La composición química de la vida en otros mundos

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¿Es una casualidad que la vida terrestre esté basada en el carbono, o bien es éste el único elemento capaz de servir de base a la vida? ¿Podría existir, en algún lugar del Universo, un tipo de vida diferente del nuestro, cuya composición química no esté basada en el carbono? ¿Sobre qué átomo o grupo de átomos podría construirse, en teoría, una química de complicación comparable a la química orgánica?

En la Tierra hay 91 elementos químicos diferentes. Otros han sido generados artificialmente en el laboratorio, y se sospecha que pueden producirse en pequeñas cantidades en el interior de una estrella gigante que se transforma en supernova, pero su vida tiene corta duración, pues son muy radiactivos y se desintegran rápidamente, transformándose en elementos más estables. Por tanto, la búsqueda se puede reducir a los 91 elementos naturales. Seleccionaremos entre éstos los que cumplan las dos condiciones siguientes, imprescindibles para poder ser la base química de la vida: 

1. Que sean capaces de establecer más de dos enlaces covalentes con otros átomos. 
2. Que sean estables. Es decir, que tengan al menos un isótopo no radiactivo. 

Metano

La primera condición es necesaria para que el elemento pueda unirse consigo mismo formando cadenas o anillos. Dos enlaces no son suficientes, pues, en este caso, la cadena o el anillo no tendrían enlaces libres para unirse con átomos diferentes. La segunda condición es lógica, porque un elemento radiactivo no daría estabilidad a los compuestos químicos basados en él. Algunos de los átomos de las cadenas y los anillos se transmutarían espontáneamente, y los seres vivos se desintegrarían. 

La lista de los elementos químicos que cumplen las dos condiciones se reduce a nueve: boro, nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio, carbono, silicio, germanio y estaño. Los cinco primeros pueden formar tres enlaces covalentes, y están en inferioridad de condiciones respecto a los cuatro últimos, que disponen de cuatro enlaces. 

Parece razonable exigir que el elemento sobre el que pueda basarse la vida sea bastante abundante. De los nueve mencionados, el nitrógeno, el carbono y el silicio abundan en el universo. En la corteza de la Tierra destacan el silicio, el fósforo y el carbono. En la hidrosfera el carbono es el más frecuente de los nueve elementos. Finalmente, en la atmósfera destacan el nitrógeno y el carbono. El boro, el arsénico, el antimonio, el germanio y el estaño son elementos mucho menos abundantes que los otros cuatro. Prescindiremos de ellos, puesto que es improbable que en algún lugar del Universo exista un tipo de vida basado en ellos. 

Nos vemos reducidos, por consiguiente, a cuatro elementos: carbono, silicio, nitrógeno y fósforo. ¿Podemos eliminar alguno más? Sí. Hay que tener en cuenta la estabilidad de los compuestos resultantes. En la naturaleza, los elementos se combinan de tal manera que se precisa más energía para descomponer las configuraciones más estables. Esto no significa que no puedan existir otras cuyos enlaces requieran menos energía para separarse, pero estas se deshacen con más facilidad y a la larga se transforman en las primeras. Pues bien, aunque teóricamente sería posible construir cadenas de átomos de nitrógeno, esta configuración es mucho menos estable que la molécula formada por dos átomos de nitrógeno unidos entre sí mediante un enlace triple: N≡N. La energía de este enlace es seis veces mayor que la de un enlace sencillo. Esto significa que los compuestos basados en cadenas o anillos de átomos de nitrógeno serán inestables y se descompondrán, produciendo nitrógeno molecular. Por consiguiente, podemos prescindir de este elemento. 

Llegamos así a la siguiente conclusión: entre todos los elementos conocidos sólo tres tienen ciertas probabilidades de poder servir de base para la construcción de la vida: el carbono, el silicio y el fósforo. Sabemos que el primero cumple todas las condiciones requeridas, puesto que la vida terrestre se basa en él. Pero ¿podemos decir lo mismo de los otros dos? 

Fijemos la vista en el silicio, que supera al fósforo; abunda más en el universo, puesto que se produce en grandes cantidades en las estrellas que alcanzan la fase llamada gigante roja. Además, puede establecer cuatro enlaces covalentes frente a los tres del fósforo, y por tanto puede dar lugar a la formación de un número mucho mayor de compuestos. Esto nos lleva a formularnos una pregunta: Puesto que el silicio, en teoría, podría servir de base para el origen de la vida, ¿por qué no se basa en él la vida terrestre, siendo así que abunda en la Tierra mucho más que el carbono?

El carbono tiene átomos más pequeños, por lo que los enlaces que puede constituir con otros elementos y consigo mismo son más fuertes, precisan aportar más energía para ser destruidos, y por tanto son más estables. En particular, la energía del enlace carbono–carbono es 1,5 veces mayor que la del enlace silicio–silicio. El carbono será, por tanto, superior al silicio para realizar el papel que nos interesa. 

Estructura del cuarzo

Aunque el silicio es capaz de formar cadenas y anillos semejantes a los del carbono, la energía de su enlace con otro átomo de silicio es significativamente menor que la de su enlace con un átomo de oxígeno. En presencia de oxígeno, los polímeros del silicio se destruirán espontáneamente, transformándose en compuestos oxidados, más estables. Al carbono le pasa lo mismo, pero su afinidad por el oxígeno es 1,13 veces mayor que la energía del enlace carbono–carbono, frente a 1,66 veces en el caso del silicio. Esto significa que, en presencia de oxígeno, los compuestos del carbono son más estables que los del silicio. 

En la Tierra primitiva casi no había oxígeno libre, pues cuando la Tierra se formó la mayor parte de este gas se combinó con otros elementos, especialmente con el silicio. Más del 80 por 100 de la corteza de nuestro planeta se compone de varias combinaciones del oxígeno con el silicio. La vida terrestre pudo basarse en el carbono porque el silicio había acaparado la mayor parte del oxígeno. 

Es cierto que casi todo el carbono también estaba oxidado en forma de anhídrido carbónico. Pero el anhídrido silícico es sólido hasta alta temperatura: el cuarzo funde a 1.780°C. Además, es poco soluble en agua. Por el contrario, el anhídrido carbónico es un gas soluble en agua. En la Tierra primitiva, los compuestos de silicio se acumularon en la masa sólida del planeta mientras que los del carbono formaban parte, sobre todo, de la atmósfera y de la hidrosfera, y por ello se vieron sometidos a la acción de las fuentes de energía que provocaron la aparición de los primeros compuestos orgánicos anteriores a la vida.

Esto explica por qué el carbono prevaleció sobre el silicio como base de la vida en nuestro planeta. Arroja, además, fuertes dudas sobre la posibilidad de que el silicio pueda desempeñar ese papel en un planeta diferente, pues siendo el oxígeno el tercer elemento más frecuente en el Universo, es muy probable que siempre esté presente en mayor proporción que el silicio, que se combine con él, y que lo incapacite para formar una química orgánica. 

La conclusión de estas discusiones puede expresarse con las palabras de Richard M. Lemmon y Wallace R. Erwin: Es difícil para el químico moderno imaginar que la vida pueda basarse en algún elemento distinto del carbono. Es difícil, pero no podemos asegurar que sea imposible, que no pueda existir algún lugar del Universo donde una combinación de circunstancias extrañas haya hecho posible la aparición de una vida basada en el silicio, en el fósforo, o en dos o tres elementos a la vez. El Universo es tan inmenso, el número de estrellas tan inimaginable que, aunque la probabilidad de un suceso sea pequeña, tal vez exista algún lugar donde se hayan reunido las condiciones adecuadas para que se produzca. Sin embargo, por esa misma razón, es muy improbable que lleguemos a enterarnos de su existencia.

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Manuel Alfonseca

Dedicado a Juan Rojas, que me sugirió este artículo