martes, 18 de febrero de 2020

LA SINGULARIDAD DE TITAN .....


Tormenta  de  polvo  en  Titan  en  junio  del  año  2010  .  Crédito  :  Cassini/NASA.
En  estos  tiempos  que  corren  ,  los  astrobiologos  intentan  ver  que  situaciones  posibles  existirían  para  la  evolución  de  una  forma  de  vida  alienigena   fuera  de  la  Tierra  ,  y  ellos  se  centran  en  dos  preguntas   para  poder  comprender  los  limites  ambientales   y  químicos  de  la  vida   .
Porque  si  entendemos  los  limites   de  la  vida  ,   tenemos  la  posibilidad  de  tener   o  identificar  posibles  biofirmas    en  atmósferas  de  exoplanetas    y  porque  no  ,  en  nuestro  sistema  solar   ,   para  la  existencia  de  vida  aqui  en  la  Tierra  tiene  que  haber  un   requisito  fundamental  ,   se  llama  membrana  de  la  bicapa   lipídica   ,   cuando  se  ha  hecho  estudios   basados  en  simulaciones   de  dinámica  molecular  ,  han  sugerido  que  las  membranas   de  polaridad  invertida   conocidas  como   azotosomas   hechas  de  pequeñas  moléculas   y  que  contienen  nitrogeno   pueden  ser  abundantes  en  mundos  líquidos   criogénicos  como  en  Titan   .
Actualmente  hay  un  tiempo  potencial   para  poder  investigar  la   viabilidad  termodinámica   de  la  formación  de  azotosomas   ,   por  eso  ,  en  ese  contexto  ,  Sandstrom  y   Rahm  ,  ambos  ,  de la  Universidad   Tecnológica   de   Chalmers  ,  Suecia   ,  han  hecho   cálculos  de  mecánica  cuántica   y  han  predicho  que  los  azotosomas    no  pueden  autoensamblarse  en  agua  liquida  ,  a  diferencia  de  las  bicapas  lipídicas   .
Y  ambos  cientificos  proponen   que  debido  a  las  estrictas  condiciones   anhidras  y  de  baja  temperaturas   las  membranas  celulares  pueden  ser  innecesarias   para  una  hipotética   astrobiologia  en  Titan   ,   y  esos  esfuerzos  en  astrobiologia    computacional  predictiva  va  a  ser  de  gran  importancia  en  el  futuro  aterrizaje  de  Dragonfly  en  el  año  2034   .
Recordemos  que  Titan  se  caracteriza  por  ser  un  mundo   rico  en  quimica  atmosférica   y  una  morfología  de  superficie   dinámica   impulsada  por  la  lluvia   estacional  que  es  predominantemente   de  ciclos  de  metano   y  etano   ,   también  se  ha  observado  en  Titan  lagos  y  mares  de  hidrocarburos  y  que  están  cerca  de  las  zonas  polares  de  Titan   ,   y  que  establece  comparaciones   con  el  ciclo  hidrológico   de  la  Tierra   en  relación  con  el  origen  de  la  vida   .
Pero  las  condiciones  en  Titan  son  terriblemente  gélidas  ,   es  muy  frío  ,  con  temperatura  de   - 183  grados  Celsius  bajo  cero  a  - 179  grados Celsius  bajo  cero   -  90  a  94  grados  Kelvin  -  y  la  superficie  mas  externa  de  Titan   está  libre  de  oxigeno  ,  pero  está  cubierta  por   productos  de  su  fotoquimica  atmosférica  ,   por  eso  la  prueba  mas  estricta   para  los  limites  de  la  vida  ,   Titan  da  un  entorno  único   para  poder  explorar  y  experimentar  la  complejidad   quimica  de  la  naturaleza   y  su  progresión  sin  agua   liquida  a  bajas  temperaturas   y  en  escalas  de  tiempo   cercanas  a  la  edad  del  sistema  solar    .
Pero  la  falta  de   energía  térmica   -    kT = o.75 kj  /  mol  a  90 K  -  viene  a  ser  un  cuello  de  botella   para  la  reactividad  quimica   en  Titan  ,  pero  sin  embargo  ,  la  luz  solar  es  una  fuente   de  energía  -   0.4  W  / m2  -   que  está  disponible  para  que  ocurra  la   quimica   ,  pero  en  este  caso  ,  tanto   Sandstrom  y  Rahm  pensaron  en  la  probabilidad   de  formación  de  membrana   celular  abiótica   y  que  viene  a  ser  unos  de  los  requisitos   previos  para  el  posible  origen  de  la  vida   .

Esto  es  solo  una  predicción  quimica  cuántica  sobre  la  estabilidad   de  la  membrana  ,   la  relativa  energía   libre  del  azotosoma  y  el  hielo  del  acrilonitrilo  ,  y  los  cálculos  de  mecánica  cuántica   predicen  que  el  azotosoma  no  es  un  candidato  termodinamicamente  viable  para  el  autoensamblaje   de  membranas  celulares  en  Titan   y  el  bloque  de  construcción   necesario  acrilonitrilo  formara  preferentemente   el  hielo  molecular  ,  las  simetrías  cristalinas  de  las fases  consideradas  se  muestran   entre  paréntesis  .  Crédito  :  Science  Advances  .     
Ambos  también   pensaron   en  la   compartimentación   como  elemento  central  de  la  vida   para  poder  sugerir   la  posibilidad  de  azotosomas  en  Titan   ¿  que  es  un  azotosomas  ?  son  membranas  hechas   de  pequeñas  moléculas   con  un  grupo  de  cabeza   de  nitrogeno   y  un  grupo  de  cola  de  hidrocarburo    y  los  grupos  hidrofóbicos   ,  grupos  que  odian  el  agua  ,   permanecen  en  el  exterior    de  las  membranas   azotosómicas   -  polaridad  invertida  -  en  comparación  con  las  membranas   lipídicas  normales  en  el  agua   .
Y   donde  los  grupos  hidrofóbicos   permanecen  en  el  interior   ,   los  investigadores  predijeron  que  utilizando   una  solución   de  dinámica  molecular   en  metano  criogenico   y  que  si   las  estructuras   estuvieran  hecho  de   acrilonitrilo    -  C  2  H  3  CN  -  tendrían  una  elasticidad    similar  a  la  de  una  bicapa   lipídica   y  en  una  solución   acuosa  ,   en  su  momento  se  discutió  mucho  sobre  este  elemento  ,  pero  dos  años  después   de  la  predicción  original  ,   y  a  traves  de  ALMA    ,  se  detectó  acrilonitrilo  en  Titan   .
Y  dado  que  las    membranas   y  las  micelas   normales  abióticas   y  biológicas  se  forman    a  traves  de  procesos  espontáneos   de  autoensamblajes   impulsados   por    una  termodinámica    favorable    ,  y  se  analizó   si  la  membrana  azotosómica   propuesta  también   se  mantuvo  de  manera  similar  ,   y  viables  a  los  motivos  termodinámicos   ,   también  Sandstrom   y  Rahm   hicieron  estimaciones  de  la   persistencia  cinética    de  los  azotosomas   usando  cálculos  químicos    cuánticos   y  luego  se  abordó   las  asociaciones   para   la  exobiologia   hipotética   en  situaciones  termodinámicas   estrictas  en  Titan  .
 En  biología  terrestre  ,  existe  la  hipótesis  del  mundo  de  los  lipidos   o  de  las  " células  primeros "  ,  o  sea  ,  la  formación  abiótica  de  membranas   ha  contribuido  al  surgimiento  de  la  vida  ,   en  donde  los  lipidos  en  el  agua  se  autoensamblan   espontáneamente   para  formar  estructuras   supramoleculares   ,  como  membranas  y  micelas  ,   pero  por  encima  de  una  concentración   critica   .

A  la  izquierda  ,  modelo   de  una  bicapa  de  fosfatidiletanolamina   ,  que  es  un  componente  principal   de  la  membrana  bacteriana  interna  ,  a  la  derecha  ,  una  membrana  azotosómica   ,  que  viene  a  ser  una  estructura  teórica  hecha  de  acrilonitrilo    que  exhibe  una  polaridad  invertida  en  comparación   con  las  bicapas  lipídicas   normales  ,  se  sugiere  que  las  membranas   azotosómicas   permiten  vesículas  similares  a  células   en  líquidos  criógenicos  -  90 Kelvin  -   de  hidrocarburos  que  están   presentes  en  Titan  .  Crédito  :   Science  Advances  .       
Ahora  bien  ,  durante  el  autoensamblaje    de   azotosomas  en  Titan  ,   las  estructuras  previstas  deberán   ser  -  hipotéticamente  -  cinéticamente  persistentes  ,  y  termodinamicamente  mas  bajas   en  energía   que  el  cristal  molecular   correspondiente  - hielo  molecular -   por  eso  se  usó   hielo  molecular   cristalino  como   contendiente   para  el  autoensamblaje   de  acrilonitrilo .
 Ambos  investigadores  aplicaron   la  mecánica  cuántica   en  forma  de  teoría  funcional    de  densidad  corregida   por  dispersión  -  DFT -  para  poder  calcular  la  energía   de  las  cuatro  fases   del  hielo  de  acrilonitrilo   ,   y  correspondientes  a  los  datos   experimentales  de  difracción  ,   esos  cálculos  confirmaron  la  ausencia   de  modos  de  fonones   imaginarios  ,   esto  para  garantizar  la  estabilidad   dinámica  de  la  estructura   .
Y  los  cálculos  tuvieron   en  cuenta  los   eventos  térmicos   y  entrópicos   en  la  helada  superficie  de  Titan  ,   que  son  condiciones  relevantes   al  mirar  y  considerar  la  interacción   de  dispersión   con  el  entorno  de  metano   circundante  ,   ahora  bien  ,   el  problema  de  la  termodinámica   para  el  origen  de  la  vida   no  es  de  exclusividad  de  Titan   ,   porque  los  requisitos   de  energía de Gibbs    en  la  formación   macromolecular    se  reducen   en  las  superficies  donde   la  vida  en  la  superficie   forma  una  posible   primer  paso   en  la  evolución  de  la  vida  en  la  Tierra  .
Por  eso  los  cientificos   limitaron  sus  cálculos   para  poder  evaluar   solo   le  azotosoma   basado  en  acrilonitrilo   y  su  autoensamblaje   en  condiciones  relevantes   en  Titan  ,   y  las  estructuras  de  membrana  hipotéticas    hechas  de  moléculas   mas  grandes  eran   menos  estables  cinéticamente  ,  no  se  ha  descartado   la  existencia   y  relevancia   de  otras  membranas   con  polaridad  invertida   construidas  a  partir   de  componentes  que  interactuan  mucho  mas   dentro  de  ambientes   de  hidrocarburos  mas  cálidos  .
Porque  en  ausencia  de  azotosomas   u  otras  membranas   celulares  ,  es  muy  poco  probable   que  puedan  ocurrir  procesos   que  gobiernen  la  vida  en  forma   criogénicas   ,  aunque  la  vida  en  mundos  fríos   de  hidrocarburos  como  Titan   tampoco  requeriría   membranas celulares   ,  por  eso  se  dice   que  cualquier  macromolécula   hipotética  con  vida   o  maquinaria  crucial   de  una  forma  de  vida   en  Titan  solo  existiría   en  estado  solido   ,   porque  nunca  correrá  el  riesgo   de  destrucción  por  disolución   .
Una  gran  pregunta  en  astrobiologia    es   si  estas  biomoléculas   se  pueden  beneficiar   de  una  membrana  celular   ,   pero  debido  a   las  condiciones   de  baja  temperatura  en  Titan   ,  las  macromoléculas   biológicas   pueden  depender   de  la  difusión  de  pequeñas  moléculas  energéticas   como  el  acetileno  ,  el  hidrógeno  ,   o  el  cianuro  de  hidrógeno  ,   para  su  crecimiento  y  replicación  ,  porque  una  membrana  podría  dificultar  los  beneficios  de  difusión   ,   también  una  membrana  puede  dificultar   la  eliminación   de  los  productos  de  desechos  del  metabolismo   del  metano  y  del   nitrogeno   .
También  es  posible    que  una  hipotética  membrana   celular  proteja   contra  productos  químicos   nocivos  en  Titan   ,   pero  los  azotosomas  propuesto   para  permitir  membranas   criogénicamente  operables   en  metano  liquido  ,  nos  da  un  desafío  gigante   para  la  comprensión   principal  de  la  biología   ,   es  muy  difícil  llegar  a  predicciones   especificas   de  la  quimica  para   respaldar  los  procesos  biológicos   que  ocurren  bajo  restricciones   ambientales  estrictas   y  termodinámicas  en  mundo  como  la  de  Titan   .
Y  no  es  fácil  porque  a  medida   que  la  molécula  de  interés   crece  en  complejidad   ,   el  desafío  de  modelar   de  manera  confiable   sus  propiedades  y  sus  rutas   de  formación  -  cinética y  termodinámica  -  puede  ser  difícil   ,   finalmente  y  mas  alla  de  hipotética  forma  de  pensar  formas  de  vida  en  Titan   ,   y  si  bien  es  posible  probar   experimentalmente   predicciones  computacionales   sobre  la  existencia  o  inexistencia   de  membranas  azotosómicas   .
  Las  especulaciones   sobre  los  limites  ambientales   reales  de  la  quimica  prebiotica   y  la  biología  siguen  siendo  especulaciones  ,   hay  que  hacer   una  exploración  computacional  cuidadosa  de  las  estructuras   y   procesos  prebióticos   y  biológicos  propuestos  ,  realmente  la  quimica  para  la  posibilidad de  vida  alienigena  en  Titan  no  es  fácil  ,  no  pensemos  en  cómo  surgió  la  vida  en  la  Tierra  ,  sino  cómo  puede  surgir  la  vida  en  Titan  con  los  ingredientes  químicos  propios  de  su  entorno  ......
         
                             
         
 http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aax0272
http://dx.doi.org/10.1126/science.365.6448.15-a
http://dx.doi.org/10.1038/35053176
https://phys.org/news/2018-02-titan-hydrocarbon-soup-recipe-life.html
https://link.springer.com/article/10.1023/A:1006568226145

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