocuidad lo saben. Toman el intercambio de información más allá del entrenamiento simple en inocuidad alimentaria. Comparten información a menudo y se comunican regularmente con sus empleados sobre la inocuidad alimentaria utilizando una variedad de mensajes y medios. Se dan cuenta de que lo que vemos, lo que escuchamos y lo que leemos, si lo hacemos de manera efectiva, puede tener una influencia tremenda en nosotros. Si no fuera así, los anunciantes no gastarían los millones de dólares que hacen cada año tratando de llegar a los consumidores. Al igual que en el marketing comercial, las organizaciones con culturas fuertes de inocuidad alimentaria comparten información no solo para impartir conocimiento, sino también para persuadir a sus empleados a actuar.

Mejores Prácticas

Además de los elementos centrales revisados ​​anteriormente, Whiting y Bennett también identificaron más de 20 mejores prácticas entre organizaciones con fuertes culturas de inocuidad (Las detallo al final de esta publicación). Nuevamente, aunque estas mejores prácticas estuvieron relacionadas con cuestiones de salud y seguridad ocupacional, muchas también son aplicables a la inocuidad de los alimentos. Las mejores prácticas variaron desde la integración operativa de inocuidad hasta los gerentes, enfatizando la inocuidad como un valor de la compañía para el reconocimiento de un desempeño superior de seguridad.

Aunque identificar las mejores prácticas puede ser útil, una desventaja importante de crear una lista de este tipo es que realmente no demuestra cómo estas actividades están vinculadas entre sí o interrelacionadas. De hecho, este mismo error lo cometen los profesionales de la inocuidad alimentaria que comparan con otras organizaciones para identificar una lista de mejores prácticas de inocuidad alimentaria para su posible implementación dentro de su propia empresa o lugar de empleo. El problema con este tipo de enfoque es que simplifica demasiado los esfuerzos de inocuidad alimentaria. Se acerca a la inocuidad alimentaria como una cafetería con una lista de posibles opciones de menú sin comprender cómo las diversas mejores prácticas podrían estar vinculadas entre sí o cómo podrían influirse mutuamente. Omite o simplifica en exceso dónde encajan estas mejores prácticas o esfuerzos en el panorama general: El Sistema.

Para crear o mantener de manera efectiva una cultura de inocuidad alimentaria, es fundamental contar con una mentalidad de pensamiento sistemático. Debe darse cuenta de la interdependencia de cada uno de los diversos esfuerzos que su organización opta por poner en práctica y de cómo la totalidad de esos esfuerzos puede influir en los pensamientos y las conductas de las personas. Para crear una cultura de inocuidad alimentaria, debe tener un enfoque basado en sistemas para la inocuidad alimentaria. Este es un tema del cual ya les he escrito con anterioridad.

Mejores Prácticas de Cultura de Seguridad

• Prácticas y Programa

Integración operacional

Programa motivacional

Observación del comportamiento y retroalimentación

Comités de seguridad

Gestión de casos

Encuesta de seguridad

• Los Gerentes deben mostrar la visibilidad

Enfatizar como un valor de la empresa

Discutir la seguridad en las reuniones de los empleados

Participar en Comités de Seguridad

Hacer “caminatas” frecuentes

Asegurar recursos adecuados

Asegurar la capacitación de los empleados

Crear relaciones de confianza

Suspender actividades inseguras

• Responsabilidades del supervisor de primera línea

Fomente la seguridad / desaliente las conductas inseguras

Realizar análisis de riesgo

Entrenar a los empleados

Llevar a cabo inspecciones de seguridad documentadas

Investigue los incidentes y los ‘casi-accidentes’ (Near Miss)

• Participación de los trabajadores

Objetivos de rendimiento de seguridad

Reconocimiento del rendimiento de seguridad superior

Disciplina progresiva para prácticas inseguras

El objetivo de la astrofísica nuclear es comprender las reacciones nucleares que dan forma a gran parte de la naturaleza del universo visible. La fusión nuclear es el motor de las estrellas; produce la energía que los estabiliza contra el colapso gravitacional y los hace brillar. Las explosiones estelares espectaculares como las novas, las explosiones de rayos X y las supernovas tipo 1a se alimentan de reacciones nucleares. Mientras que la principal fuente de energía de las supernovas de colapso del núcleo y los estallidos largos de rayos gamma es la gravedad, la física nuclear desencadena la explosión. Las estrellas de neutrones son núcleos gigantes en el espacio, y es probable que se generen estallidos cortos de rayos gamma cuando colisionan esos gigantescos núcleos. Y, por último, pero no menos importante, los planetas del sistema solar, sus lunas, asteroides y vida en la Tierra, todos deben su existencia a los núcleos pesados ​​producidos por reacciones nucleares a lo largo de la historia de nuestra galaxia y dispersados ​​por vientos y explosiones estelares.

Entre las preguntas abiertas que guiarán a la astrofísica nuclear en la próxima década están estas:

• ¿Cómo surgieron los elementos?
• ¿Qué hace que las estrellas exploten como supernovas, novas o explosiones de rayos X?
• ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones?
• ¿Qué pueden decirnos los neutrinos sobre las estrellas?

Responder a estas preguntas requiere comprender detalles estructurales intrincados de miles de núcleos estables e inestables, y así se basa en gran parte del trabajo descrito en la sección anterior sobre la estructura nuclear. Esto se puede ver en la siguiente Figura, que ilustra los principales procesos nucleares que dan forma al universo visible. Cada paso de cada proceso depende de la naturaleza de ese núcleo particular. Como ejemplo, un pequeño cambio de solo 10 por ciento en la energía de un solo estado excitado de un núcleo particular, el famoso estado de Hoyle en carbono-12, haría que los elementos pesados, los planetas y la vida tal como la conocemos desaparezcan.

Desentrañar la física nuclear del cosmos, por lo tanto, requiere una amplia gama de enfoques experimentales y teóricos. En la última década, mediciones de laboratorio cada vez más sensibles de reacciones nucleares de baja energía permitieron modelos solares precisos que revelaban un déficit de neutrinos solares detectados en la Tierra. El conocimiento de este déficit de neutrinos solares combinado con los resultados de los detectores de neutrinos avanzados llevó a los científicos al descubrimiento de que los neutrinos tienen masa y confirmó la precisión de los modelos solares. Las mediciones de precisión de laboratorio también revelaron que las reacciones nucleares que queman hidrógeno en estrellas masivas a través del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) proceden mucho más lentamente de lo que se había anticipado, cambiando las predicciones de las vidas de las estrellas. Algunos isótopos clave en la secuencia de reacción del proceso de captura rápida de neutrones (Proceso-r) responsable del origen de los elementos pesados ​​en la naturaleza ahora han sido producidos por instalaciones de isótopos raros. Las técnicas experimentales avanzadas también permitieron mediciones de las propiedades nucleares que caracterizan su papel en el proceso-r, a pesar de la corta vida útil y las pequeñas cantidades de producción. Las mismas técnicas sensibles permitieron mediciones precisas de masa y decaimiento de la mayoría de los isótopos raros extremadamente deficientes en neutrones en el proceso de captura rápida de protones que alimenta las explosiones de rayos X. Los resultados explican la existencia de dos clases de estallidos de rayos X, ráfagas cortas y largas. Además, se descubrió una nueva y rara clase de estallidos de rayos X, los llamados superbursts, y la física nuclear proporcionó la explicación probable de una explosión profunda de carbono. Los nuevos modelos de supernova de colapso del núcleo multidimensional incluyeron física de interacción débil mucho más realista y propiedades de materia nuclear debido a los nuevos resultados de experimentos de laboratorio y cálculos de teoría nuclear. Contrariamente a trabajos anteriores, algunos de estos modelos de supernova que ahora explotan, aunque quedan muchas preguntas sobre el mecanismo de explosión. En estos modelos de explosión de supernova, se encontró un nuevo tipo de proceso nuclear que produce elementos pesados, el llamado proceso de neutrino-p. El descubrimiento de la estrella de neutrones más masiva hasta la fecha ha eliminado muchas predicciones teóricas sobre la naturaleza de la materia nuclear.

Los futuros esfuerzos de la astrofísica nuclear están emergiendo a lo largo de dos fronteras: (1) El estudio de isótopos inestables que existen en grandes cantidades dentro de estrellas de neutrones y se producen copiosamente en explosiones estelares, pero son difíciles de fabricar en laboratorios y (2) La determinación de reacciones nucleares extremadamente lentas tasas, que son importantes para la comprensión de las estrellas. Permitido por los avances técnicos, se espera un progreso espectacular en la próxima década en ambas fronteras. La instalación de FRIB en los Estados Unidos, junto con otros laboratorios de isótopos raros de todo el mundo, proporcionará un acceso sin precedentes en el laboratorio a los mismos isótopos inestables que juegan un papel crucial en los eventos cósmicos. Y una nueva generación de aceleradores de rayo estables de alta intensidad que se ubicarán a gran profundidad, como se ha propuesto para los Estados Unidos, permitirá la medición de reacciones nucleares estelares extremadamente lentas sin perturbación de la radiación cósmica.

También ha surgido una frontera de precisión en el área de medición de las velocidades de reacción inducidas por neutrones utilizando haces de neutrones. Se necesita trabajar en esta frontera no solo para comprender el origen de los elementos producidos por las reacciones de captura de neutrones, sino también para las aplicaciones de la ciencia nuclear que dependen de los procesos de captura de neutrones.

La teoría nuclear es de especial importancia para la astrofísica nuclear por muchas razones:

• Las densidades y temperaturas extremas que se encuentran dentro de las estrellas alteran las propiedades de los núcleos en comparación con lo que se mide en los laboratorios terrestres. La teoría nuclear es necesaria para calcular las correcciones necesarias, como las excitaciones térmicas y la detección de electrones.
• En algunos entornos astrofísicos como el proceso-r o el interior de estrellas de neutrones, existen isótopos extremadamente raros que no se pueden producir en cantidades suficientes para caracterizar completamente sus propiedades incluso con las instalaciones de isótopos raros más poderosas en el horizonte. Se necesitan datos experimentales sobre isótopos raros para avanzar en los modelos de la teoría nuclear, que luego se pueden utilizar para predecir los datos restantes que aún están fuera del alcance de los experimentos.
• Muchas velocidades de reacción astrofísicas no se pueden medir directamente porque las tasas son demasiado pequeñas y los haces demasiado débiles. Las técnicas indirectas, donde se usa una reacción indirecta más rápida para restringir la reacción astrofísica lenta, requieren una teoría de reacción confiable. Además, la teoría nuclear es necesaria para calcular las velocidades de reacción donde no existe información experimental.
• La materia nuclear densa puede producirse en el laboratorio durante breves períodos, pero solo puede observarse indirectamente a partir de la emisión de partículas resultante. Es necesario un esfuerzo teórico significativo para interpretar las mediciones de reacción de laboratorio, y las restricciones experimentales deben usarse para avanzar en la confiabilidad de la ecuación de estado de materia nuclear necesaria en muchos escenarios astrofísicos.

El progreso en astrofísica nuclear también debe ir de la mano del progreso en astrofísica y astronomía observacional. Las observaciones astronómicas de las manifestaciones de los procesos nucleares en el cosmos proporcionan el vínculo entre el laboratorio y la naturaleza. La última década ha visto un progreso extraordinario en astronomía, con observaciones de alta precisión de la composición de estrellas muy antiguas en los telescopios más grandes de la Tierra y en el espacio, y con encuestas que exploran cientos de miles de estrellas candidatas para encontrar los objetivos. Una nueva generación de telescopios espaciales de rayos X ha abierto una nueva era en la comprensión de los fenómenos relacionados con las estrellas de neutrones. Los observatorios de rayos gamma detectaron las desintegraciones de isótopos raros en el espacio, expulsados ​​por explosiones estelares. Los telescopios de Neutrino proporcionaban imágenes de neutrinos del sol y anteriormente habían registrado neutrinos de una supernova cercana. En la próxima década, este progreso seguramente continuará. Cualquier investigación en curso a gran escala para buscar estrellas viejas solo funcionará en la próxima década, y una nueva generación de telescopios terrestres más grandes permitirá la espectroscopía detallada en muchos de los objetivos resultantes. Los observatorios existentes de rayos X se complementarán con nuevas instalaciones que llevarán las observaciones hacia rayos X más duros y posiblemente rayos gamma y proporcionarán nuevos datos sobre estrellas de neutrones y explosiones estelares. Se espera que los detectores de ondas gravitacionales de nueva generación detecten señales de supernovas y estrellas de neutrones por primera vez. Los observatorios de Neutrinos están listos, y con un poco de suerte podrían observar una supernova galáctica, un logro que revolucionaría nuestra comprensión de tal evento. Y se espera que un nuevo impulso en la astronomía hacia los estudios de campo amplio y de alta repetición arroje nueva luz sobre las supernovas y conduzca al descubrimiento de nuevos fenómenos astrofísicos transitorios, posiblemente de energía nuclear.

La astronomía, el modelaje de la astrofísica y la física nuclear deben trabajar juntas para lograr avances en astrofísica nuclear. La comunicación a través de los límites del campo, la coordinación de la investigación interdisciplinaria y el intercambio de datos son esenciales para que estos campos aborden conjuntamente las preguntas abiertas. El Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear (Joint Institute for Nuclear Astrophysic), financiado por la Iniciativa del Centro de Fronteras Físicas (Physics Frontiers Center Initiative) de la National Science Foundation (NSF), ha sido fundamental para formar y mantener una plataforma mundial única para fomentar dicha colaboración interdisciplinaria entre las diferentes comunidades de astrofísica nuclear.

Finalmente, será importante fortalecer los esfuerzos para coordinar la investigación a través de los límites del campo, para formar amplias redes de investigación interdisciplinarias que integren la amplia gama de conocimientos requeridos y para facilitar el intercambio de datos e información entre la astrofísica y la física nuclear, y entre experimentos, observaciones y teoría. Tales redes de investigación interdisciplinarias también son necesarias para atraer y educar a la próxima generación de astrofísicos nucleares, quienes, con las nuevas instalaciones emergentes en física nuclear, astrofísica e informática de alto rendimiento, es probable que hagan avances transformacionales en nuestra comprensión del cosmos.

Referencias

Understanding superbursts

Jean in ’t Zand

X-ray bursts and superbursts – recent developments

Jean in ’t Zand

Superburst Models For Neutron Stars With Hydrogen And Helium-Rich Atmospheres

L. Keek; A. Heger; Jean in ’t Zand

R-Process Nucleosynthesis in Supernovae

John J. Cowan and Friedrich-Karl Thielemann

Nucleosynthesis of Heavy Elements by Neutron Capture

Philip A Seeger; William A. Fowler; Donald Clayton

Nucleosynthesis

N. Langer

A manera de prólogo

El registro geológico lunar contiene un archivo rico de la historia del Sistema Solar Interior, incluyendo información relevante para la comprensión del origen y evolución del Sistema Tierra-Luna, la evolución geológica de los planetas rocosos y nuestro ambiente cósmico local. Esta entrada proporciona una pequeña reseña de la exploración lunar a la fecha y describe como las iniciativas de exploración futuras nos permitirá avanzar en nuestra comprensión del origen y evolución de la Luna, el Sistema Tierra-Luna y el Sistema Solar de una manera general. Esto desde luego, dependiendo de los avances científicos posteriores, que requerirán de la instalación de nuevos dispositivos en la Luna, así como la recolección y envío de muestras adicionales de la superficie lunar. Algunos de estos objetivos científicos se pueden lograr robóticamente, por ejemplo, mediante mediciones geoquímicas y geofísicas in situ y mediante misiones de muestreo cuidadosamente seleccionadas. Sin embargo, a largo plazo, la ciencia lunar se beneficiaría enormemente de las operaciones humanas renovadas en la superficie de la Luna.

Introducción

Desde una perspectiva científica, la exploración lunar ha estado avanzando, y en el futuro tiene el potencial para continuar avanzando e incrementando el conocimiento humano en tres amplias áreas. En primer lugar, la Luna conserva un registro de la evolución geológica primaria de un planeta rocoso (Incluyendo los procesos de diferenciación planetaria y océano de magma), mismos que los cuerpos planetarios más evolucionados han perdido desde hace tiempo, así como las restricciones geoquímicas y geofísicas en el origen y evolución del Sistema Tierra-Luna. En segundo lugar, la superficie lunar, y especialmente los regolitos lunares, contienen registros de los procesos del Sistema Solar interior (Por ejemplo, flujo de meteoritos, densidad de polvo interplanetario, flujo y composición del viento solar, flujo de los rayos cósmicos galácticos, Etc.), a través de la historia del Sistema Solar, mucho de lo cual es relevante para la comprensión de la historia y evolución de nuestro planeta y su biosfera. En tercer lugar, la superficie lunar es una plataforma potencial para un amplio rango de investigaciones científicas, principalmente la astronomía observacional (Especialmente la radioastronomía de baja frecuencia desde el lado lejano), pero, en un futuro posible también se puede extender a investigaciones en física fundamental, astrobiología, medicina y fisiología humana.

Así que, primero veamos un pequeño resumen histórico de la exploración espacial, así como las potenciales contribuciones futuras que la exploración lunar puede contribuir al desarrollo de las dos primeras áreas mencionadas en el párrafo anterior. La tercera área, si bien es una parte importante de las futuras exploraciones lunares, la veremos en una entrada posterior.

Historia de la Exploración Lunar

La investigación científica moderna la Luna como cuerpo planetario inició con las observaciones telescópicas de Galileo en 1609, y las observaciones telescópicas de la cara visible (Desde nuestro punto de observación, claro está) han continuado desde entonces. Sin embargo, la mayoría de nuestro conocimiento de la evolución geológica lunar, y sus implicaciones para la historia del Sistema Solar como un todo, se han obtenido a través de la observación directa de las sondas espaciales durante los últimos cincuenta años, aproximadamente.

La primera sonda espacial en llegar a la Luna fue la Luna 2, de la extinta Unión Soviética, la cual impactó en la superficie lunar el 13 de septiembre de 1959. De mayor importancia para la geología lunar fue el vuelo de Luna 3, en octubre del mismo año, la cual completó el primer vuelo alrededor de la Luna y obtuvo las primeras imágenes de la cara oculta (Otra vez, desde nuestro punto de observación) revelando que está en gran parte desprovisto de las oscuras extensiones de lava basáltica que dominan la cara visible. Después de una pausa corta de seis años, Luna 9 alunizó de manera suave y obtuvo las primeras imágenes de la superficie lunar en febrero de 1966, y Luna 10 fue la primera sonda en permanecer en órbita lunar en abril del mismo año.

Durante este período, el programa de exploración lunar estadounidense comenzó a acelerarse en respuesta al inicio del programa del Apollo por parte del Presidente Kennedy en mayo de 1961. Las primeras sondas lunares estadounidenses fueron la serie Ranger de ‘aterrizaje duro’ (Un aterrizaje duro ocurre cuando una aeronave o nave espacial golpea el suelo con una mayor velocidad vertical y fuerza que en un aterrizaje normal), diseñados para tomar imágenes de mayor resolución de la superficie antes de estrellarse contra ella, lo cual allanó el camino para la serie Surveyor de aterrizajes robotizados entre 1966 y 1968. En paralelo, entre 1966 y 1967 los Estados Unidos de América, volaron una serie de gran éxito, las sondas Lunar Orbiter que fueron diseñadas para obtener imágenes de alta resolución de la superficie lunar. Con resoluciones superficiales de varias decenas de metros, estas imágenes permanecieron durante mucho tiempo insuperables como un recurso para la geología lunar (Aunque ahora están siendo reemplazadas rápidamente por las imágenes obtenidas por la Cámara de ángulo estrecho de la Lunar Reconnaissance Orbiter). En gran parte, las misiones Lunar Orbiter fueron diseñadas para identificar posibles sitios de alunizaje para las misiones tripuladas de Apollo, entonces en desarrollo, de la misma manera que los Surveyors fueron diseñados para proporcionar conocimiento del ambiente superficial, teniendo en mente los alunizajes tripulados.

El programa Apollo es de vital importancia en la historia de la exploración lunar, y ha dejado un legado científico duradero. Entre julio de 1969 y diciembre de 1972 un total de doce astronautas exploraron la superficie lunar en las cercanías de seis sitios de alunizaje de estas misiones. El tiempo acumulado total en la superficie lunar fue de 25 días-persona, con sólo 6,8 días-hombre dedicados a realizar actividades de exploración fuera de los módulos lunares. Durante las seis misiones, los astronautas atravesaron una distancia total de 95,5 km desde sus sitios de aterrizaje, recogieron y devolvieron a la Tierra 382 kg de roca y muestras de suelo, se perforaron tres sitios de muestreo a profundidades de 2-3 m, se obtuvieron más de 6000 imágenes de superficie, y se desplegaron más de 2100 kg de equipo científico. Estos experimentos de superficie fueron complementados por observaciones de detección remota realizadas desde los Módulos de Comando y Servicio en órbita.

Dos importantes programas robóticos soviéticos se superpusieron con Apollo y continuaron manteniendo viva la exploración de la superficie lunar durante algunos años después de que la exploración humana cesara. Estos fueron los dos rovers ‘Lunokhod’ (Luna 17 y 21) que alunizaron en 1970 y 1973, y las tres misiones robóticas de muestreo (Luna 16, 20 y 24) de 1970, 1972 y 1976, respectivamente. Los Lunokhods fueron los primeros rovers robotizados teleoperados que operaron en otro cuerpo planetario. Lunokhod 1 operó durante 322 días y atravesó una distancia total de 10,5 km en el Sinus Iridum; Los números correspondientes para Lunokhod 2 fueron 115 días y 37 km en el cráter Le Monnier en el borde de Mare Serenitatis. Durante sus recorridos, los Lunokhod hicieron mediciones de las propiedades mecánicas del regolito (Usando un penetrómetro) y composición (Determinada usando un espectrómetro de fluorescencia de rayos X), así como el entorno de radiación superficial; También llevaban reflectores que, similares a los desplegados por las misiones Apollo 11, 14 y 15, se han utilizado para medir la distancia Tierra-Luna y las libaciones físicas de la Luna. Las misiones Luna 16, 20 y 24 recolectaron, y regresaron a la Tierra, un total de ~ 320 gramos de suelos lunares de tres sitios cercanos a la extremidad oriental de la cara visible. Aunque la cantidad de material recolectado fue pequeña comparada con la devuelta por Apollo, su separación geográfica de los sitios de aterrizaje de Apollo hace que las muestras de Luna sean importantes para nuestra comprensión de la diversidad geológica lunar.

Después de la misión de Luna 24 en 1976, hay casi veinte años de interrupción en la exploración lunar, que sólo se rompió en la década de 1990 cuando las sondas Hiten, Clementine y Lunar Prospector volaron hacia la Luna y anunciaron una nueva era de exploración lunar. Aunque pionero desde el punto de vista de la tecnología espacial, la sonda Hiten japonesa y su instrumento asociado de detección de polvo no revelaron información nueva significativa sobre la Luna. Por otro lado, las misiones orbitales de Clementine y Lunar Prospector resultaron cruciales al proporcionar mapas geológicos y mineralógicos globales de la superficie lunar. Los datos obtenidos por estas dos misiones mostraron claramente que la superficie lunar es geológicamente mucho más diversa de lo que se había sospechado sobre la base de las muestras de Apollo y Luna, y estimuló renovado interés científico en la evolución geológica de la Luna y sus implicaciones para la ciencia planetaria más ampliamente.

En parte, como resultado de este interés científico renovado en la Luna, y en parte como resultado de las potencias espaciales emergentes que desean mostrar la experiencia técnica recién adquirida, los últimos años han visto un renacimiento en la exploración lunar conducida desde la órbita. En estos años, los siguientes países han enviado al menos una sonda espacial a la órbita lunar: Agencia Espacial Europea (ESA): SMART-1 (2003); Japón: Kaguya (2007); China: Chang’e-1 (2007), Chang’e-2 (2010); India: Chandrayaan-1 (2008); Y los Estados Unidos de América: Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO; 2009), GRAIL (2012) y LADEE (2013). Esta plétora de misiones orbitales ha añadido información importante a nuestro conocimiento de la superficie lunar y, en el caso de Kaguya y GRAIL, al interior lunar. Sin embargo, es notable que ninguna de estas sondas espaciales fue diseñada para alunizar en la superficie de la Luna de una manera controlada (Aunque el satélite lunar de observación y detección de cráteres lunar [LCROSS, co-lanzado con LRO] y la Sonda de Impacto Lunar Chandrayaan-1 [MIP por sus siglas en inglés] se impactaron deliberadamente en la superficie lunar en un esfuerzo por detectar volátiles polares).

Intermedio: Se ha predicho desde hace mucho tiempo que los polos lunares albergan sustancias volátiles en regiones que no han visto la luz del sol durante mucho tiempo, tal vez mil millones de años o más. Estas son conocidas como “regiones permanentemente sombreadas”. La misión conjunta de la NASA y el Departamento de Defensa “Clementine” a la Luna en 1994 fue la primera en sugerir mayores cantidades de hidrógeno en ambos polos lunares. Lunar Prospector confirmó entonces el aumento de hidrógeno en los polos en 1998. Más recientemente, las misiones Chandrayaan-1, Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) y Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) detectaron 3 tipos de volátiles: Una monocapa global de OH / H2O, hielo de agua polar subsuperficial y agua superficial polar escarchada. La presencia de volátiles, y en particular de agua, podría influir en las actividades de exploración del espacio en la Luna y más allá. También podrían proporcionar información importante sobre el transporte volátil y el origen del agua tanto en la Luna como en la Tierra. Fuente: The Planetary Society. Fin del Intermedio.

En diciembre de 2013, China logró aterrizar el vehículo Chang’e-3, equipado con un pequeño vehículo, Yutu, en el norte de Mare Imbrium. Este logro ha roto un hiato de 37 años en la exploración de la superficie lunar, siendo el primer alunizaje suave controlado en la Luna desde la misión robótica soviética Luna 24 en agosto de 1976. Entre otros experimentos, Yutu llevó un instrumento de radar penetrante para estudiar la estructura de los regolitos subsuperficiales, y es la primera vez que un instrumento de tales características se ha desplegado en la superficie lunar.

Planes actuales para la futura exploración lunar en el corto plazo

En el intervalo de tiempo, desde hoy hasta el 2022, hay planes tentativos para un cierto número de alunizajes robóticos, aunque cierto es que permanecen no confirmados y las fechas compromiso son inciertas.

Basados en el éxito de la Chang’e-3, China probablemente envíe las misiones Chang’e-4 y Chang’e-5 alrededor del 2018 y 2019, respectivamente. Dependiendo del éxito de las misiones previas, Chang’e-5 tiene como uso intencionado el ser una misión con retorno de muestras (La primera desde Luna 24 en 1976), aunque su sitio de alunizaje aún no ha sido determinado del todo. En el mismo intervalo, Japón tiene la intención de desplegar un rover/orbiter, la misión Selene-2, y la India ha declarado la intención de regresar a la Luna con su misión Chandrayaan-2.

Rusia tiene planes para un conjunto cada vez más sofisticado de orbitadores y módulos de aterrizaje (que se denominarán Luna-Glob o coloquialmente, Luna 25-29) a partir de 2024 (Si no se vuelve a posponer), de los cuales Luna 29 se prevé sea una misión de retorno de muestra desde una localidad casi polar. En el marco temporal 2018-20 parece probable, aunque aún no confirmado, que se despliegue la Misión de prospección de recursos de los EE. UU. Con su carga útil RESOLVE (‘Regolith and Environment Science and Oxygen and Lunar Volatile Extraction’). para investigar depósitos volátiles lunares de alta latitud. Además, hacia el final de esta década, la NASA apunta a desplegar su Vehículo tripulado de exploración tripulado ‘Orion’ al segundo punto Tierra-Luna Lagrange, que, aunque no proporcionará acceso a la superficie, puede facilitar la exploración de la superficie del lado lejano. actuando como un relé de comunicaciones y como un nodo para la tele-operación de instrumentos de superficie. Rusia está planeando el inicio de la construcción de una colonia humana en la Luna para el 2030.

En los últimos años se han llevado a cabo una gran cantidad de estudios lunares adicionales (Se publicará información sobre algunos de ellos en una entrada posterior), pero hasta la fecha ninguno ha recibido fondos ni apoyo de agencias espaciales. También vale la pena señalar que, además de las actividades dirigidas por el gobierno, la próxima década también podrá ser testigo de desembarcos lunares financiados con fondos privados, realizados en pos del Premio Google Lunar X u otras iniciativas privadas, aunque las oportunidades científicas presentadas por estas misiones relativamente pequeñas aún no se han determinado.

Referencias

The Scientific Context for Exploration of the Moon

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The National Academies Press.

New views in lunar geoscience: an introduction and overview

Hiesinger H, Head JW.

The constitution and structure of the lunar interior

Wieczorek M et al.

Astrobiology: what can we do on the Moon?

Cockell CS.

Chandrayaan-1: India’s first planetary science mission to the Moon

Goswami JN, Annadurai M.

En su alegoría de la cueva, el filósofo griego Platón describió a los prisioneros quienes pasaron un largo periodo de tiempo encadenados al muro de una obscura caverna. Detrás de los prisioneros estaba una llama, y entre los prisioneros y la llama estaban colocados algunos objetos que proyectaban sombras en el muro, dentro del campo de visión de los prisioneros. Estas sombras bidimensionales eran las únicas cosas que los prisioneros podían ver (En su propia realidad). Sus grilletes les limitaban la percepción del mundo real, un reino con una dimensión adicional al mundo que observaban, una dimensión rica en complejidad capaz de explicar todo lo que podían ver.Platón estaba sobre algo. ¿Podríamos nosotros vivir en una gigantesca y cósmica cueva creada al inicio de nuestra existencia? Normalmente escuchamos que el Universo se creó durante el Big Bang  el cual inició a partir de un punto infinitivamente denso (Tema que hemos abordado aquí, desde luego http://laenciclopediagalactica.info/tag/big-bang/). El día de hoy, quisiera platicarles sobre otra de las teorías actuales que se tienen sobre la formación del Universo. De acuerdo a algunos cálculos recientes, se estima que hemos alcanzado la capacidad de ‘rastrear’ la historia del Universo, hasta una era previa al Big Bang (Una era con una dimensión adicional en el espacio). Este protouniverso podría haber dejado trazas visibles que las posteriores observaciones astronómicas podrían dejar al descubierto.

El Universo nos parece que existe en tres dimensiones de espacio y una de tiempo (Geométricamente la denominados como Universo Tridimensional). En nuestro escenario (Es decir, el tema a tratar el día de hoy), este Universo tridimensional es meramente una sombra de un Universo tetradimensional. Específicamente, nuestro Universo entero se habría originado durante la implosión estelar de ese Suprauniverso, una implosión que creó nuestro Universo tridimensional, alrededor de un agujero negro tetradimensional.

Pero ¿Cómo es que se llegó a este postulado? A muchos les suena absurdo. Bueno, este concepto se sustenta en dos pilares. El primero es que estas ideas no son mera especulación, están soportadas firmemente en las matemáticas que describen el espacio y el tiempo.

En las dos últimas décadas los físicos han desarrollado la teoría de la holografía (¿Lo recuerdan? http://laenciclopediagalactica.info/2013/09/24/un-origen-holografico-para-el-universo/), un conjunto de herramientas matemáticas que permiten traducir las descripciones de eventos en una dimensión a la física de dimensiones diferentes. Por ejemplo, los investigadores pueden resolver ecuaciones relativamente sencillas de dinámica de fluidos en dos dimensiones y utilizar esas ecuaciones para entender que está pasando en un sistema más complejo (Por ejemplo, la dinámica de un agujero negro tridimensional). Matemáticamente, las dos descripciones son intercambiables (El fluido sirve como una analogía perfecta ara el extraordinario agujero negro).

El éxito de la holografía ha convencido a una gran cantidad de científicos. Quizás los límites entre dimensiones sean menos estables de lo que creemos. Quizás las reglas del cosmos están escritas en otro conjunto de dimensiones y las percibimos traducidas en tres dimensiones. Quizás, como los prisioneros que Platón describió, nuestras circunstancias especiales nos han engañado haciéndonos creer que el mundo es tridimensional cuando de hecho un mejor entendimiento de lo que percibimos se explica mejor en la cuarta dimensión.

Hay una segunda razón por la cual vale la pena pensar en el Universo tetradimensional. Un estudio de este Universo podría ayudarnos a entender cuestiones profundas acerca del origen y naturaleza del Cosmos. Consideremos, por ejemplo, el Big Bang, el instante primordial que trajo el Universo a nuestra existencia. La cosmología moderna sostiene que el al Big Bang inmediatamente le sucedió una “Inflación” (Un periodo de rápida expansión en el cual el naciente Universo incrementó su volumen en un factor de 10⁷⁸ o más). Está expansión todavía no proporciona pistas o señales sobre qué fue lo que originó el Big Bang. La idea del Universo tetradimensional, en contraste, proporciona la respuesta a la pregunta “¿De dónde viene el Universo? Claro está que nos plantea la pregunta “¿Cómo se originó el Universo tetradimensional? Pero bueno, eso lo dejaremos para otro post.

El Cosmos conocido y desconocido

Las investigaciones en el Universo tetradimensional se han realizado debido a las dificultados que conlleva solo contemplarlo como un Universo tridimensional. La cosmología moderna ha sido fantásticamente exitosa, y ese éxito ha desmentido profundos y complejos misterios que nos ha llevado hasta la explicación holográfica.

Los cosmólogos pueden describir la historia del Universo entero (Desde el día de hoy hasta una pequeña, muy pequeña fracción de un segundo después del Big Bang) utilizando unas cuantas ecuaciones (Principalmente las proporcionadas por Albert Einstein) y cinco números independientes (O parámetros). Estos parámetros incluyen las densidades de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura, junto con la amplitud y forma de las fluctuaciones cuánticas en el Universo naciente. Este modelo (Conocido como el paradigma cosmológico λ-CDM, por sus siglas en inglés: Lambda Cold Dark Matter) describe cientos (Sino es que miles) de puntos de observación de información, cubriendo escalas que van desde el millón de años-luz hasta diez mil millones de años-luz a través de, y hasta el borde de nuestro Universo observable.

Pero esas observaciones exitosas no significan que la tarea se haya completado. La historia del Universo está empacada con algunos agujeros problemáticos. Los científicos se han confrontado con cuestiones fundamentales acerca de la naturaleza del cosmos (Problemas que actualmente no han podido resolverse).

Problema 1: No hay un completo entendimiento acerca de los cinco parámetros

No se cuenta aún con una explicación satisfactoria de los cinco parámetros del modelo λ-CDM, algunos de los cuales deben ser seleccionados de manera muy precisa de acuerdo con las observaciones. Considerar la densidad de la materia y energía del Universo. Solo hace unas décadas los astrónomos creían que la materia ordinaria (Los elementos presentes en La Tabla Periódica) serían la forma dominante de masa-energía. Las observaciones cosmológicas han revisado de manera radical esta afirmación (Y durante el camino se han otorgado tres premios Nobel). Ahora sabemos que la densidad de la materia ordinaria es de solo el 5% de la densidad de energía total del Universo. Otro 25% proviene de la materia oscura, una forma desconocida de materia cuya existencia es inferida por la atracción gravitacional (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/28/materia-oscura/). El 70% restante está formado de energía oscura (Más información aquí http://laenciclopediagalactica.info/2010/08/29/energia-oscura/), la materia misteriosa que es causante de que el ritmo de expansión del Universo se acelere en lugar de desacelerar por la atracción gravitatoria. ¿Qué son la materia y energía oscuras y por qué conforman la mayor parte del Universo? Aún no lo sabemos.

Quizás las respuestas se presenten cuando entendamos mejor el Big Bang (El abrupto origen del espacio y el tiempo en un plasma caliente de radiación y partículas a una temperatura superior a los 10²⁷ grados). Es muy difícil imaginar cómo una situación como la del Universo en esos momentos después del Big Bang nos llevó a lo que observamos actualmente (Un cosmos de prácticamente una temperatura uniforme con una geometría espacial a gran escala, en la cual los ángulos de los triángulos suman 180°).

La inflación cósmica puede ser la mejor idea que tenemos para entender la estructura a gran escala del Universo. La inflación puede tender a “aplanar” el Universo, suavizar las regiones curvas del espacio-tiempo, y brindarnos una temperatura uniforme.  Como una lupa cósmica, la inflación también amplifica las pequeñas fluctuaciones cuánticas en la densidad de la energía hasta las dimensiones cósmicas durante este proceso. Estas fluctuaciones a su vez se convierten en “las semillas” que formarán las galaxias, estrellas, planetas y los organismos vivientes, tal como los que pueblan este planeta.

La inflación es generalmente considerada como un paradigma exitoso. Por décadas, los cosmólogos han verificado las predicciones de la inflación por observación de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en inglés: Cosmic Microwave Background http://laenciclopediagalactica.info/2011/02/10/%c2%bfpor-que-el-universo-se-esta-acelerando/), un registro cósmico de la fluctuación de la densidad en el Universo naciente. Las observaciones recientes del satélite Planck confirman que nuestro Universo es prácticamente plano (No en el concepto de dos dimensiones) y que es uniforme, tal como lo predice la inflación. Además, la amplitud observada y la forma de las fluctuaciones de la materia primordial están en amplio acuerdo con lo que esperamos de la inflación para magnificar el vacío cuántico.

Problema 2: No entendemos la inflación completamente.

Deberíamos preguntarnos qué es lo que llevó a esta inflación, la cual utilizó una gran cantidad de energía. Imaginamos que, poco después de que se originó el Big Bang, el Universo se llenó con energía que tomó de la forma de una partícula hipotética llamada Inflaton. La partícula de Higgs, descubierta recientemente por el LHC en el CERN, cerca de Ginebra, comparte muchas propiedades con (Y es un posible candidato a serlo) el inflaton. El inflaton puede ser responsable tanto de la temprana expansión acelerada como por la estructura de nuestro Universo porque las diferencias significativas en la densidad en el Universo temprano son causadas por las diminutas fluctuaciones cuánticas en la energía de campo del inflaton.

Pero el inflaton no resuelve nuestros problemas; solo los hace retroceder un paso. Las propiedades del inflaton, su procedencia, y como encontrarlo, permanecen en el misterio. De hecho, no estamos seguros realmente si existe.

Además, los físicos no entienden cómo es que termina el inflaton naturalmente. Si algún tipo de energía lo maneja conduce la expansión exponencial del Universo ¿Qué haría que se ‘apagara’ de repente? Y carecemos de una descripción satisfactoria de la historia de nuestro cosmos antes de la era inflacionaria (Aquellas primeras trillonésimas de segundo después del Big Bang)

Problema 3: No entendemos como inició todo

El reto más grande de la cosmología es entender el Big Bang mismo (El surgimiento repentino, violento, de todo el espacio, tiempo y materia de un punto infinitamente denso denominado “Una singularidad”). Una singularidad es una cosa bizarra inimaginable, un punto donde el espacio y el tiempo se curvan en sí mismos, haciendo imposible distinguir el futuro del pasado. Todas las leyes de la física se rompen. Una singularidad es un Universo sin ningún orden ni reglas. De una singularidad puede venir cualquier cosa que pueda existir de manera lógica. No tenemos razones para creer que una singularidad podría generar un Universo tan ordenado como el que vemos.

Esperaríamos que el surgimiento de un universo desde una singularidad sería caótico, marcado por altas fluctuaciones de temperatura de un punto a otro. Además, no podría esperarse que el poder aumentado de la inflación ‘tranquilizara’ todo. De hecho, si esas fluctuaciones son demasiados largas, la inflación podría no tener una oportunidad de ocurrir. El problema de una singularidad no puede ser resuelta solo por la inflación.

Las singularidades son extrañas, pero no desconocidas. Forman parte también del centro de los agujeros negros, esos remanentes colapsados de las estrellas gigantes. Todas las estrellas son hornos nucleares que fusionan elementos ligeros (Principalmente hidrógeno) en otros más pesados. Este proceso de fusión nuclear energiza a una estrella más allá de su vida, per eventualmente, la estrella agota todo su combustible nuclear, y la gravedad se hace cargo. Una estrella al menos 10 veces más masiva que nuestro Sol colapsará en sí misma antes de explotar como una Supernova. Si la estrella es aún mayor (15 a 20 masas solares o incluso más) la Supernova dejará un núcleo denso que colapsa, contrayéndose en un punto de tamaño “cero”, un agujero negro.

Los agujeros negros pueden considerarse como regiones del espacio en los cuales ni siquiera la luz se puede escapar. Dado que la velocidad de la luz es la máxima velocidad alcanzable por cualquier forma de materia, los límites de un agujero negro (Una superficie bidimensional denominada Horizonte de sucesos) es un punto de no retorno: Si cae materia estelar (O cualquier otra cosa) en el interior de sus límites, es separada del resto del Universo y empujada inexorablemente hacia el centro de la singularidad.

Al igual que con el Big Bang, las leyes de la física se rompen en esta singularidad también. La diferencia con el Big Bang es, sin embargo, que un agujero negro está rodeado por este horizonte de sucesos. La superficie actúa como una envoltura blindada (La cual previene que cualquier información acerca de la singularidad se fugue). El horizonte de sucesos de un agujero negro ‘protege’ a los observadores externos los efectos impredecibles de la singularidad.

El horizonte de sucesos efectivamente interpreta la impotente singularidad, haciendo posible para las leyes de la física describir y predecir lo que observamos. Visto a la distancia, un agujero negro parecer ser una simple, suave y uniforme estructura, descrita solo por su masa y momento angular (Y carga eléctrica, si es que se tiene). Aunque los físicos recientemente han destacado algunas cuestiones interesantes acerca de si la imagen convencional es consistente con la física cuántica (Platicaremos al respecto en uno o dos meses, cuando mucho), la hipótesis de trabajo en la cosmología es que los agujeros negros están envueltos por su horizonte de sucesos.

En contraste, la singularidad del Big Bang (Como lo entendemos comúnmente) no está envuelta. No tiene un horizonte de sucesos. A algunos físicos les gustaría tener una manera de protegernos de la singularidad del Big Bang y su catastrófica imprevisibilidad, tal vez por algo parecido a un horizonte de sucesos.

Un grupo de físicos ha propuesto tal escenario. Convierte al Big Bang en un espejismo cósmico. La imagen envuelve la singularidad en el Big Bang justo como un horizonte de eventos envuelve la singularidad en el corazón de un agujero negro. La envoltura nos protegería de la singularidad mercurial y los efectos nefarios.

Colapso extradimensional

Tal envoltura puede diferir de un horizonte de sucesos ordinario en una situación crítica. Dado que percibimos nuestro universo en tres dimensiones espaciales, el horizonte de sucesos que envuelve a la singularidad en el corazón del Big Bang debe tener tres dimensiones espaciales (No solo dos). Si imaginamos que este horizonte de sucesos también proviene del resultado de un colapso cósmico (Tal como el horizonte de sucesos de un agujero negro bidimensional es formado por el colapso de una estrella tridimensional) entonces el colapso tendría que tener lugar en un universo con cuatro dimensiones espaciales.

Este tipo de escenario extradimensional, en el cual el número de dimensiones en el espacio excede las obvias tres, es una idea casi tan vieja como la misma relatividad general. Fue propuesta originalmente por Theodor Kaluza en 1919 y expandida por Oscar Klein en la década de 1920. Su idea fue ampliamente olvidada por más de medio siglo antes de que los físicos la recuperaran en la década de 1980. En fechas más recientes, los científicos la han utilizado para construir una cosmología de los denominados Brane Worlds.

La idea básica de un Brane World es que nuestro Universo tridimensional es un sub-universo incrustado en un espacio mayor de cuatro o más dimensiones espaciales. El Universo tridimensional es llamado Brane, y el Universo mayor es denominado Masivo. Todas las formas conocidas de materia y energía están ‘atrapadas’ a nuestro Brane tridimensional tal como una película proyectada en la pantalla del cine (O la sombra que se formaba en la caverna de los prisioneros mencionados por Platón al inicio de ésta publicación).  La excepción es la gravedad, la cual permea a las dimensiones superiores del Masivo.

Pensemos acerca del superuniverso masivo de cuatro dimensiones espaciales que podría haber existido antes del Big Bang. Podemos imaginar que este Universo estaba lleno con objetos tales como estrellas y galaxias tetradimensionales. Estas estrellas se quedarían sin combustible (Tal como les pasa a las tridimensionales) y colapsarían en agujeros negros.

¿Cómo luciría un agujero negro tetradimensional? Podría poseer un horizonte de sucesos también, una superficie de no retorno de la cual no podría escapar. Pero en lugar de una superficie bidimensional, como podrían ser los ordinarios, generaría un horizonte de sucesos tridimensional.

De hecho, modelando el colapso de muerte de una estrella tetradimensional, encontramos, bajo un determinado conjunto de suposiciones, que el material expulsado del colapso estelar puede formar un Universo Brane tridimensional de lenta expansión rodeando este horizonte de sucesos tridimensional. Así, nuestro Universo sería un Brane Tridimensional (Una especie de holograma para una estrella tetradimensional colapsando en un agujero negro). La singularidad cósmica del Big Bang está oculta a nosotros, sin acceso para siempre detrás de un horizonte de sucesos tridimensional.

¿Esto es real?

Este modelo tiene cierto número de detalles a favor, comenzando con el hecho de que elimina la singularidad manifiesta que dio lugar a el Universo. Pero ¿Qué hay al respecto de los otros detalles cosmológicos como la cercanía al Universo plano y la alta uniformidad del Cosmos? Dado que un Universo Masivo tetradimensional podría haber existido por una cantidad de tiempo infinitamente grande en el pasado, cualquier punto caliente o frío tendría el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio. El Universo Masivo sería liso, y nuestro Universo Brane tridimensional podría heredar esta lisura.

Además, debido a que el agujero negro tetradimensional podría aparecer también casi sin rasgos, nuestro emergente Universo Brane tridimensional sería igualmente liso. La gran masa de esta estrella tetradimensional, la lisura del Brane tridimensional, y la llanura de nuestro Universo es una consecuencia de éstos detritos residuales del colapso de una estrella pesada.

De esta manera, el modelo de un Big Bang holográfico resolvería no solo los principales rompecabezas de uniformidad y cercana llanura de la cosmología estándar sin recurrir a la inflación, sino que también nulifica los efectos dañinos de la singularidad inicial.

La idea puede sonar un tanto loca, pero hay varias maneras en las que podemos probarlo. Una es por medio del estudio de la radiación de microondas cósmicas de fondo (CMB, por sus siglas en ingles). En el exterior del 3-Brane, esperaríamos algo de material masivo tetradimensional (Algo atraído por la atracción gravitacional del agujero negro). Podemos observar que las fluctuaciones térmicas en esta materia extra crearán fluctuaciones en el 3-Brane que altera la distorsión del CMB por pequeñas, pero potencialmente medibles cantidades. Los cálculos recientes difieren de la información obtenida por el observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) por aproximadamente el 3%. Esta discrepancia podría ser el resultado de los efectos secundarios que se dan en el proceso del modelado.

Además, si el agujero negro tetradimensional está girando (Algo muy común en los agujeros negros), entonces este 3-Brane no se observaría igual en todas las direcciones. Los astrónomos también pueden ser capaces de encontrar esta ‘direccionalidad’ estudiando las variaciones sutiles en el CMB.

Desde luego, aun cuando el Big Bang holográfico resolviera una de las cuestiones más grandes (El origen de nuestro universo) de manera simultánea incrementaría un nuevo conjunto de misterios. El primero de ellos (Y quizás el más importante): ¿De dónde proviene el ‘progenitor’ de nuestro universo?

Para una solución a este rompecabezas, podríamos regresar a Platón. Cuando los prisioneros de la historia de Platón salieron de la cueva, la luz del Sol les lastimó los ojos. Les tomó un tiempo para, digamos, ‘ajustar’ el brillo. Al principio, los prisioneros solo fueron capaces de entender las sombras y las reflexiones. Después, ellos pudieron ver la Luna y las estrellas. Finalmente, concluyeron correctamente que el Sol era “El autor de todo lo que podían ver” (Día, noche, estaciones y sombras).

Los prisioneros de la historia de Platón no entendían los ‘poderes’ detrás del Sol, como nosotros aún no terminamos de asimilar el concepto de un universo tetradimensional. Pero al menos, ellos sabían donde comenzar a buscar respuestas.

Referencias

Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang.

Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi and Robert B. Mann

Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Vol. 2014

Kaluza-Klein Gravity

Kaluza-Klein Theory

Kaluza-Klein Supergravity

An Introduction to the Brane World

La ciencia ficción ha imaginado algunas de las ideas más osadas y atractivas acerca del Universo y de nuestro lugar en él. Los Universos paralelos y/o alternos han sido temas recurrentes en Star Trek y en los cómics. En Interstellar, un astronauta explora dimensiones ocultas. En The Matrix y otras películas han representado la vida ordinaria en nuestro planeta como una proyección mental u holográfica. Pero todo eso que imaginamos tiende a parecer francamente habitual comparado con los increíbles hallazgos científicos de la Física y la Astronomía.

Lo más extraño inicia con el momento de la creación. Hemos pasado un largo tiempo pensando en el Big Bang como el inicio del tiempo, pero algunos teóricos tienen una idea de lo que pudo haber estado antes. ¿Podría nuestro Universo 3-D haber surgido de la formación de un agujero negro en un cosmos 4-D? Las matemáticas dicen: Quizás.

Luego entonces, los agujeros negros podrían ser muy diferentes de la idea convencional que hoy día prevalece (Una singularidad puntual rodeada de un horizonte de eventos invisible – frontera cuyo escape más allá es imposible). Las leyes de la física cuántica sugieren que, en lugar de los agujeros negros, podrían ser unos literalmente grandes agujeros esféricos provistos de espacio y tiempo. De ser así, entonces los horizontes de eventos deberían ser de hecho como cáscaras sólidas. Por lo tanto, deberían ser visibles, bullendo con un fuego letal intenso y constante de partículas de alta-energía.

Cada vez más, parece como si cualquier cosa en el exterior es lo primero que parece ser. Las primeras estrellas en formarse podrían haber sido tan grandes que podría decirse que merecen una nueva clasificación. Nuestra propia galaxia (La Vía Láctea) posee una gigantesca mancuerna de gas brillante en su centro del cual no nos habíamos percatado hasta épocas recientes. Aún nuestras más fundamentales nociones de qué realmente es están ahora en debate, aunque hay que ser menos dramático en las maneras que interpretamos los comportamientos bizarros observados en el reino cuántico.

Mucha de esta nueva ciencia es posible por las innovaciones tecnológicas, las cuales incluyen (Pero no se limitan a) más de 5000 sensores enterrados en la Antártica, un arreglo que podría arrojar resultados importantes en la solución del ‘rompecabezas’ que es la naturaleza de la materia oscura. Los científicos están también ‘diseccionando’ moléculas con el láser de Rayos-X más poderoso del mundo y están utilizando una cámara de 570 megapixeles para escanear el Universo en busca de pistas que nos lleven a resolver el misterio de la energía oscura. Y desde luego, no debemos olvidar a la herramienta más útil que se utiliza en la física: Las Matemáticas.

La física avanzada puede parecer abstracta, pero en realidad está conectada a la vida cotidiana. Los seres vivos también, debemos atenernos a las reglas de la mecánica cuántica, y los físicos, eventualmente, fijarán un límite superior a la inteligencia humana.

Quizá parezcan una serie de divagaciones o de pensamientos sueltos. No es así. Hace tiempo que no publicaba un ‘plan editorial’, puesto que por una u otra razón, no los llevaba a cabo. He estado leyendo algunas publicaciones de física en días de asueto, de allí cada uno de los párrafos. La idea para el 2016 es continuar con las series que ya se iniciaron en este 2015 (Materia Cristalina, Diseño Higiénico, Vida Extraterrestre, Evolución, Control y Análisis de los Alimentos, Física Nuclear, Cultura de Inocuidad Alimentaria, Gestión de la Cadena de Suministro), algunas están solo en el ‘tintero’, ya se inició su redacción pero aún no se publican, pero se hará en el 2016.

Además, quiero publicar algo de información sobre los temas mencionados, no como parte de una serie, sino como artículos independientes. También se publicará información sobre aquellos temas que me estén solicitando por medio de los diferentes medios de comunicación (Por ejemplo, estoy revisando información de polímeros, puesto que es un tema del que me han llegado varias preguntas tanto por Facebook como por Twitter).

Espero sea de su agrado, y como siempre, agradezco su retroalimentación. Que el 2016 sea un año lleno de éxitos. Un abrazo desde La Enciclopedia Galáctica.

La principal contribución de Darwin a la ciencia es que completó la Revolución Copernicana extrayendo para la biología la noción de la naturaleza como un sistema de materia en movimiento gobernada por leyes naturales. Con el descubrimiento de Darwin de la selección natural, el origen y adaptación de los organismos fue traído al reino de la ciencia. Ahora podemos explicar las características adaptivas de los organismos, como los fenómenos del mundo inanimado, por resultado de los procesos naturales, sin el recurso de un Diseñador Inteligente. Las revoluciones Copernicanas y Darwinianas pueden verse como dos etapas de una Revolución Científica. En conjunto marcan el comienzo de la ciencia en el sentido moderno: Explicación a través de las leyes naturales. La teoría de Darwin de la selección natural explica el “diseño” de los organismos y para su maravillosa diversidad, como resultado de los procesos naturales, la acumulación gradual de variaciones surgidas espontáneamente (Mutaciones) resueltas por la selección natural. ¿Cuáles características serán seleccionadas? Depende de las variaciones que se presentarán en un lugar en un tiempo dado. Claro que esto depende de un proceso aleatorio de mutaciones así como de la historia previa de los organismos. La mutación y selección en conjunto, han gestionado el maravilloso proceso que, inició con organismos microscopios y ha llegado hasta plantas, aves, seres humanos y demás criaturas que nos maravillan día con día. La Teoría de la Evolución converge la oportunidad y la necesidad, azar y determinismo, enredado en forma conjunta en la materia de la vida. Éste fue el descubrimiento fundamental de Darwin, que hay un proceso que es creativo, aunque no es consiente.

Hay una versión de la Historia de las Ideas que observa un paralelo entre las revoluciones Copernicana y Darwiniana. Desde este punto de vista, la Revolución Copernicana consistió en desplazar a la Tierra desde su previamente aceptado lugar geométrico como centro del Universo y moviéndola hacia un lugar ‘subordinado’ como un planeta más orbitando alrededor del Sol. De manera análoga, la Revolución Darwiniana consiste en el desplazamiento de la especie humana de su exaltada posición como centro de la vida terrestre con todas las especies creadas para el servicio de la humanidad. De acuerdo a esta versión de historia intelectual, Copérnico realizó esta revolución con la Teoría Heliocéntrica del Sistema Solar, mientras que Darwin lo hizo con la Teoría de la Evolución Orgánica.

Lo que esta versión de las dos revoluciones dice es correcto, más insuficiente, puesto que descuida u olvida lo que es más importante acerca de estas dos revoluciones intelectuales, que en conjunto, marcan el inicio de la ciencia en el sentido moderno de la palabra.

La Revolución Copernicana fue iniciada con la publicación en 1543, año de la muerte de Nicolás Copérnico (Nicolaus Copernicus) de su De revolutionibus orbium celestium, y floreció con la publicación en 1867 de Philoophiae naturalis principia mathematica de Isaac Newton. Los descubrimiento de Copérnico, Kepler, Galileo, Newton y otros, en los siglos XVI y XVII, gradualmente marcan el comienzo de una concepción del Universo como materia en movimiento gobernada por leyes naturales. Se demostró que la Tierra no es el centro del Universo sino un pequeño planeta que orbita alrededor de una estrella promedio, que el Universo es inmenso en tiempo y espacio, y que el movimiento de los planetas alrededor del Sol puede ser explicado por las mismas leyes simples del movimiento para los objetos físicos en nuestro planeta.

Estos y otros descubrimientos expandieron el conocimiento humano. Esta revolución conceptual nos proporcionó algo más básico aún: La entrega del postulado de que el Universo obedece leyes inmanentes que consideran los fenómenos naturales. El funcionamiento del Universo fue introducido en el reino de la ciencia: Se explica a través de leyes naturales. Todos los fenómenos naturales pueden ser explicados dado que con el tiempo, se pueden conocer las causas.

Los avances de la Física, ocasionados por la Revolución Copernicana han impulsado la concepción humana del Universo, que ha persistido desde el siglo XIX. Las explicaciones científicas, derivadas de las leyes naturales, dominan el mundo de la materia viva e inerte, tanto en la Tierra como en “el cielo”. Sin embargo, las explicaciones sobrenaturales, las cuales dependen de los hechos insondables de un “Diseñador”, siguen siendo aceptadas como explicación del origen y configuración de las criaturas vivas. Autores como William Paley argumentan que el diseño complejo de los organismos no puede provenir por las leyes de la física, química o biología, sino que debe haber sido realizado por un “Diseñador Inteligente”, al igual que la complejidad para mostrarnos la hora, por un relojero inteligente.

Fue el genio de Darwin el que resolvió esta esquizofrenia conceptual. Darwin completó la Revolución Copernicana extrayendo para la biología la noción de la naturaleza como un sistema ‘legal’ de materia en movimiento que el humano puede explicar de manera racional sin el recurso de agencias sobrenaturales. El enigma que enfrentó Darwin difícilmente puede ser sobreestimado. La fortaleza del ‘argumento del diseño’ para demostrar que una entidad creó todo había sido establecida y reforzada aún más, de manera sucesiva por filósofos y teólogos. Donde se observara una función, se detectaba un diseño, y en consecuencia, un autor. Fue un gran logro de Darwin demostrar que la compleja organización y funcionalidad de los seres vivientes puede ser explicada como resultado de procesos naturales (Selección natural) sin la necesidad de recurrir a entidades externas, de ningún tipo. El origen y adaptación de los organismos, así como su profusión y maravillosas variaciones, fueron traídas al reino de la ciencia, como ya se había mencionado.

Darwin aceptó que los organismos están “Diseñados” para ciertos propósitos, esto es, están funcionalmente organizados. Los organismos se adaptan a ciertas formas de vivir y sus partes están adaptadas para desempeñar ciertas funciones. Los peces están adaptados para vivir en el agua, los riñones regulan la composición de la sangre, y la mano humana puede asir. Si, Darwin fue más allá de la simplista explicación del diseño. Los aspectos, aparentemente con propósito de los seres vivos, ahora pueden explicarse al igual que los fenómenos del mundo inanimado, por el método científico, siendo el resultado de las leyes naturales manifestándose en los procesos naturales.

Darwin ocupa un lugar exaltado en la historia del pensamiento moderno, recibiendo el crédito que merece por la Teoría de la Evolución. En el Origen de las Especies, publicado en 1859, trazó la evidencia que demostraba la evolución de los organismos. Darwin en sí, no utilizó el término “Evolución”, el cual no tenía el significado actual, pero se refirió a la evolución de los organismos con la expresión “Descendientes comunes con modificaciones” y otras similares. Sin embargo, Darwin logró algo mucho más importante para a historia intelectual que demostrar la evolución. De hecho, la evidencia acumulativa para la descendencia común con la diversificación bien puede quedar como un objetivo secundario de la obra maestra de Darwin. El Origen de las Especies de Darwin es, primero y ante todo, un esfuerzo sostenido para resolver el problema de como contabilizar científicamente el diseño de los organismos. Darwin buscó la explicación del diseño de los organismos, su complejidad, diversidad y maravillosos artificios, como resultado del proceso natural.

Referencias:

Legado y Trascendencia de las Ideas Evolutivas de Charles Darwin

Jorge Martínez Martínez

El Origen de las Especies

Charles Darwin

Charles Darwin and The Origin of Species

Keith A. Francis

Natural Theology

William Paley

La comprensión de la química del PET explica porque es reconocida globalmente como inocuo, y el motivo por el cual es ampliamente utilizado para alimentos, bebidas, fármacos y aplicaciones médicas.

PET corresponde a las siglas de Polyethylene Terephtalate. El PET se elabora a partir de la combinación de Etilen-Glicol y Ácido Tereftálico a altas temperaturas y baja presión de vacío, para formar la cadena polimérica. El polímero resultante es extremadamente estable, duro y esencialmente inerte. El PET es altamente resistente a las reacciones químicas o biológicas con otras sustancias. Está calidad no reactiva es la base de la inocuidad del PET.

Aunque las botellas de PET son principalmente vinculadas a las bebidas carbonatadas y al agua purificada, es importante mencionar que también se utilizan otros polímeros para el empaquetado de bebidas y alimentos. Los nombres y acrónimos de muchos de estos polímeros son muy similares, pero tienen diferentes propiedades y estructuras químicas.

Disipando mitos y conceptos erróneos

Muchos consumidores e incluso personas en el medio, confunden el PET con otros polímeros. Esto ha llevado a asunciones erróneas acerca del PET y ha sido acreedor de rumores absurdos, tales como el hecho de que el beber agua de una botella de PET que ha estado ‘olvidada’ en el auto puede causar cáncer de pecho. Para aclarar las cosas, el PET no contiene BPA, ftalatos, dioxinas, plomo, cadmio o perturbadores endocrinos. Además, el beber agua de una botella PET que se ha calentado en el auto, que ha sido congelada, que se ha utilizado más de una vez, o se ha lavado y enjuagado en repetidas ocasiones, no posee un peligro para la salud.

El PET no contiene BPA (Bisphenol-A). El BPA es un compuesto utilizado para la manufactura de policarbonato, un polímero diferente que podemos encontrar en algunos biberones, y algunas botellas deportivas reutilizables. El PET no contiene BPA, y de acuerdo a su proceso de manufactura, no lo tendrá.

El PET no contiene ftalatos. Los plastificantes ftalatos son utilizados en ocasiones para suavizar algunos polímeros, y se cree que son potencialmente perturbadores endocrinos, aunque no ha sido probado. La confusión parece venir por el nombre químico del PET. A pesar del sufijo, el PET no es un plastificante ftalato. Los ftalatos son monoesteres de bajo peso molecular producidos a partir de ácido orto-ftálico. El PET es un poliéster de alto peso molecular, manufacturado de ácido tere-ftálico. Son compuestos químicos totalmente diferentes.

El PET no contiene dioxinas. Las dioxinas son un grupo de compuestos formados en ocasiones con la combustión a alta temperatura (Más de 400 °C) y ciertos tipos de procesos industriales incluyen cloro. El PET no contiene dioxinas, ni son creadas en su proceso de manufactura. Se requiere cloro para la formación de dioxinas, y el PET no lo contiene. En resumen, el PET no contiene dioxinas, ni pueden formarse en un contenedor PET si es calentado o congelado (Mitos urbanos comunes).

El PET no contiene perturbadores endocrinos. El PET no contiene perturbadores endocrinos químicos conocidos, y no existe información científica creíble que sugiera que el PET produce estrógeno o que modula la actividad endocrina.

El PET no contiene plomo ni cadmio. De vez en cuando, circulan correos cadena y publicaciones en redes sociales ‘acusando’ que las botellas de PET contienen plomo y cadmio. Estos rumores son falsos, dado que ninguno de los dos metales pesados es utilizado en la manufactura de PET.

Acerca del Antimonio

Se utilizan pequeñas cantidades de compuestos de antimonio en la producción de PET, así como en la de vidrio. El óxido de antimonio (No el metal en sí) es utilizado típicamente como catalizador en el proceso de manufactura del PET, el cual está enlazado químicamente en el polímero a 200 – 300 ppm. Con el tiempo y con una exposición extendida a ambientes calientes, trazas de antimonio pueden migrar al agua o a las bebidas contenidas en las botellas de PET. Algunas entidades han confirmado que estas cantidades no poseen riesgos a la salud.

 Acerca de los Aldehídos

Trazas de acetaldehído y de otros aldehídos, son subproductos inevitables en la producción de botellas de PET. Se utilizan prácticas modernas de manufactura en la industria del PET para minimizar su formación. Los acetaldehídos son una sustancia presente en la naturaleza, en muchos alimentos, especialmente frutas maduras, incluyendo manzanas, uvas y frutas cítricas. También es un constituyente natural de la mantequilla, la oliva, vegetales congelados y el queso, y lo producimos en nuestro cuerpo cuando digerimos algunos alimentos. La cantidad de acetaldehído que puede encontrarse en una botella de PET o artículos empacados en contenedores de PET es prácticamente insignificante, dado que es más baja que los niveles típicos encontrados en muchos alimentos o en el cuerpo humano, y no posee peligros para la salud. La principal preocupación acerca de las trazas de acetaldehído encontradas en las botellas PET es prácticamente relacionada al sabor. Algunas personas, con un sentido del olfato altamente desarrollado pueden detectar en ocasiones un ligero olor frutal en el agua purificada (Éste es indetectable en bebidas con sabores).

Referencias

Manufatura de PET

Project Profile on PET Bottles

APITCO Limited Engineering Growth

6.6.2 Poly(ethylene) Terephthalate

EPA

PET Profile

Indorama

Production of Polyethylene Terephthalate by Direct Esterification Using Pervaporation

Yahya Banat & Ziad Abu El—Rub

BPA

Toxicological and Health Aspects of Bisphenol A

Report of Joint FAO/WHO Expert Meeting

Bisphenol A (BPA)

National Toxicology Program

BISPHENOL A (BPA) – Current state of knowledge and future actions by WHO and FAO

WHO

Phthalates

40 CFR Part 799 Testing Consent Order on Alkyl Phthalates

EPA

Phthalates – TEACH Chemical Summary

EPA

Phthalate Reproductive and Developmental Toxicity

Society of Toxicology

Dioxins

Hazards of Dioxins

Washington State Department of Ecology

Exposure to dioxins and dioxin-like substances

WHO

Lead

Toxicological Profile for Lead

US Department of Health and Human Services

Exposure to Lead

WHO

Cadmium

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WHO

Toxicological Profile for Cadmium

US Department of Health and Human Services

Endocrine Disruptors

State of the science of Endocrine Disrupting Chemicals 2012

UNEP

Endocrine Disruptor

National Institute of Environmental Health Sciences

Antimony

Antimony in Drinking Water

WHO

Toxicological Profile for Antimony and Compounds

U.S. Public Health Service

Aldehydes

Formaldehyde in Drinking-water

WHO

Toxicological Profile: Endrin & Endrin aldehyde

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Acetaldehyde

Occupational Health Guideline for Acetaldehyde

CDC

Scientific Committee on Consumer Safety. Opinion on Acetaldehyde

SCCS (Europe Union)

Alcohol Hangover

Robert Swift & Dena Davidson

Evaluation Report of Food Additives – Acetaldehyde

Food Safety Commission (Japan).