¿Puede existir la vida basada en el silicio?

Todos sabemos que la vida está esencialmente basada en el carbono ... y quizá alguna vez te hayas sentido tentado a preguntarte ...pero ¿por qué la vida no pudo evolucionar de un elemento diferente?

Y ¿qué elemento de la tabla perdiódica sería un buen candidato para reemplazar al carbono?, pues recordemos cómo se organizan los elementos en la tabla. Los elementos en un mismo grupo tienden a mostrar propiedades similares. El carbono pertenece al grupo IV, y el elemento más cercano a este en ese grupo es el silicio. Ambos tienen 4 electrones de valencia, lo que hace posible que ambos puedan formar hasta cuatro enlaces covalentes.

El primero en proponer en serio la vida basada en el silicio como una alternativa a la vida basada en el carbono en la comunidad científica fue el astrofísico alemán Julius Schneider. El usó esta teoría en 1891 para predecir la vida en los planetas rocosos de nuestro sistema solar. Luego en 1893, James Emerson Reynolds propuso  que la vida basada en el silicio podría existir, pero a temperaturas extremadamente altas, porque los compuestos de silicio conocidos en ese momento eran estables, incluso a altas temperaturas. Treinta años después, J.B.S Haldane sugirió que la vida basada en el silicio podría existir en las rocas fundidas en el interior de la Tierra. El manto de la Tierra contiene suficiente silicio y, como se dijo antes, los compuestos de silicio son muy estables a altas temperaturas. En años recientes el Dr. Thomas Gold, un renombrado astrofísico austríaco (ahora fallecido), escribió un libro sobre la posibilidad de la vida basada en el silicio en el interior de la Tierra: The Deep Hot Biosphere, un libro ciertamente muy controversial y que valdría la pena leer.

Con el conocimiento de que el carbono y el silicio tiene propiedades químicas similares y que el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (mucho más abundante que el carbono), hay que preguntarse no sólo si la vida de silicio puede existir sino también por qué no existe ya, al menos en nuestras condiciones ambientales.  La respuesta según Nicholas Linn se encuentra principalmente en el tamaño y la diferencia entre la energía de los orbitales de los átomos de carbono y los átomos de silicio.

Un átomo de silicio tiene 8 electrones más que un átomo de carbono y el tamaño de enlace homogéneo es de 235 pm a comparación de los 77 pm del carbono. La nube electrónica más grande del silicio hace que los electrones de valencia tengan mayor energía, así los enlaces del silicio generalmente son más débiles que los del carbono.  Esta diferencia por sí sola es suficiente para explicar por qué el carbono crea vida y el silicio crea rocas, al menos en las condiciones éstandares de la Tierra. 

Usando el software de modelamiento molecular y química computacional  PC Spartan Pro v5.1, Nicholas Linn de la Universidad de Carolina del Norte realizó experimentos  para determinar que o bien las diferencias entre el carbono y el silicio se pueden superar o que las propiedades químicas del silicio simplemente no son aptas para la formación de cualquier vida.

Una comparación de carbono y el silicio se elaboró y las propiedades de cada uno fueron probados. Ejecutando un alto nivel de cálculo (densidad funcional), la aplicación Spartan optimizó las geometrías de las  moléculas, calculados energías totales y rastreando las superficies de densidad de los enlaces en isovalores estándar (.08 electrones / ų ). A través de estos métodos, la estabilidad y las interacciones del silicio y el carbono en las moléculas de tipo orgánico puede ser investigado empíricamente y la viabilidad de la vida a base de silicio puede ser determinada.

Los Resultados de Linn

Linn realizó diferentes experimentos comparando las moléculas de carbono reales con las moléculas de sílicio teóricas de la misma estructura. El primero tenía que ver con el modelamiento de la molécula de etino más conocida como acetileno, el alquino más sencillo. 

 

C₂H₂ es una molécula de carbono simple con un enlace triple, la molécula de carbono más simple conteniendo un triple enlace. La versión de silicio produjo una molécula con mas de una sexta parte de la energía de la molécula de carbono y con una densidad electrónica baja en la región del enlace triple, sugiriendo un compuesto altamente inestable y debilmente enlazado.Un ensayo similar realizó con el eteno o etileno. 

 

El compuesto de silicio tenía una muy alta energía y una baja densidad electrónica en el área de enlace, lo que sugiere que los enlaces dobles de silicio son muy débiles y que probablemente el silicio no forma dobles enlaces.  

El tercer experimento consistía en modelar un anillo de benceno (C₆H₆), con átomos de silicio. Los anillos de benceno se producen en casi todas las grandes moléculas orgánicas no polimerizadas como los grupos fenilo y alteran a nivel crítico las propiedades moleculares.

Nuevamente, los resultados indican que el silicio no puede formar estructuras como lo hace el carbono. El ángulo del enlace Si-Si-H es demasiado agudo y es muy probable que no sea estable. Debido a que el átomo de silicio es mayor que el de carbono, no puede duplicar la unión π del carbono, que es necesaria para estabilizar los electrones deslocalizados en C6H6 y mantener la estructura de resonancia del anillo. Los resultados sugieren que el silicio no puede formar un anillo estable de seis miembros.

Otro experimento realizado ponía a prueba la creación de productos del proceso de respiración. En la respiación normal, la reacción

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ---> 6CO₂ + 6H₂O + energía

ocurre. El  CO₂  producido es una sustancia de desecho gaseosa que es fácil de excretar. Si esta reacción ocurriera con el silicio, se produciriía SiO­₂ . Cuando fue modelado, el SiO­₂  formaba un sólido en vez de un gas, cosa que no es fácil de remover de un organismo.

Como el silicio tiene una alta afinidad por el oxígeno, estos sólidos se producirían con frecuencia, creando a una criatura bastante frágil. Ambos detalles complicarían severamente la fisiología de un organismo.

Otros anillos podrían sustituir al benceno, tales como las estructuras heterogéneas modelados a continuación, aunque tampoco se forman bien. Estas moléculas tenían altas energías y baja densidad en torno a los átomos de silicio, sin embargo las densidades individuales de los enlacees eran lo suficientemente altas como para que una molécula puede ser sostenida en condiciones apropiadas (anillo de densidad de C4O de comparación).

La incapacidad del silicio para formar cadenas mas largas se evidencia abajo.

 

 La densidad del enlace en las cadenas de silicio son muy bajas  para sustentar el polímero. Sin este tipo de cadenas, algunas moléculas indispensables como la glucosa y varios ácidos grasos no existirían para que un organismo las utilice. 

Pero algo de evidencia empírica existente sustenta la posibilidad de que exista la vida basada en el silicio:

El silicio puede formar cadenas estables con un híbrido de silicio y carbono.
El siliciotambién interacciona con ácido fluorhídrico (un ácido débil), una sustancia que podría ser usada como solvente para separar moléculas específicas; el agua actúa de manera similar en la vida de plantas y animales ordenando varias vitaminas  basadas en su solubilidad.

Estructuras porosas llamadas "zeolitas", que son combinaciones de metaloides tipo minerales, como el silicio, pueden actuar como membranas semipermeables (como paredes de las células), lo que permite que ciertas moléculas pasen a través mientras que otras no. La  zeolita en la parte inferior izquierda está transportando una molécula de xileno.

 Después de revisar las propiedades del sílicio, es muy poco probable que exista vida basada en el silicio,  al menos en las condiciones terrestres en las que hay vida como la conocemos. Simplemente el silicio no puede formar tanta diversidad de moléculas como lo hace el carbono bajo las condiciones naturales actuales, sin embargo el silicio tiene algunas propiedades que el carbono no posee. Tal vez en algún recóndito lugar del Universo es probable que pueda haberse desarrollado alguna forma de vida basada en el silicio. Como propuso el Dr. Thomas Gold, tal vez sea bajo condiciones de temperatura extrema, o quién sabe. Espero que un día seamos lo suficientemente afortunados como para encontrarla, si no es aquí en la Tierra, en otro lugar. 
Por mi parte me alegro de estar compuesto de carbono, un organismo compuesto de silicio se vería masomenos así según Dickinson y Schaller: 

La vida basada en el silicio podría ser como cristales animados, como en este dibujo de Dickinson y Schaller. Los elementos estructurales, como fibra de vidrio, conectadas por elementos tensores para crear estructuras flexibles y delicadas.

Sinceramente creo que se vería bien como mascota. 

Bueno, hasta aquí el post, algo largo, pero creo que interesante. 


Hasta la próxima!



Referencias bibliográficas

1. Linn, N. 2001. Can Silicon based life exist?. Summer Ventures in Science and Mathematics. UNC, Charlotte.
2. ATS. 2004. Silicon-based life. Is silicon-based life similar to terrestrial life possible?
3. Silicon-based life.                                                                                                                         En:  http://www.daviddarling.info/encyclopedia/S/siliconlife.html (14/02/13)

Había una vez...

...Una bacteria que tenía arsénico en su ADN en lugar de fósforo

Qué tal amigos, no sé si algunos de ustedes recuerden aquella noticia. 

Yo no lo supe hasta unos meses después de que se publicó este descubrimiento. Fue en diciembre de 2010 cuando la NASA reveló que habían descubierto nueva vida: Una bacteria con arsénico en su ADN, una forma de vida "completamente" distinta a la conocida.

Lago Mono en California

¡Vaya!, la NASA. Suena a que descubrieron vida extraterrestre. Siento decepcionarlos pero no, aunque  en su momento fue lo más cercano a la vida extraterrestre que se hubiera encontrado. La verdad era que estaba en nuestro planeta; y sin embargo,  con bloques de la vida diferentes a los conocidos, los que creíamos comunes a toda forma de vida en la Tierra.

Y es que tenía arsénico...  el arsénico no es exactamente algo que te gustaría comer. Tiene una merecida reputación como "veneno poderoso", es extremadamente tóxico; aunque en pequeñísimas cantidades (hablamos de microgramos), cumple algunas funciones biológicas. El arsénico es conocido desde la antigüedad y ha sido usado como arma en guerras, y actualmente contamina el agua de muchas lugares en especial aquellos cercanos a las industrias. 

Entonces quedamos en que el arsénico es lo más antagónico a la vida que un elemento químico puede lograr. Pero, en el Lago Mono en California, Felisa Wolfe-Simon descubrió una bacteria que no solo hace caso omiso a los efecto tóxicos del arsénico, sino que vive prósperamente en él. Incluso podía incorporar el arsénico en sus proteínas y en su ADN, en lugar del fósforo. O al menos, eso se creía.

El descubrimiento fue impresionante y las interpretaciones que tuvo también. Muchos se atrevían a decir que era una forma de vida totalmente diferente. Hasta se suguirió que  la vida nació no una vez, sino dos veces en la Tierra. Pero los resultados no sugerían ello. Para empezar, la bacteria GFAJ-1 (abreviacion de Give Felisa a Job, "dé trabajo a Felisa"), no depende de arsénico. Todavía contiene niveles detectables de fósforo en sus moléculas y de hecho crece mejor en fósforo si tiene la oportunidad. Pero podría prescindir de este, un elemento que se creía imprescindible para la vida. Esta sería una muestra de una habilidad extrema e impresionante.  Otra cosa, es que no pertenece a otro árbol de la vida. De hecho pertenece a un grupo llamado Oceanospirillales, así que pertenece a nuestro mismo árbol de la vida.

Felisa Wolfe-Simon procesando barro del Lago Mono

Pero esto no significa, que el descubrimiento hubiera sido menos extraordinario.

Sabemos que el fósforo es escencial para la formación de la cadena de ADN. Además forma parte del ATP, la molécula energética de las células. El arsénico se sitúa justo debajo del fósforo en la tabla periódica, y por ello, no es de sorprender que usurpe algunos puestos de este en muchas reacciones químicas. El arsénico ha sido pobremente estudiado, aunque se sabe que cuando ocupa el lugar del fósforo, los productos pueden ser muy inestables,esto explica una parte de por qué es tan tóxico. Y sin embargo, las bacterias del Lago Mono han encontrado una forma de burlar estos efectos.

Y tienen razones para hacerlo,ya que el lugar donde vive es un lago aislado. Todo lo que llega al lago, incluyendo metales, se queda allí. Por ello es uno de los que posee enormes concentraciones de arsénico.

Y bueno, ¿qué fue de este descubrimiento desde entonces?

Inicialmente fue publicado en la prestigiosa revista Science, y está disponible al público aún, aquí dejo el enlace: http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1163.long

Al parecer el trabajo de  la geomicrobióloga Felisa Wolfe-Simon estaba financiado con fondos de la NASA através del Programa de Astrobiología, y fueron ellos los que se encargaron de hacer pública la noticia. Quizá se exageró un poco, no lo sé; pero la conferencia fue duramente criticada en los días posteriores por muchos científicos e incluso respondieron a muchas dudas en una publicación.

Y es que un descubrimiento de esta magnitud, no puede ser tomado tan a la ligera. O sea, con sólo ver que una vez se obtuvo esos resultados, se van a aceptar así sin más. Sabemos que un buen método científico tiene la característica de ser reproducible. Así que al haber dudas sobre los resultados expuestos en el trabajo de Wolfe-Simon, un grupo de científicos liderado por Rosie Redfield, decidieron reproducir el experimento. Lo intentaron, pero no  lograron obtener los mismos resultados. Los autores originales del trabajo alegaban la claridad de su metodología y los cuidados que tuvieron con la contaminación con fósforo. No dudaban de sus conclusiones. Así siguió el tema, tan controversial por un tiempo.

Finalmente, a mediados del 2012,  luego de haber sido discutido durante mucho tiempo, las reglas químicas de la vida se mantienen intactas.  El veredicto oficial: una bacteria tolerante al arsénico encontrada en el Lago Mono de California no puede vivir sin fósforo. Los artículos que dan prueba de esto se encuentran alojados en la página de la revista Science, aquí los enlaces: http://www.sciencemag.org/content/337/6093/470 y http://www.sciencemag.org/content/337/6093/467.

Redfield y sus colaboradores informaron que cuando las bacterias GFAJ-1 se cultivaron en un medio que contenía arsénico y una cantidad muy pequeña de fósforo, su ADN no contenía compuestos de arsénico detectables, tales como arseniato (el análogo de arsénico del fosfato). En el segundo artículo, Julia Vorholt, una microbióloga en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich, Suiza, y sus colegas informan que la bacteria no puede crecer en un medio libre de fósforo en presencia de arseniato. Sí puede, sin embargo, crecen en condiciones de bajo fosfato en presencia de arseniato. GFAJ-1 "es un arseniato resistente, pero sigue siendo una bacteria fosfato-dependiente", escribe el equipo. En una declaración, Science, dijo: "La nueva investigación muestra que GFAJ-1 no rompe las reglas de larga data de la vida, al contrario de cómo Wolfe-Simon había interpretado los datos de su grupo."

Bacterias GFAJ-1, fotografía de microscopio electrónico.

La historia de GFAJ-1 está lejos de terminar. Las preguntas clave son: ¿cómo estas células crecen en concentraciones letales de arsénico Y ¿ a dónde va el arsénico? Estas preguntas aún estan siendo investigadas, y estoy seguro que las respuestas abrirán las puertas a muchas aplicaciones, alguna de ellas dirigida a reducir la contaminación y así evitar los daños a la naturaleza y el ser humano.

 
Hasta aquí el post, espero que les haya gustado.

Hasta la próxima!


Para más información:

http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1163.long
http://www.sciencemag.org/content/337/6093/470 
http://www.sciencemag.org/content/337/6093/467
http://www.guardian.co.uk/science/2010/dec/02/nasa-bacteria-arsenic-phosphorus
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-18770964
http://www.huffingtonpost.com/2010/12/02/nasa-new-life-arsenic-bacteria_n_791094.html
http://news.nationalgeographic.com/news/2010/12/101202-nasa-announcement-arsenic-life-mono-lake-science-space/
http://phys.org/news/2010-12-critics-nasa-arsenic-bacteria.html
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/02dec_monolake/
http://arstechnica.com/science/2010/12/bacteria-can-integrate-arsenic-into-its-dna-and-proteins/
http://www.sciencenews.org/view/generic/id/66953/description/Bacterium_grows_with_arsenic
http://www.nature.com/news/arsenic-life-bacterium-prefers-phosphorus-after-all-1.11520